CN100459560C - 向用户提供通信带宽的基于优先权分配的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一个通信系统运营者向一个多用户通信系统的每个用户提供一个约定信息速率(CIR)。当一个用户请求传输带宽时，一个系统控制器将该用户放在一个高优先权子类A中的队列中。系统控制器根据请求将带宽分配给队列首端的用户，但如果一个抽样时间段中测量的用户平均带宽超过其CIR，则它被移动到一个低优先权子类B中。然后该用户只能在高优先权子类中的其他用户已分配到达到其CIR的带宽后才能继续获取带宽。如果一个低优先权子类中的用户只接收少量带宽分配，以至于其平均信息速率降低到其CIR之下，则他被移回高优先权子类中的队列中。

Description

向用户提供通信带宽的基于优先权分配的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种提供通信带宽的方法和设备，尤其涉及向多用户电信系统(如固定无线接入(FWA)系统)中的用户提供带宽。

背景技术

在许多电信系统中，如FWA，移动电话或电缆系统中，可用带宽在多个用户之间共享。在这种系统中，用户通常购买带宽，而系统运营者将致力于销售尽可能多的带宽。通常，售出的带宽量将超出总可用带宽量。例如，一个提供互联网接入的电缆网络的运营者可预期平均起来在任何特定时刻，一部分用户将不会请求带宽接入，而即使当用户连接到互联网时，其带宽需求也是断断续续的。因此，运营者可通过向用户销售多于总可用带宽量的总带宽并预期多数时间不会出现超量需求的问题来增加收入。

随着售出带宽量的增加，有时用户请求的总带宽超过总可用带宽量的可能性升高。在这种情况下，显然不是所有用户都能拥有他们所要求的以及已付费的(根据系统运营者使用的商业模式)带宽。系统运营者确保所有用户都能满意地访问带宽是很重要的；例如，不同用户可能购买了不同量的带宽，但系统运营者需要向所有购买带宽的用户提供充足的接入，否则就有丢失顾客的危险。从而出现了向用户分配带宽并区分各用户访问带宽的优先次序的问题，尤其在超载的情况下。

发明内容

本发明提供的一种方法、一个通信系统和一个通信系统控制器，这里将对其给出参考说明。

在本文档中，用户这个词用于对应一个单个通信信道。因此，在一个ATM系统中，每个用户对应一个虚拟线路或信道。

在一个第一方面中，本发明允许用户获取具有高优先权访问的有限量的带宽，称为约定数据速率，并在可能的情况下，例如来自其他用户的需求较低的情况下，获取额外带宽。

有利的是，系统运营者可与每个用户就约定数据速率达成协议。每个用户的约定数据速率可以不同，并可反映每个用户向系统运营者付出的购买价格。

在本发明的这个方面中，为了在通信系统的每个服务间隔中向用户提供带宽，请求带宽的用户被分类为高优先权子类或低优先权子类。然后可用带宽首先提供给排队在高优先权子类中的用户。当一个用户最初成功地请求到一个通信信道时，该用户被放置在高优先权子类中，并在时间表中轮到他时接收到他请求的带宽量。根据系统的运营，可采用竞争程序或轮询程序请求信道。但如果用户传输足够大量的数据，超过了约定数据速率，则他被移动到低优先权子类中。仍可继续向用户提供带宽，但只能在高优先权子类中的用户接收到其分配后。这样，当用户处于低优先权子类中时他可能能够获取更多带宽，尤其在来自其他用户的需求较低时。

如果一个处于低优先权子类中的用户请求或被提供一个低速率的带宽，以致在一个抽样时间段中其平均数据速率低于其约定数据速率，则他被移回高优先权子类。这样，系统运营者可向用户提供约定数据速率，以便在正常需求时，每个用户可预期达到与其约定速率相称的速率，但不能通过超过其约定速率阻碍其他用户的访问。

每个用户的实际数据速率宜测量为在一个比服务间隔长得多的抽样时间段上的平均速率。这使得用户可在一个短的突发高带宽中传输数据，而不超过其约定数据速率，除非该高速率持续时间太长。这有利地允许用户达到高的数据速率并降低系统开销，如果用户一次只能发送少量数据则系统开销将增多，因为用户之间的切换频率增大了。

在本发明的一个首选方面中，每个用户还与系统运营者协商一个峰值数据速率或峰值信息速率(PIR)。实施峰值速率的目的主要在于防止用户阻碍其他用户的传输，尤其是妨碍处于低优先权中的用户。峰值速率可以多种方法控制，这可由系统运营者有利地选择，以确保满意的系统性能，并向用户提供商业上有吸引力的服务。例如，可通过封顶机制将用户的带宽限制到一个预定的，通常是固定的PIR，该封顶机制通常在用户通信进入网络的进入点应用。在这种情况下，用户的PIR可通过与系统运营者的协议固定，用户不可能以更高的速率发送和/或接收(取决于协议)。协定的上行和下行峰值速率原则上可不同。在一个首选实施方式中，参考如上所述的用户的约定信息速率(CIR)来主动控制用户传输的媒体访问控制(MAC)不需要考虑用户的峰值速率，这是MAC的封顶上行数据流。

在一个替换例子中，用户的PIR可由MAC控制。这增加了MAC要求的处理，但可有利地允许对PIR进行更灵活主动的控制。例如，用户的PIR可根据任何时刻用户对带宽的总需求而变化。在这种主动控制的系统的另一个实施方式中，如果一个抽样时间段内用户的平均速率超过其峰值速率，则他可能被阻止再进行传输，必须再发出新的带宽请求。

在本发明的一个特别首选方面中，用户被进一步分类为两个或多个优先权类。在每个优先权类中一个高的和一个低的优先权子类按上文所述的方式运行。但是，在提供带宽期间，最高优先权类中的所有用户优先于下一优先权类中的所有用户，依此类推。这提供了一种区分某种类型的通信信道与其他信道的优先权的机制。在一个首选实施方式中，语音信道可被放于最高优先权类中而数据信道在较低的优先权类中。这确保了不能忍受中断的语音信道在每个服务间隔中以最高优先权被分配带宽。

将被欣赏的是，限制最高优先权类中低优先权子类的用户的PIR有利地防止了该用户阻碍较低优先权类中的用户访问带宽。这可如上所述由自动的被动PIR封顶程序或由MAC控制的主动程序实现。

如上文所注，在此文档中每个用户对应于一个通信信道。但一个数据传输系统的订户可能希望同时传输多种类型的数据。例如，他们可能同时请求一个语音信道和一个数据信道。一个企业订户可能同时要求多个语音信道和多个数据信道。为适应这种要求，系统运营者可向订户销售一个包裹，其中包括多个用户的多个约定数据速率。这样，企业订户可购买50个语音信道(或用户)的约定数据速率和50个更大的适于数据信道(或用户)的约定数据速率

附图说明

现在将通过例子并参考附图说明本发明的实施方式，附图中；

图1是说明根据本发明的一个第一实施方式的方法的流程图；

图2是显示第一实施方式的子类结构的框图；

图3是根据第一实施方式或一个第二实施方式的系统控制器的框图；

图4是显示第二实施方式的类和子类结构的框图；以及

图5是说明第二实施方式的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的一个第一实施方式管理一个固定无线接入(FWA)系统中的带宽访问，在该系统中系统运营者从一个收发基站服务多个用户。每个用户可在FWA连接上发送和接收数据，并预先从系统运营者购买带宽。每个用户购买一个预定级别的服务，它具有一个约定数据速率和一个峰值数据速率。不同用户可有利地购买不同级别的服务。

本实施方式的FWA系统是一个成帧的ATM(异步传输模式)系统，并提供一个分割成一系统服务间隔的通信连接。每个服务间隔的长度与帧间隔有关。以下带宽提供程序在每个服务间隔中重复(步骤1)，如图1所示。

所有请求带宽的用户都包含在一个传输优先权类中的两个子类之一。如图2所示，优先权类20包含一个高优先权子类22，称为子类A，以及一个低优先权子类24，称为子类B。当用户希望传输数据时，他向位于基站的系统控制器发送一个连接请求。如果该请求被同意，则该用户被授予ATM系统上的一个虚拟信道，并被放置在子类A中(步骤2)用户队列的末尾，如果子类A中已经有其他用户的话。

然后在当前服务间隔子类A或B中的每个用户被分配一个传输带宽量用于在其信道进行传输(步骤3)，这对应于其当前请求传输的数据量。在本实施方式的ATM系统中，一个分配可以是多个ATM单元。在一个替换实施方式中，在每个服务间隔中分配给每个用户的带宽限于一个预定的最大值。在该实施方式中，这可是一个给定时间段中的最大ATM单元数。

然后用一个循环安排程序依次向在子类A中排队的用户提供对其分配带宽的访问(步骤4)，直到子类A中的所有用户已接收到其带宽或服务间隔中的可用带宽已用尽。如果在向子类A中的所有用户提供了带宽后，服务间隔中还有可用带宽，则再使用循环安排程序依次向在子类B中排队的用户提供其带宽，直到子类B中的所有用户已接收到其带宽或服务间隔中的可用带宽已用尽。

然后系统控制器用诸如漏桶监控技术或其他适当的方法测量一个预定抽样时间段中每个用户使用的平均带宽。抽样时间段宜远远长于服务间隔。例如，在本实施方式中，服务间隔可为约1ms，而抽样时间段为约50ms或100ms。在每个服务间隔中，系统控制器更新最近的抽样时间段上每个用户的平均带宽的测量值(步骤6)。

然后系统控制器将测量到的子类A中每个用户的平均带宽与其购买的约定速率进行比较(步骤7)，如果平均速率超过约定速率，则系统控制器将该用户移动到子类B中队列的末尾(步骤8)。

最后，系统控制器将子类B中每个用户的平均速率与该用户的约定速率进行比较(步骤11)，如果该用户的平均速率低于其约定速率，则将该用户移动到子类A中队列的末尾(步骤12)。

这完成了当前服务间隔的带宽提供程序，从而程序的控制在下一服务间隔中从步骤1开始重复。

在此第一实施方式中，每个用户被分配一个峰值信息速率(PIR)，该速率在用户带宽的控制递交给系统控制器之前，在网络入口点作为自动封顶应用。

系统运营者通常会限制向用户提供的PIR总量以确保系统不会或很少超载。

在本实施方式的一个系统控制器(MAC)主动控制用户的PIR的变体中，在图1B的步骤7和11之间实施以下步骤。系统控制器将子类B中每个用户的平均带宽与该用户购买的峰值速率进行比较。如果某用户的平均速率超过了其峰值速率，则系统控制器将该用户移出子类B，如果该用户请求继续访问带宽，则需要再次竞争带宽。

图3是一个实现第一实施方式的方法的系统控制器的框图。一个控制器处理器30控制在每个服务间隔中执行的事件的顺序，并连接到一个分配器32，该分配器在竞争处理器34将任何新用户添加到子类A中后，按照上文所述的方法将带宽分配给子类A和B中的用户。然后一个循环安排器36将用户请求的带宽首先提供给子类A中的用户，然后如果还有带宽则提供给子类B中的用户。最后，控制器处理器引发一个平均速率监控器38测量当前抽样时间段上的每个用户的平均数据速率，并将此信息输出给一个比较器40，该比较器将每个用户的平均速率与其约定速率以及峰值速率(如果适当的话)进行比较，并相应地在子群组之间移动用户。

实施方式的控制程序的效果包括以下几点。

如果许多用户同时请求带宽，则一个新的请求带宽的用户将加入子类A中的队列末尾，被分配数个传输单元，并将在循环安排中等待轮到他发送这些单元。根据子类A中队列的长度，这可能在第一服务间隔内或在以后的服务间隔内。

如果用户在多个服务间隔上请求一个需要量小的平均带宽的信道，使得信道带宽低于用户的约定速率，则用户将保持在子类A中并始终以高优先权被分配带宽。这种信道的一个例子是语音信道。

除提供连续或长期的低于用户约定速率的信道带宽外，本实施方式还有利地允许用户突发地传输数据，例如在某个服务间隔或甚至一系列几个服务间隔中发送大量数据，每个服务间隔中可能达到最大数据量。只要一个抽样时间段中用户的平均数据速率不超过其约定速率，则该用户可保持在子类A中并获取高优先权服务，即使在一个短于抽样时间段的时间段中用户的平均速率可能超过约定速率。这样，如果子类A中的一个用户请求发送大量数据，当安排器向他提供带宽时，他就将被分配那么多数据量以发送。在一个服务间隔中数据量可能甚至超过了带宽，在这种情况下用户可能保持在队列中以在随后的一个或多个服务间隔中接收余下的被请求的带宽。请求大量带宽的用户可以这种方式阻碍其他用户对带宽的访问，除非该用户超过其约定速率，则他将被移动到子类B中并失去其访问带宽的高优先权，直到其平均数据传输速率再降低到其约定速率之下。

在用户超过其约定速率后，他将被移动到子类B中，并将只能在子类A中所有用户已被提供带宽(可达到其自己的约定速率)后，以低优先权继续接收带宽。

如果子类B中的一个用户在一个抽样时间段中将其带宽使用降低到低于其约定速率的水平，则只要他保持在其约定速率之下，他就将被移回子群组A并享受访问带宽的高优先权。

这些步骤确定每个用户可获取访问其约定带宽的高优先权，也确保在带宽可用时用户可在不妨碍其他用户的情况下使用高于其约定速率、最高为其峰值速率的带宽；如果一个用户超过其约定速率，则他只能在所有其他用户已被服务达到其自己的约定速率之后才能发送数据。这样，当少数用户请求发送数据时，发送数据的用户可有利地实现高数据速率，而当系统繁忙时，系统控制者在允许任何用户超过其约定数据速率之前尽力为每个发送数据的用户提供其约定数据速率。

正如将被欣赏的那样，可能预料到这样一种情况：太多用户请求发送数据以致不可能满足所有他们的约定数据速率。这限制了系统运营者可向用户销售的约定数据速率的总量(限制用户数目或销售给每个用户的约定数据速率中的一个或两个)。运营者销售大于系统的总数据容量的约定数据速率总量通常是合理的，因为不太可能所有用户同时请求带宽。但是，当用户购买约定数据速率时，他将预期接收到该数据速率。因此可销售的带宽总量受到不能满足用户的危险的限制。

在上述实施方式中，每个用户的约定速率和峰值速率是固定的。但在本发明的一个替换实施方式中，这两个速率中的一个或两个可根据当前的系统利用水平而变化，且峰值速率可被完全忽略。例如，在峰值速率被系统控制器控制的情况中，当少数用户访问系统时，可有利地增加请求发送数据的用户的峰值速率。如果很少用户在访问系统，则甚至可以暂时忽略在访问系统的用户的峰值速率。这可确保活动用户能有效地使用可用带宽，不必在超过其正常峰值速率时竞争进一步的带宽。作为替换，如果子类B中的用户被分配的带宽在每个服务间隔中最高为一个预定的最大值，则可根本不要求峰值速率测量，因为分配最大带宽即可实现防止某用户阻碍子类B中的其他用户的访问的目的。

在本发明的一个也实现为一个成帧FWA系统的第二实施方式中，如图4所示提供了两个优先权类。两个类中的每一个，类1和类2，包含两个子类50，52。这称为优先权类1中的子类1A和1B以及优先权类2中的子类2A和2B。

第二实施方式的操作在图5的流程图中说明，其中与图1和5共同的步骤带有相同的参考数字，在这里不再详细说明。在每个类中，以与第一实施方式的单个类中相同的方式向用户提供带宽。但是，来自类1中的用户的传输优先于来自类2中的用户的传输。这样，本方法中的安排步骤，即图1中的步骤4和5，将如下实现。

首先，在图5中的步骤14，一个循环安排器向子类1A中的用户提供向其分配的带宽量，直到子类或服务间隔的总带宽中被用尽。在步骤15中，如果服务间隔中的带宽仍可用，则安排器将带宽提供给子类1B中的用户，仍然直到子类或服务间隔的总带宽已用尽。在随后的步骤16和17中，安排器向子类2A然后向子类2B中的用户提供带宽，并在达到服务间隔的总带宽时随时停止提供带宽。正如第一实施方式那样，在下一个服务间隔中重复严格的优先权安排之前，执行测量每个用户的平均数据速率和在比较每个用户的平均和约定数据速率之后适当地在子类之间移动用户的步骤。

正如在第一实施方式中那样，峰值数据速率被用于封顶用户的带宽访问。如上文所说明的，封顶可被动地应用，系统控制器的上行流，或由系统控制器主动控制。

第二实施方式的系统控制器与图3所示的第一实施方式的相同，只不过安排器的功能如上文联系图5所述。

在第二实施方式中，两个优先权类为系统操作增添了灵活性，这可由系统运营者根据需要利用。但在一个首选实施方式中，语音信道可被分配为优先权类1而数据信道为优先权类2。语音信道通常具有相对低的带宽但必须被分配予高优先权，因为它们需要在相当长的时间段中连续开放。处理类1中的语音信道确保它们始终被给予高于数据信道的优先权，其中数据信道通常对于传输中的延时或中断不那么敏感。

当按优先权的顺序向四个子类中的用户提供带宽时，容易想象到这样一种情况：低优先权子类中的用户为访问带宽必须等待一段长度不可接受的时间，或者甚至被高优先权用户阻止获取带宽。但在实际中，这由运营者只向高优先权类中的用户销售有限的约定和峰值数据速率而有利地避免。例如，运营者可只允许每个用户购买允许在类1中传输一个语音信道的一个约定速率或甚至一个峰值速率，但可购买类2中的更大的约定或峰值速率。则在一个典型的服务间隔中，子类1A可包含50个请求语音信道的用户，它们在任何用于其他目的的带宽被提供之前以高优先权被提供。这确保了每个语音信道的连续。在已提供了语音信道之后，例如根据上述优先权系统，服务间隔中余下的带宽被提供给请求传输数据的用户。

Claims (14)

1.一种用于向一个多用户通信系统中的用户提供带宽的方法，其中每个用户具有一个预定的约定数据速率，并且其中带宽在连续的服务间隔中被提供给用户，每个服务间隔包括一个预定数量的用于用户传输的带宽，该方法在每个服务间隔中包括下列步骤；

根据一个安排程序依次向每个用户提供该用户请求的带宽，其中带宽在提供给一个低优先权子类中的用户之前先提供给一个高优先权子类中的用户，当服务间隔中的带宽已用尽或所有请求的带宽已被提供给用户时停止提供带宽；

测量一个抽样时间段中每个用户达到的平均传输数据速率，所述抽样时间段长于服务间隔；

如果一个高优先权子类中的用户的平均数据速率超过其约定数据速率，则将该用户移动到低优先权子类；

如果一个低优先权子类中的用户的平均数据速率低于其约定数据速率，则将该用户移动到高优先权子类；以及

将新的请求带宽的用户分配到高优先权子类。

2.根据权利要求1的方法，其中每个用户具有一个预定的峰值数据速率。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述抽样时间段远远长于服务间隔。

4.根据权利要求3的方法，其中所述抽样时间段是服务间隔的10倍长以上。

5.根据权利要求1的方法，其中约定数据速率以及当被实施时的峰值数据速率是通过与一个系统运营者协议预定的。

6.根据权利要求1的方法，其中用户被分类为不止一个优先权类，每个类包含两个优先权子类，并且在每个服务间隔根据一个安排程序向用户提供带宽的步骤包括，在向每个低优先权类中的用户提供带宽之前先向一个高优先权类中的用户提供带宽的步骤。

7.根据权利要求6的方法，其中传输语音数据的用户被放置在一个高于传输其他类型数据的用户的优先权类中。

8.根据权利要求1的方法，其中通信系统是一个异步传输模式(ATM)系统，并且每个用户包含一个虚拟ATM线路。

9.根据权利要求1的方法，其中通信系统的一个订户代表多个用户，每一个用户具有一个约定数据速率。

10.一种用于向一个多用户通信系统中的用户提供带宽的方法，其中每个用户具有一个预定的约定数据速率，并且其中带宽在连续的服务间隔中被提供给用户，每个服务间隔包括一个预定数量的用于用户传输的带宽，并且其中每个用户被分类为两个或多个分级的优先权类中的一个，该方法包括每个服务间隔中的下列步骤，从最高优先权类到最低优先权类依次用于每个优先权类；

根据一个安排程序依次向每个用户提供每个用户请求的带宽，其中带宽在提供给一个低优先权子类中的用户之前先提供给一个高优先权子类中的用户，当服务间隔中的带宽已用尽时停止提供带宽；

测量一个抽样时间段中每个用户达到的平均传输数据速率，所述抽样时间段长于服务间隔；

如果一个高优先权子类中的用户的平均数据速率超过其约定数据速率，则将该用户移动到低优先权子类；

如果一个低优先权子类中的用户的平均数据速率低于其约定数据速率，则将该用户移动到高优先权子类；以及

将新的请求带宽的用户分配到高优先权子类。

11.一个用于在一个多用户通信系统中分配带宽的控制器，其中每个用户具有一个预定的约定数据速率，并且其中带宽在连续的服务间隔中被提供给用户，每个服务间隔包括一个预定数量的用于用户传输的带宽，该控制器包括；

一个用于存储每个用户的约定数据速率的存储器；

一个用于根据一个安排程序依次将每个用户请求的带宽提供给每个用户的安排器，其中带宽在提供给一个低优先权子类中的用户之前先提供给一个高优先权子类中的用户，当服务间隔中的带宽已用尽或所有请求的带宽已被提供给用户时停止提供带宽；

一个连接到安排器以接收关于提供给用户的带宽的信息的数据速率监控器，用于测量一个抽样时间段中每个用户达到的平均传输数据速率，该抽样时间段长于所述服务间隔；

一个连接到数据速率监控器和存储器的比较器，用于比较用户的平均和约定数据速率，并且，如果一个高优先权子类中的用户的平均数据速率超过其约定数据速率，则将该用户移动到低优先权子类，如果一个低优先权子类中的用户的平均数据速率低于其约定数据速率，则将该用户移动到高优先权子类；以及

一个连接到安排器的竞争处理器，用于将新的请求带宽的用户分配到高优先权子类。

12.根据权利要求11的控制器，包括一个连接到竞争处理器的分类器，用于将用户分类到不止一个优先权类中，每个类包含两个优先权子类，并且其中安排器、数据速率监控器和比较器独立地处理每个类中的用户，带宽在提供给每个低优先权类中的用户之前先提供给一个高优先权类中的用户。

13.根据权利要求12的控制器，其中分类器将传输语音数据的用户分类到一个高于传输其他类型数据的用户的优先权类中。

14.根据权利要求11至13中任意一个的控制器，其中通信系统是一个异步传输模式(ATM)系统，并且每个用户包含一个虚拟ATM线路。

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