专利名称：自适应信道接入尝试的方法
技术领域：
本发明涉及通信系统，尤其涉及但不局限于在数据通信系统中具有可用性的自适应信道接入的方法。
多址通信系统是利用多个通信终端提供对有限通信资源(如信道)的接入，多个通信终端用于交换基础结构设施或网络与终端之间的通信消息的目的，通信消息分别称为包、数据包、消息等。称作多址联接协议的这种接入方法被选择来满足某些适当的性能限制的规定。典型的性能限制包括通信资源使用的效率、通信消息的延时及其它相似的因素。
多址联接协议一般被视为属于争用和非争用二种形式之一。非争用协议被设计使要发送数据包的终端被允许使用专门的通信资源或信道。此类协议的一个实例是时分多址(TDMA)，其中的通信资源或信道被分成多个时间帧，再被细分成多个时隙，且每一终端都被分配给在每个时间帧中的一个或多个专用时隙。
对于那些不常发出或产生信息的终端而言，此类型协议是无效率的，因为指定的时隙在多数的时间是空闲或不被任何终端所用。能够由此类协议所容纳的实际终端数目还受到在等待一个分配的时隙的同时出现的延迟的限制。这种等待通常正比于已经分配了时隙的终端数而增加。
争用协议特征在于，多个终端积极地彼此竞争或争用以接入通信资源或信道。分时隙的阿乐哈(ALOHA)协议是这类协议的一个例子。在分时隙的ALOHA中，通信资源或信道被分成多个时隙。想要发送数据包的终端可在第一随后时隙内发送，不考虑在该时隙的边界之外发送。如果没有别的终端也在该同一时隙内发送，则该数据包的发送被认为是成功的。注意，其它因素如通信信道的噪声可最终导致信息的失败，但是这些其它因素与接入协议无关。然而，如果有一个或更多的其它终端的确在同一时隙内发送数据包，那么，忽略捕获类似的效应，这全部的发送都将会由于碰撞而告失败。所以，争用协议通常对于轻负载系统工作良好，但随着负载增加，由于其碰撞的可能性也增加，使其性能受影响。而且，比该时隙持续期长的通信消息必须在多个时隙内发送，而在每个使用的时隙内要碰撞。
还公知一种争用协议的子集，即保留协议。保留协议试图组合争用和非争用协议的一些方面，以提供改进的性能用于更广泛多样的通信系统的条件，典型的保留协议把通信资源或信道分成一系列固定长度的时间帧，进一步分成一系列时隙。这些时隙包括两种类型，保留时隙和数据时隙，在每个时间帧中，每一个都是有变化的数目。保留时隙常常要比数据时隙小得多，且通常在每个时间帧的开始处成组在一起。
希望接入到通信资源或信道的一个终端争用或在纯ALOHA中，在保留时隙之一中随机地发送，以实现保留相关数据时隙的目的。如果信单元成功地避免了碰撞或成功地争用，即在给定的保留时隙中该唯一单元发送保留请求，则它被允许单独接入到稍后出现在该时间帧的一个指定的或相关的数据时隙。虽然保留协议改进了效率，使通信资源或信道可被多个争用终端利用，尤其是当保留请求远远短于平均信息长度时，这种方案存在一些缺陷。
希望接入信道的通信单元或终端必须首先等待保留时隙。如果当前无消息发送，则这表示在随机接入方式一个延时，而若已允许该终端立即发送的话就不会出现这种延时。在经过随机接入而使终端成功接入该保留时隙的时间与它接收到它的保留确认的时间之间，还会遇到进一步的延时。
此外，即使利用保留协议，在某些条件下，全部终端仍必须对上行链路或入境信道争用。为进一步改进这方面的情况，已提出并采用了多种争用管理算法。尤其是载波检测多址接入(CSMA)是一种争用管理方案，其中寻求接入信道的终端必须首先确认信道是空闲的，即在请求接入之前是非占用的。在多个终端不知道即无法监视它们正在争用的信道，例如许多无线通信系统的条件下，经常采用数字检测多址接入(DSMA)。在此方案中，基础设施监视争用信道，并把对应于信道状态的信息，如占用或空闲的信息在下行线路上或出境信道上发送到终端。应注意，为使这些协议行之有效，将涉及接入请求是成功或是失败的信号反馈到终端的某些方法是必要的。
关于接入协议的另一已知方案是一种争用管理机构，它包括具有以固定上限正常分布的随机时间延时。在多个终端实际上确实争用信道的条件下，这种随机延时在一个接入尝试之前就开始了。在一给定的通信系统中，关于随机时间延时这一上限对于所有的终端是一个预计的常数。进行争用的终端寻找信道空闲指示，并在一个随机时间之后发送数据包或接入请求数据包，或交替地查看信道占用指示，并在再次寻找之前等待一个随机时间。换句话说，在进行发送之前该终端等待一个随机时间，而且这就减小了与自其它终端的发送发生碰撞的可能性。
尽管在某种条件下，随机延时是个有效的争用管理机制或处理，但是当信道是在重负载或轻负载以及在各种其它环境下，例如在现有技术系统中所遇到的负载变异或管理的条件下，它将失败。如果遇到了这样的情况，其结果就不容乐观，或频道的无效率使用或在发送之间的长延时时间。例如，假若在一指定系统中的终端数目下降，争用一个信道的终端可能要等待不必要的长时间才能发送。由于终端数目已下降，发送碰撞的可能性也已下降。然而，终端将继续等待由固定指示常数所指示的随机时间并因之不能有效地利用信道资源。另一方面，如若用户数目显著地大时，当这些终端争用信道接入时，将更加频繁出现传输碰撞。除非这些终端所用的概率值是这样的，使得通过选择不同的概率值不可避免碰撞，该系统不是工作在最有效率的水平。
据此，现在需要一种能实现通信资源有效利用的自适应信道接入技术。
本发明的确信是新颖的特征将在所附的权利要求书中具体说明。然而，参考以下附图和下文的描述可更好地理解本发明及其优点。
图1示出适于采用根据本发明实施例的无线数据通信系统的方框图。
图2示出适于用在根据本发明的优选方法实施例中的消息的示意图。
图3示出根据本发明采用的信道接入优选方法的流程图。
图4示出适用于图3的优选方法的查询表。
总的来说，本发明涉及在通信系统中的信道捕获或自适应接入尝试的方法，或更具体地涉及在数据通信系统中自适应地便于信道捕获的方法。通常，数据通信系统包括基础结构，如基站和网络控制器及类似的装置，它们被安置和构成，以与多个终端通信，例如在一个信道上具有无线连接性，最好是在无线电波信道但也可用有线信道，如同轴电缆之类连接的无线调制解调器、便携或移动数据终端或计算机。可采用信道接入的优选方法的实施例是在一个终端处实践的，并包括对接入优先值进行确定、认定、当有可用信道时响应该接入优先值并随之执行信道接入尝试。
接入优先值可根据例如从基础结构设施接收的接入信息获得，例如与下列相对应的信息寄存用于服务的终端数目，信道加载因数，系统管理参数，如信道优先级或其改变情况之类的信息，或是以单独出现或是以组合出现。该接入优先值还可以是单独对终端可用的信息的函数，例如信道接入尝试数目、终端优先级、在信道优先级之类中的改变。最终及最好是该接入优先值用于选择关于一个随机定时器的上界，在终端试图认定该信道是否占用之前该计时器必须计时结束，一旦作出这样的决定之后，即表示无信道可用。在认定何时信道可用之后，虽然如上所述那样随后采用自适应接入优先值的过程，但本方法以执行信道接入尝试而终结，这种尝试基于相当众所周知的技术和过程，例如分时隙的DSMA等。
类似和可替代的方法实施例以相似的设置操作并由基础结构设施实践。利用终端便于自适应信道接入的方法包括确定系统优先级，并发送提供对应于系统优先级的接入信息的消息。这种接入信息例如包括或对应下列内容信道状态、登记用于服务的终端数目、信道加载因数、及系统管理参数，如信道优先级或其改变。应注意，根据系统的具体情况及实验确定可将任何信息组合地使用以获得合适的接入延时或接入的概率。
本发明可参考给出数据通信系统100的图1作详尽描述。该数据通信系统100包括消息源115，例如是公用交换电话或数据网络，被示出与基本设施101相耦合。基础结构设施101的最佳形式包括与天线111耦合的收发信机或基站，并操作以经信道109，(例如一个无线电信道)接收和发送无线电信号。由天线113接收或由其发送的无线电信号耦合到数据终端103或终端。除去经过信道109而与基础结构设施101建立并保持链路之外，数据终端103操作以接收和变换无线电信号为数据信息，反之亦然。
请注意，虽然图1只绘出了信道、数据终端和基础结构设施天线或基站都是一个，但实际系统可以是多个。通常，数据通信系统100是以非常透明(对终端用户)的方式把具体的消息送到具体终端，或从终端接收消息。虽然图1示出优选的无线或无线电数据通信系统，但本发明可等效地用于有线数据通信系统。此外，本发明具有数据通信系统的可应用性，与所用数据终端的具体形式无关。
参考图2，图中示出了适用于最佳实施例的消息表示，画出了消息200。在该优选实施例中，特别是从摩托罗拉公司可得到的一个无线数据链路接入过程系统(RD-LAP)，消息200类似于在RD-LAP中的SYNC(同步)消息，还包括各种其它系统参数。消息200时常被广播，例如在每一帧的开始广播，但当基础结构设施无其它信息发送到一个或更多的终端时，也能以相似的或不同的形式在下行链路或基础设施广播到终端，而不是由上行链路或终端广播到信道的基础结构设施部分。全部终端都收到该消息，且其内容使每个终端作出各种配置决定，以便于在系统上进一步操作。其它系统参数包括各种信息，如根据特定系统而采用的文本号，由于属广为公知而在本申请中不再赘述。
但除了其它数据之外，该消息还包括一个信道状态比特213，表示占用空闲的比特，最好包括在下行链路信道上的全部或几乎全部消息中；还包括一个系统优先级215。终端利用该占用空闲比特确定信道当前是占用还是空闲，下面还要讨论。系统优先级还包括接入信息，与下列情况相对应在系统201上登记的终端数目；系统指定的接入优先值或优先接入级203；信道加载因数205；系统管理参数207；信道优先级209；信道接入级211等等，随着环境的不同单独出现或是组合地出现。
已寄存的终端数在导出优先接入值过程中是有用的，因为随着终端103数目增加，在信道接入尝试期间碰撞的概率也增加。因此，在终端处的优先接入值可随着由寄存的终端信息201的数目反映的终端103的数目增加而被减小。另一种可替代的方案是，系统被设想得可使这个信息字段201包括涉及登记的终端数目信息矢量。这矢量可以是一系列概率或优先值，而这些值则对应于当前登记的、具有给定优先级的终端数目。习惯上，希望发送急救消息的公共安全用户将选择在提供信道接入最大概率或保障接入信道矢量当中的值，而低优先终端被限制在较低优先值。
优先接入级203是由基础结构设施101指定的并由该基础结构设施经信道的下行链路部分发送到或广播到终端。该优先接入级203或其相关部分由终端103简单地接收作为优先接入值。这一级别可被期望以反比于终端103的数目的方式改变。在某些环境下的该优先接入级203可以是优先值的一个矢量，该优先值对应于导出优先级数的系统，终端的用户可响应信息的紧急性或用户的意愿作选择，以支付更高或更低的服务等级的费用，尽管有可能涉及到不同使用费用，在此情况中，用户不考虑其特定终端的优先级的限制或除去受其特定终端优先级的限制之外，使用者能将一个具有使用者所确定的紧急性和重要性的信息传递。
信道负载因数205是指示有多少无线业务量在用于数据通信系统100的信道上传送。信道负载因数与系统201上的登记终端数目的不同点在于，可能有几个终端登记在数据通信系统上，但这些终端的大多数并不试图接入该信道。
系统管理参数207是一个或多个比特，基础结构设施可选择来设置指示在各种系统环境条件中在该期间终端预计将有不同的行为。这些参数指示的事件如系统的占用时间周期，在该周期期间终端预计要改变其各自的优先接入值，或新的或不同的信道变成启动，因而冒有大量登记或接入尝试的风险。这种参数的其它例子包括被设置为负载屏蔽算法的结果，这种算法针对大量终端到新的信道及针对该信道的接入尝试结果过量负载，或它可指示系统范围的紧急条件，例如在某些系统上的国家紧急事件中所遇到的情况，这些系统希望给某些用户提供以增强的或减少的机会或接入概率。
基础结构设施101还可发送信道接入等级311，以便设置系统的一个门限或在专用的信道109上设置几个门限。该值使得基础结构设施设置终端优先级的最小值，即被允许接入信道而不考虑其它环境情况。该基础结构设施因此能直接以这个指示对较高优先级使用者排队，例如公共安全，较低优先级终端前的终端，如比萨饼传递。
信道优先级309是一个值，由终端103用来确定一个优先接入值。在下面详细讨论的优选方法中，信道优先级是两个比特一个值，是由基本设施发送作为在消息300中的接入信息的一部分。
参考图3，图中示出自适应信道接入优选方法实施例的流程图。假设在采用图3的方法之前，任何控制信道接入的硬性规定，例如具有等于比信道接入等级大的终端优先级已满足。涉及任何机制的信道接入和信道获取使终端103被基本设施101识别为系统的有效用户，并使终端利用信道109用于发送数据信息。一般而言，图3的过程适于根据公知技术在任何通用目的控制器中实施，执行合适的操作软件，该软件适于提供在有接收机等的终端或数据终端中提供那种类型的功能。这种终端的一个例子是摩托罗拉公司的InfoTACTM数据终端，根据摩托罗拉MC68300串行处理器结合MC56000数字信号处理器使用一个控制器。
为使终端103接入信道109，终端103采用了图3所示的适于信道接入的优选方法。终端103实现优选方法，在步骤301开始接收消息以提供接入信息，它包括结合图2消息所讨论的一个或多个值。然后，在步骤303，确定一个接入优先值。随后，在步骤305，响应接入优先值认定何时或是否可获得信道109。如果“是”，则在步骤307执行信号道接入尝试，如若“成功”，如在步骤309所确定的，结束其过程，而若“不成功”，则方法再从步骤301开始。可有几种方法用于确定或导出该优先接入值，包括计算、利用查询表或二者的组合。
从总体来看，步骤303是一种组合方案，并以在查询表处选择其内容开始，随后根据各种其它因素修正这些内容，例如对于该终端只知道一些内容，而其它的内容已在步骤301的消息中收到。步骤311选择如图4表400那样的查询表中的一列，该列，例如列401对应于优先级，如图所示，实践本方法的终端的优先级1以“0”表示最低而以“3”表示最高。步骤315相似地选择表400的一行，即行403具有优先级2，仍是以最低优先级“0”到最高优先级“3”，它对应于信道优先级。
在优选实施例中，查询表有两个可能的内容，具体讲，“Hi”(高)等于500(ms)和“Low”(低)等于1000(ms)。步骤315从表400选择在列401和行403交点处的值，在此是“低”或1000ms，随后根据分别列在步骤或方框317和319中的因数哪个是真实，而通过将值增加25％或减小25％对该值进行修正。例如，假定1000ms值的增量或减量是250ms，而500ms的高优先值的幅度修正是125ms。从步骤317产生一个增量的因数包括是否从图2的消息设置了一个比特，指示登记在该信道上的终端数是高于正常，或是否指示信道负载是异常地高或是否信道优先级新近被改变的该比特被设置。
从实践中已经观察到，当目前系统配置参数例如1000个终端被超出时，就应设置终端比特数目。其精确值将取决于业务量或产生具体终端数量分布的信息以及系统操作者所希望的业务水平。尽管信道装载是当前实际负载的一个指示，但通常登记的终端的数量是潜在系统负载的指示。当观察到装载高于最大信道通过量的80％时，就应设置表明信道负载的比特。如在本专业中所公知的那样，这实际是与平均消息延滞开始显著增加之时刻同步的。
如图中步骤319所示，导致表值下降的因素包括确定这一信道接入尝试是否跟随在前面的不成功的信道接入尝试之后，并确定用户选择了怎样的业务等级。如对本专业人员是显而易见的那样，优选实施例之方法相当简单且直截了当，并可以多种方式予以修改，例如对于步骤317和319的参数，多于一个二进制指示，或查询表400的内容的修正。很多值有必要凭实验并依据在给定一组环境中的各种系统性能的相对重要性而加以确定。
在任何情况下，从步骤315得到的结果值最好是接入优先值并将被用在步骤321中来设置一个随机定时器的范围或最大值，该值在“0”ms到其最大值之间是均匀分布的。随后，在步骤325，响应这一接入优先值，借助步骤323的初始的信道占用测试，认定何时有可用信道。这种测试是通过检验信道状态，或占用/空闲比特215实现的。如果信道是占用的，则步骤325将引入随机延时或等待对应于移入优先值或特别是来自步骤321的随机定时器的范围的一个时间。
在这一随机时间经过之后，本方法再度在步骤323检验信道的占用。最终信道将是空闲或是占用的，并在步骤307执行信道接入尝试，随后或是结束此方法或如上述那样重复此方法。总的来说，实践此方法的较高优先级终端将比较低的优先级终端有较高的成功接入信道的可能性，这是由于较高优先级终端要更经常地确定信道是否占用，并因此更可能发现它空闲。
这种随机的延迟将随后重新分布多个争用终端的接入成为新的状态。这样就降低了碰接的可能性并防止终端接入到处在闭锁步骤中的信道。具有自适应延迟或随机补偿的此种方案比迄今使用的方法有许多优点，当与禁止低于某一优先级的终端的硬性规定相比，本方案包括更为连续的方式管理争用。此外，与用户被完全拒绝服务的硬性规定相比，用户对于相对地连续降低其相应的服务优先级似乎更可接受。
本专业技术人员很清楚，本发明提供了一个自适应的信道接入的示例的方法，它响应许多系统负载的变化，使得先前使用的争用管理算法从效率观点及用户满意观点看属于次优化。本发明可以多种方式修改并可有不同于具体地提出和上述讲述的最佳形式的多种实施例。因而所附的权利要求是要包括在本发明精神和范围内的本发明的所有的修改。
权利要求
1.一种用以在一个数据通信系统中，在一个终端实施的自适应信道接入的方法，该系统包括基础结构设施经过信道与多个终端通信，其特征在于，包括以下步骤确定接入优先值；响应该接入优先值认定何时信道是可用；响应认定步骤，执行信道接入尝试。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述的确定接入优先值的步骤还包括以下步骤接收一个消息，以提供接入信息，及响应该接入信息导出所述的接入优先值。
3.如权利要求2的方法，其特征在于，所述的接收信息步骤还提供相应登记服务的终端数目的所述的接入信息的步骤。
4.如权利要求2的方法，其特征在于，所述的接收信息步骤还提供相应信道负载因数的所述的接入信息的步骤。
5.如权利要求2的方法，其特征在于，所述的接收消息步骤还提供相应于系统管理参数的所述的接入信息的步骤，该系统管理参数对应于一个信道的优先级。
6.如权利要求1的方法，其特征在于，所述的确是接入优先值的步骤还包括根据多个信道接入尝试之一和一个终端优先级提取所述的接入优先值的步骤。
7.如权利要求1的方法，其特征在于，所述的确定接入优先值的步骤还包括根据信道优先级的变化导出所述的接入优先值的步骤。
8，如权利要求1的方法，其特征在于，所述的确定接入优先值的步骤还包括根据用户选择的优先接入级导出所述的接入优先值的步骤。
9.如权利要求1的方法，其特征在于，所述的认定步骤还包括接收对应于信道可用性的一个指示的步骤。
10.如权利要求1的方法，其特征在于，所述的认定何时所述的信道是可用的步骤还包括检查看所述的信道是否为占用的步骤；如果“是”，则等待对应于所述的接入优先值的一个随机时间；然后再检查所述的信道是否忙。
全文摘要
在数据通信系统(100)中，该系统(100)包括基础结构设施(101)，经过信道(109)与多个终端(103)通信，一种用以在终端(103)处采用自适应信道接入的方法包括确定接入优先值(303)、响应该优先值认定何时信道可用(305)、并随之执行信道接入尝试(307)。该接入优先值是由终端接收的信息或终端可得到的信息确定的。
文档编号H04L12/28GK1142734SQ9610858
公开日1997年2月12日 申请日期1996年6月26日 优先权日1995年6月27日
发明者卡尔·A·雷尔顿 申请人:摩托罗拉公司