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CN102577569A - 使用允许令牌债务的令牌桶的无线通信的速率修整 - Google Patents

使用允许令牌债务的令牌桶的无线通信的速率修整 Download PDF

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CN102577569A
CN102577569A CN2010800431981A CN201080043198A CN102577569A CN 102577569 A CN102577569 A CN 102577569A CN 2010800431981 A CN2010800431981 A CN 2010800431981A CN 201080043198 A CN201080043198 A CN 201080043198A CN 102577569 A CN102577569 A CN 102577569A
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CN
China
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tbc
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queue
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tokens
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CN2010800431981A
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M·伊萨克森
M·胡尔德
H·韦曼
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Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Original Assignee
Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
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Abstract

无线通信网络的速率修整功能(20)中的经修改令牌桶算法(100)允许借用令牌、创建令牌债务或者具有负令牌桶计数器(TBC)值的令牌桶的可能性。在这个经修改算法中，只要TBC为正的(108)，进入的分组就被一起传递(112)，即使分组必须“借用”一些令牌时也是如此，从而将TBC驱动为负的。使随后进入的分组推迟(110)至TBC达到正值(108)。在一个实施例中，经修改令牌桶算法(100)不是应用于单独的速率修整器，而是应用于与调度器(24)结合对单个队列(22)进行操作的队列大小限制器(26)。发明调度器(24)和队列大小限制器(26)传递更少、更大分组用于传输，从而允许传输帧内的更有效封装(降低或消除所需填充)，并且允许其它业务被调度，因而增加系统吞吐量。

Description

使用允许令牌债务的令牌桶的无线通信的速率修整
技术领域
本申请要求2009年9月25日提交的标题为“Rate Shaping forWireless Communication Using Token Bucket That Allows Token Debt”的美国临时申请序号61/245933以及2010年6月22日提交的标题为“RateShaping for Wireless Communication Using Token Bucket That AllowsToken Debt”的美国申请序号12/820557的优先权益，通过引用将其公开完整地结合到本文中。
一般来说，本发明涉及无线通信网络，并且具体来说，涉及使用经修改令牌桶算法进行速率修整，其中允许令牌桶计数器值转为负的，从而形成令牌债务。
背景技术
无线通信系统是许多领域中的现代生活的普遍存在部分。开发了多种不同的无线通信协议。例如，长期演进(LTE)是对支持高数据速率、低等待时间、低实现和操作成本以及到遗留无线通信网络的无缝连接的通用移动电信系统(UMTS)的一组增强。
作为另一个示例，高速分组接入(HSPA)是宽带CDMA(WCDMA)协议的扩展。HSPA在共享信道上在送往特定用户的分组中传送通信数据。HSPA包含短传输时间间隔(TTI)、链路自适应、快速调度、快速重传和软组合以及高级调制作为特征，从而产生增加的数据速率、低等待时间和增加的系统容量。
在LTE和HSPA以及其它无线通信协议中，调度、划分和链路自适应是归入带宽管理的广义类的网络管理任务。需要高级带宽管理技术来使系统容量为最大、保持服务质量(QoS)量度并且使数据速率为最大，因此向各用户提供最佳用户体验。
带宽管理的一个方面称作速率修整，这控制数据到网络中或者通过网络的速度或流动。已知速率修整算法是所谓的令牌桶算法，在3GPP技术标准23.107的附录B“Quality of Service(QoS)concept andarchitecture”中描述，附于此并且通过引用将其完整地结合到本文中。参照图1来描述令牌桶算法。简言之，该算法安置以与例如可由业务合同或其它系统规范来定义的数据速率对应的恒定令牌速率r填充有令牌的假设桶。桶中的令牌数量由例如令牌桶计数器(TBC)来表示。桶具有例如与有界突发大小对应的最大容量b。提供给速率修整器以便在无线网络中传输的分组被认为是符合的，以及如果桶中存在至少与分组大小(例如单位为字节)同样多的的令牌，则所述分组被一起传递用于跨越空中接口的传输。如果不是的话，则将分组延迟到桶填充有足够令牌。因此，如果在任意时间周期T中发送的数据没有超过b+rT，则数据是符合的。所得传输数据速率R平均起来是令牌速率r。
图2示出令牌桶算法的操作。一开始，假定桶是满的，其中TBC＝b。长度l1的第一分组是符合的(桶中有足够的令牌)，并且将它传递到无线网络用于传输。在下一个间隔ΔT＝t2-t1以恒定速率填充该桶，直到长度l2的第二分组到达。第二分组也是符合的(它小于桶中的令牌数量或者l2＜TBC)，并且该分组由速率修整器来传递。当桶刚好包含足够的令牌也传递长度l3的第三分组时-使桶完全或接近耗尽(TBC处于0或接近0)，长度l3的第三分组到达。在桶充分地再补充有令牌之前，长度l4的第四分组在时间t4到达。第四分组由速率修整器延迟到TBC＞＝l4，在图2中示为“分组延迟”。
在一个或多个队列中收集经过速率修整器的分组，直到它们被调度用于通过随后链路进行传输。在现有技术解决方案中，调度算法基于这些队列中的可用性、即已经经过速率修整器的分组来选择分组。此外，存在如下系统：其中调度器不仅能够决定传递整个分组，而且还能够在传输之前划分(和连接)分组。
图3A示出速率修整功能10，其中包括输入缓冲器12、速率修整器14、调度缓冲器16和调度器18。图3B示出用于在无线网络中的传输的分组的代表性调度。包括任何划分和连接的调度限制到调度缓冲器16中的分组-即，经过了速率修整器14的那些分组。严格的速率修整器14限制引起频繁而小的数据传输。由于能够调度的帧大小的粒度，填充可能发生，这降低网络吞吐量。因此，频繁的小数据分组的调度在无线通信系统中不是最佳的。
发明内容
按照本文所述并且要求保护的一个或多个实施例，经修改令牌桶算法允许“借用”令牌，创建令牌债务或者具有负TBC值的令牌桶的可能性。在这个经修改令牌桶算法中，只要TBC为正的，进入的分组就被一起传递，即使分组必须“借用”一些令牌时也是如此，从而将TBC驱动为负的。使随后进入的分组推迟至TBC达到正值。在一个实施例中，经修改令牌桶算法不是应用于单独的速率修整器，而是应用于与调度器结合对一个或多个业务队列进行操作的队列大小限制器。发明调度器和队列大小限制器传递更少、更大分组用于传输，从而允许传输帧内的更有效封装(降低或消除所需填充)，并且允许其它业务被调度，因而增加系统吞吐量。
一个实施例涉及一种控制无线通信网络中的业务流的方法。将一个或多个数据分组接收到业务队列中用于传输。业务队列由队列大小限制器使用经修改令牌桶速率修整算法来监测。经修改算法包括保持表示桶中的令牌数量的令牌桶计数器(TBC)；将TBC减少被调度用于传输的各分组的大小；以及以恒定令牌速率来增加TBC。如果TBC为正的，则队列大小限制器向调度器报告业务队列中的一个或多个分组的大小。如果TBC为负的，则队列大小限制器向调度器报告业务队列为空。调度器调度所报告的分组用于传输。
另一个实施例涉及在无线通信网络中可操作的发射器中的速率修整功能。速率修整功能包括可操作以接收和存储将要跨越空中接口传送的数据分组的业务队列。速率修整功能还包括可操作以监测队列并且控制数据分组从队列到调度器的流动的队列大小限制器，队列大小限制器使用经修改令牌桶速率修整算法。经修改算法包括保持表示桶中的令牌数量的令牌桶计数器(TBC)；将TBC减少被调度用于传输的各分组的大小；以及以恒定令牌速率来增加TBC。如果TBC为正的，则队列大小限制器向调度器报告业务队列中的一个或多个分组的大小。如果TBC为负的，则队列大小限制器向调度器报告业务队列为空。速率修整功能还包括调度器，调度器可操作以响应队列大小限制器而调度来自业务队列的数据分组用于跨越空中接口的传输。
附图说明
图1是速率修整器的常规令牌桶算法的功能框图。
图2是示出速率修整器中的常规令牌桶算法的操作的图形。
图3A是由速率修整器和调度器所控制的队列的功能框图。
图3B是由图3A的速率修整器和调度器所控制的无线网络中的业务的图形。
图4是示出速率修整器中具有令牌债务的经修改令牌桶算法的操作的图形。
图5A是由队列大小限制器和调度器所控制的队列的功能框图。
图5B是由图5A的队列大小限制器和调度器所控制的无线网络中的业务的图形。
图6是对于常规令牌桶算法和经修改令牌桶算法、在网络协议层之间传递的分组和开销的简图。
图7是比较速率修整器中常规令牌桶算法和经修改令牌桶算法的操作的图形。
图8是一种使用具有令牌债务的经修改令牌桶算法的下行链路速率修整的方法的流程图。
具体实施方式
往往采用常规令牌桶算法来实现无线通信网络中的速率修整器。如上所述，这个算法的基础在于，以恒定速率注入表示容许数据量(datavolume)的假设令牌。在假设桶中积聚这些令牌，并且令牌的最大容许数量由桶大小来定义。令牌由经过速率修整器用于传输的数据分组来消耗，这仅当桶中存在至少与分组大小同样多的令牌时才发生。
按照本发明的实施例，使用经修改令牌桶算法来实现速率修整，其中引入借用令牌的概念。在经修改令牌桶算法中，允许分组创建令牌债务，从而产生负令牌桶计数器(TBC)值。在创建这种令牌债务之后，速率修整器将不传递任何其它分组，直到TBC恢复正值。因此，该借用将在允许下一个传输之前创建延迟。TBC的下限为-c，使得TBC处于范围[-c，b]之内。在一些实施例中，TBC还可由可用无线电信道来限制。
在一个示范实施例中，TBC在各单位时间增加r，直到桶大小b。在另一个实施例中，TBC增加Δt·r，其中Δt是当前时间与TBC的前一次更新之间的时间差。
当长度li的第i个分组到达时，算法检查TBC值是否等于或大于零。如果是的话，则业务是符合的，并且TBC减少li(即使TBC＜li)。如果TBC小于零，则分组延迟到TBC等于或大于零。
这个经修改令牌桶算法的操作如图4所示。具有长度l1、l2、l3和l4的四个分组到达，其中前两个是符合的，并且因此立即被处理，如同常规令牌桶算法中一样。第三个在经修改令牌桶算法下是符合的，但是它使TBC转为低于零。当第四分组在t4到达时，TBC＜0，因此分组延迟到TBC大于零，这在图4中由“分组延迟”时长表示。
在一个实施例中，如图5A所示，速率修整功能20在队列大小限制器26中而不是在图3A所示的独立的速率修整器14中实现经修改令牌桶算法。在这个实施例中，不存在单独的输入缓冲器12或者独立的速率修整器14，而是存在单个业务队列22。在其它实施例中，调度器24可对来自多个队列的业务进行速率修整，其中的每个可具有独立的队列大小限制器，或者可共享公共队列大小限制器。业务队列22接纳所有进入的分组，并且还服务于外出的链路。调度器24没有关于业务队列22中的数据数量的直接知识，而是从队列大小限制器26得到这个信息。每当TBC≥0时，经修改令牌桶算法报告实际队列大小(或者在一个实施例中，c的上限)。否则，队列大小限制器26向调度器24报告业务队列22为空，并且由此阻止任何传输。
本领域的技术人员易于知道，速率修整功能20的调度器24和队列大小限制器26可通过专用硬件、具有适当固件的可编程逻辑、运行于控制器或处理器(例如数字信号处理器、即DSP)上的软件或者它们的组合来实现。业务队列22可作为硬件寄存器实现或者在存储器中实现。控制队列22或者实现调度器24或队列大小限制器26的固件或软件可存储在非暂时计算机可读介质上，例如固态存储器(例如闪速RAM、DRAM、ROM等)、磁或光介质等等上。固件或软件可由控制器或处理器直接访问、经由诸如存储控制器或盘驱动控制器之类的控制器访问，或者跨有线或无线网络从远程计算机可读介质来访问。
图5B的图形示出速率修整功能20比现有技术速率修整器(例如图3A)更为有效地利用无线网络资源。上部图形示出TBC值(虚线)和所报告的业务队列22大小(实线)。注意，仅当TBC为非负时，才报告实际业务队列22大小；否则它报告空业务队列22。下部图形示出由调度器所传递以用于跨越空中接口传输的业务。注意，与图3B的图形相比，实现具有借用的令牌的经修改令牌桶算法的速率修整功能20传递更少传输，其中的每个较大，并且因此要求极少或者不要求填充。这部分地通过允许将传输资源分配到其它队列或用户，来增加系统吞吐量。
此外，图5A所示的实施例允许更简单的实现，因为它仅要求单个业务队列22。这与诸如活动队列管理(AQM)之类的其它控制算法结合是特别合乎需要的。相比之下，图3A所示的现有技术解决方案要求两个独立的AQM机制，一个控制速率修整器14上游的队列12，而一个控制调度器18上游的队列16。
在经修改令牌桶算法中，令牌的最大数量b由参数bucketTime[s]来确定，使得b＝r·bucketTime。参数bucketTime对应于有可能保存将要在没有引起任何债务的突发中消耗的令牌的时间。换言之，采用经修改令牌桶算法的速率修整器允许包括与可在时长
Figure BPA00001530457600071
以恒定速率r在稳态发送的同样多的数据的数据突发。
图6示出队列大小限制器26中基于经修改令牌桶算法的速率修整的方法100。一开始，令牌桶计数器(TBC)设置为表示它能够保存的令牌的最大数量的b(框102)。TBC以恒定令牌速率r递增(框104)。TBC的增加示为分立框104；但是，本领域的技术人员将会知道，TBC以恒定速率递增，而与通过图14的流程图的控制流程无关。在一个实施例中，例如，每个TTI递增TBC。单个业务队列22接收用户业务的一个或多个数据分组(框106)。如果TBC大于或等于零(框108)，分组被认为是符合的，并且将队列大小传递给调度器24，用于调度由网络进行的传输(框112)。TBC递减分组大小(框114)，即使这将TBC减小到表示“借用的”令牌的负值。如果接收到一个或多个业务分组(框106)并且TBC为负的(框108)，队列大小限制器26向调度器24报告业务队列22为空，并且因此没有分组被调度用于传输。
具有借用令牌的可能性的经修改令牌桶算法阻止分组以不必要的小尺寸从一个网络层传递到另一个网络层。调度许多小分组而不是少数大分组是对诸如物理下行链路控制信道(PDCCH)和物理上行链路控制信道(PUCCH)等资源的低效使用。
图7示出采用使用常规令牌桶算法(上部)以及允许借用令牌的常规令牌桶算法(下部)的速率修整的层间数据传递的效果。借用令牌的能力允许许多分组同时传递到更低层。这具有许多优点。首先，性能降级的主要来源主要是调度开销；如图6的下部所示，当许多分组包含在传输中时，降低作为传输的百分比的调度开销。其次，通过将送往或来自UE的多个分组收集到一个TTI中，释放其它TTI(或时隙、帧或者其它定义的传输时长)以携带来自或送往其它UE的业务。
图8示出常规令牌桶算法与经修改令牌桶算法之间的TBC值的差，一开始，当桶满(TBC＝b)时，算法类似地操作。但是，当令牌计数耗尽时，常规算法(虚线)调度许多短数据传输供传递给UE。这是必要的，因为(长度l的)各数据分组必须等待收集足够的令牌计数。相比之下，在经修改令牌桶算法(实线)中，队列大小限制器26可借用令牌，从而允许调度器24调度各为长度2l的一半数量的传输。整个传输在两种情况下都是同时完成-即，两种解决方案执行预期速率修整，但是以不同资源成本来执行。
关键术语定义如下，并且具有本文所使用的指定含意：
速率增强：速率增强是用于速率修整和速率管制(rate policing)的综合术语。
速率管制：按照业务分布丢弃来自业务流的分组的过程称作速率管制或者业务管制。应用速率管制的原因能够是保护网络免受轰炸攻击，实现分层预订和阻拦作弊，例如用户将VoIP编解码器速率升级到超出网络已经授权的VoIP编解码器速率之外。
速率修整：延迟业务流中的分组以使其符合某个定义的业务分布的过程称作速率修整或业务修整。应用速率修整的原因能够是在进入网络时及时平滑业务。应用速率管制的原因在这里也是有效的。速率修整能够实现为对调度器的改进。
修整速率：产生于对具有某个令牌速率的速率修整器的使用的速率。修整速率应当平均起来是令牌速率。
业务管制：参见速率管制。
业务修整：参见速率修整。
令牌：用作其它某个方面的表达的某个方面。在这里，令牌是与最小信息单位大小对应的虚拟符号。令牌以令牌速率r到达桶中。
令牌速率：用以将令牌注入这个系统的速率。
本发明当然可在没有背离本发明的本质特性的情况下通过不同于本文具体提出的其它方式来执行。本发明实施例在所有方面要被认为是说明性而不是限制性的，并且落入所附权利要求书的含意和等效范围之内的所有变更均要包含在其中。

Claims (24)

1.一种控制无线通信网络中的业务流的方法(100)，所述方法包括：
将一个或多个数据分组接收(106)到业务队列(22)中用于传输；
并且其特征在于：
由队列大小限制器(26)使用经修改令牌桶速率修整算法来监测(108)所述业务队列(22)，包括：
保持表示桶中的令牌数量的令牌桶计数器TBC(102，104，114)；
将TBC(114)减少被调度用于传输的各分组的大小；
以恒定令牌速率增加所述TBC(104)；
如果TBC为正的(108)，则向调度器(24)报告所述业务队列(22)中的一个或多个分组的大小；
如果所述TBC为负的(108)，则向所述调度器(26)报告所述业务队列(22)为空(110)；以及
调度所述所报告分组用于传输(112)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述业务队列(22)、队列大小限制器(26)和调度器(24)处于网络节点中，并且其中分组被调度(112)用于跨越空中接口向用户设备的下行链路传输。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述业务队列(22)、队列大小限制器(26)和调度器(24)处于用户设备中，并且其中分组被调度(112)用于跨越空中接口的上行链路传输。
4.如权利要求1所述的方法，其中，以恒定令牌速率增加所述TBC(104)包括周期地将所述TBC递增预定量(104)。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在各传输时间间隔递增(104)所述TBC。
6.如权利要求1所述的方法，其中，以恒定令牌速率增加所述TBC(104)包括将所述TBC增加Δt·r的量，其中Δt是当前时间与所述TBC的前一次更新之间的时间差，以及r是预定常数。
7.如权利要求1所述的方法，其中，令牌的最大数量为b，并且其中一次可借用最高达-c个令牌，并且其中以恒定速率r添加令牌(104)，使得所述经修改令牌桶算法允许包括与能够在时长
Figure FPA00001530457500021
以恒定速率r在稳态发送的同样多的数据的数据突发。
8.如权利要求1所述的方法，还包括对所述业务队列(22)执行活动队列管理。
9.一种在无线通信网络中可操作的发射器中的速率修整功能(20)，所述速率修整功能(20)包括：
业务队列(22)，可操作以接收和存储将要跨越空中接口传送的数据分组；
并且其特征在于：
队列大小限制器(26)，可操作以监测(108)所述队列(22)并且控制数据分组从所述队列(22)到调度器(24)的流动，所述队列大小限制器(26)使用经修改令牌桶速率修整算法(100)，所述经修改令牌桶速率修整算法(100)包括
保持表示桶中的令牌数量的令牌桶计数器TBC(102，104，114)；
将所述TBC(114)减少被调度用于传输的各分组的大小；
以恒定令牌速率增加所述TBC(104)；
如果所述TBC为正的(108)，则向所述调度器(24)报告所述业务队列(22)中的一个或多个分组的大小；以及
如果所述TBC为负的(108)，则向所述调度器(24)报告所述业务队列(22)为空(110)；以及
调度器(24)，可操作以响应所述队列大小限制器(26)而调度来自所述业务队列(22)的数据分组用于跨越所述空中接口的传输(112)。
10.如权利要求9所述的速率修整功能(20)，其中，所述发射器处于网络节点中，并且其中分组被调度(112)用于跨越空中接口向用户设备的下行链路传输。
11.如权利要求9所述的速率修整功能(20)，其中，所述发射器处于用户设备中，并且其中分组被调度(112)用于跨越空中接口的上行链路传输。
12.如权利要求9所述的速率修整功能(20)，其中，以恒定令牌速率增加所述TBC(104)包括周期地将所述TBC递增预定量。
13.如权利要求12所述的速率修整功能(20)，其中，在各传输时间间隔递增(104)所述TBC。
14.如权利要求9所述的速率修整功能(20)，其中，以恒定令牌速率增加所述TBC(104)包括将所述TBC增加Δt·r的量，其中Δt是当前时间与所述TBC的前一次更新之间的时间差，以及r是预定常数。
15.如权利要求9所述的速率修整功能(20)，其中，令牌的最大数量为b，并且一次可借用最高达-c个令牌，并且其中以恒定速率r添加令牌(104)，使得所述经修改令牌桶算法(100)允许包括与能够在时长
Figure FPA00001530457500031
以恒定速率r在稳态发送的同样多的数据的数据突发。
16.如权利要求9所述的速率修整功能(20)，还包括执行活动队列管理AQM控制器，所述活动队列管理AQM控制器可操作以对所述业务队列(22)执行AQM。
17.一种存储用于控制无线通信网络中的业务流的计算机可执行过程步骤的计算机可读介质，所述计算机可执行过程步骤的特征在于它们可操作以使控制器执行下列步骤(100)：
由队列大小限制器(26)使用经修改令牌桶速率修整算法(100)来监测(108)所述业务队列(22)，所述经修改令牌桶速率修整算法(100)包括
保持表示桶中的令牌数量的令牌桶计数器TBC(102，104，114)；
将TBC(114)减少被调度用于传输的各分组的大小；
以恒定令牌速率增加所述TBC(104)；
如果所述TBC为正的(108)，则向调度器报告所述业务队列中的一个或多个分组的大小；
如果所述TBC为负的(108)，则向所述调度器报告所述业务队列为空(110)；以及
调度所述所报告分组用于传输(112)。
18.如权利要求17所述的计算机可读介质，其中，所述控制器处于网络节点中，并且其中分组被调度(112)用于跨越空中接口向用户设备的下行链路传输。
19.如权利要求17所述的计算机可读介质，其中，所述控制器处于用户设备中，并且其中分组被调度(112)用于跨越空中接口的上行链路传输。
20.如权利要求17所述的计算机可读介质，其中，以恒定令牌速率增加所述TBC(104)包括周期地将所述TBC递增预定量。
21.如权利要求20所述的计算机可读介质，其中，在各传输时间间隔递增(104)所述TBC。
22.如权利要求17所述的计算机可读介质，其中，以恒定令牌速率增加所述TBC(104)包括将所述TBC增加Δt·r的量，其中Δt是当前时间与所述TBC的前一次更新之间的时间差，以及r是预定常数。
23.如权利要求17所述的计算机可读介质，其中，令牌的最大数量为b，并且一次可借用最高达-c个令牌，并且其中以恒定速率r添加令牌(104)，使得所述经修改令牌桶算法(100)允许包括与能够在时长
Figure FPA00001530457500041
以恒定速率r在稳态发送的同样多的数据的数据突发。
24.如权利要求17所述的计算机可读介质，其中，所述计算机可执行过程步骤还使控制器对所述业务队列(22)执行活动队列管理。
CN2010800431981A 2009-09-25 2010-09-08 使用允许令牌债务的令牌桶的无线通信的速率修整 Pending CN102577569A (zh)

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