ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ПО КАНАЛУ СВЯЗИ С ПЕРЕМЕННЫМИ СКОРОСТЯМИ ПЕРЕДАЧИ

Область техники

Изобретение относится к передаче данных и более конкретно к передаче блоков данных по каналу связи, в котором скорость передачи изменяется.

Предшествующих уровень техники и сущность изобретения

В развивающейся области беспроводной связи число услуг, которое может быть обеспечено между мобильной станцией (МС) и базовой станцией (БС), значительно возросло и включает в себя услуги в реальном масштабе времени, например, речевую связь и видеосвязь, а также услуги не в реальном масштабе времени, такие как передача файлов и сообщений электронной почты. Каждая услуга обычно имеет различное требование к формату передачи. Одним из требований к формату передачи является скорость передачи по радиоканалу между мобильной станцией и базовой станцией. Радиоканал может соответствовать радиочастоте в системе связи множественного доступа с частотным разделением (МДЧР), временному интервалу в системе множественного доступа с временным разделением времени (МДВР) и коду расширения спектра в системе множественного доступа с кодовым разделением (МДКР). Из-за разнообразия услуг, которые необходимо предоставить, скорость передачи по радиоканалу может изменяться с довольно высокой частотой. В действительности в некоторых системах скорость, с которой может изменяться радиоканал, может составлять порядка одного изменения в каждые десять миллисекунд. Для более высоких скоростей передачи число битов данных, передаваемых в каждый заданный промежуток времени, может быть довольно большим. С другой стороны, для сравнительно низких скоростей передачи гораздо меньшее число битов данных передается в течение этого же промежутка времени.

Это разнообразие скоростей передачи создает проблему, вызывающую особые затруднения в условиях радиосвязи, когда данные зачастую искажаются в результате затухания, затенения, помех и т.д. Для поддержания битовых ошибок, возникающих из-за такого искажения на низком уровне, может быть использован протокол ARQ (автоматического запроса повторной передачи), при котором применяются методы передачи с подтверждением приема и/или неподтверждением приема для обеспечения надежной передачи данных. Если сообщение данных принимается с ошибкой, приемник передает запрос повторной передачи к передатчику, который автоматически повторяет передачу сообщения данных. Передаваемое сообщение обычно делится на несколько блоков данных меньшего размера. Каждый блок данных содержит порядковый номер для целей идентификации, используемый, когда эти повторно передаваемые блоки принимаются и последовательно упорядочиваются в приемнике.

Важно тщательно выбрать размер, т.е. количество битов в каждом из этих блоков меньшего размера. Чем больше размер блока, тем больше вероятность, что повторно переданный блок будет принят со слишком большим количеством ошибок. Чтобы уменьшить число ошибок в ситуации, когда используются большие блоки, требуется радиоканал очень высокого качества, который или не может быть получен в текущих условиях, или является “дорогим” в том смысле, что он использует ограниченную пропускную способность. С другой стороны, когда размер блоков данных уменьшается, эффективная скорость передачи данных или пропускная способность также уменьшается, так как число дополнительных битов, используемых в каждом блоке данных, таких как порядковый номер, биты обнаружения и исправления ошибок и т.д., увеличивается по отношению к числу битов данных полезной нагрузки, которые образуют основу сообщения данных.

Тот факт, что скорость передачи по радиоканалу или любому типу канала связи может часто изменяться, усложняет определение подходящего размера блока данных. На фиг.1 показан размер блока из 640 битов. Скорость передачи данных может изменяться до одной из двух скоростей: 64 кбит/с и 32 кбит/с. Частота, при которой может изменяться скорость передачи, соответствует интервалу кадра длительностью 10 мс. Другими словами, допускается изменение скорости передачи только в конце каждого интервала кадра длительностью 10 мс, но не в течение этого интервала.

При скорости передачи выше 64 кбит/с в течение первого интервала кадра весь блок данных из 640 битов размещается в одном интервале кадра длительностью 10 мс. Спустя этот интервал скорость передачи изменяется до 32 кбит/с и в течение последующего интервала кадра длительностью 10 мс только половина из 640 битов в следующем блоке данных передается в течение второго интервала кадра. Вслед за вторым интервалом кадра длительностью 10 мс происходит еще одно изменение скорости, повышающее скорость передачи снова до 64 кбит/с. При этой более высокой скорости передачи для передачи остальных 320 битов второй половины блока данных требуется только половина третьего интервала кадра длительностью 10 мс. После этого последняя половина третьего интервала кадра остается “пустой”, и ее затем заполняют “холостыми” битами. Неспособность передать полезную информацию в течение части интервалов кадра приводит к неэкономичному расходованию ценных ресурсов (особенно в случае радиосвязи) и уменьшает эффективную скорость передачи данных по радиоканалу.

Возможным путем решения этой проблемы изменяющейся скорости передачи является адаптация размера блоков данных (числа битов в каждом блоке) к текущей скорости передачи. Однако этот подход вызывает трудности, когда блоки данных должны передаваться повторно в результате искажений в канале связи. Например, рассмотрим ситуацию, когда блок данных большого размера первоначально передается с высокой скоростью передачи в течение одного интервала кадра длительностью 10 мс. Этот большой блок искажается, и поэтому нужно его передать повторно. В более позднее время, когда должен быть повторно передан большой блок данных, скорость передачи в это время может измениться, например, до более низкой скорости передачи. Из-за более низкой скорости большие блоки данных не могут быть переданы в одном интервале кадра длительностью 10 мс, и должны быть использованы один или больше интервалов кадра для передачи оставшихся данных. Весьма вероятно, что один из интервалов кадра будет передан с полезной нагрузкой меньшей, чем полная полезная нагрузка.

Задачей настоящего изобретения является создание способа определения оптимального размера блока данных для использования в системах связи, в которых могут использоваться переменные скорости передачи.

Также задачей настоящего изобретения является определение оптимального размера блока данных, чтобы ресурсы связи не тратились бесполезным образом.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является определение фиксированного размера блока для устранения сложностей, связанных с блоками различного размера.

Настоящее изобретение решает эти проблемы и достигает указанных результатов в заявленном способе определения оптимального размера блока данных. Размер блока данных может быть предпочтительным образом использован для передачи данных с переменными скоростями по каналу связи в предварительно определенные временные интервалы, причем предварительно определенный временной интервал имеет одинаковую длительность. Блоки данных в соответствии с настоящим изобретением все имеют одинаковый фиксированный размер, т.е. имеют одинаковое число битов данных в каждом блоке, вместо изменения размера блоков данных в соответствии с изменениями скоростей передачи, что вводит дополнительные сложности. Этот фиксированный размер блока данных определяется так, чтобы для всех имеющихся переменных скоростей, при которых могут передаваться данные, каждый предварительно определенный временной интервал был полностью занят полезной информацией, т.е. не имел неиспользованных или занятых битами-заполнителями частей одного из временных интервалов. Даже, если бы данные можно было первоначально передавать с первой скоростью передачи блоками данных фиксированного размера, когда обнаруживается переход с первой скорости передачи на вторую скорость передачи, биты распределяются и передаются со второй скоростью передачи в виде тех же блоков данных фиксированного размера.

Фиксированный размер блока данных определяется на основании максимальной частоты, при которой скорость передачи может изменяться в канале связи, и самой низкой доступной скорости передачи. Желательно, чтобы фиксированный размер каждого блока данных был ограничен определенными максимальным и минимальным размерами блоков данных, чтобы уменьшить количество битовых ошибок на блок данных, сохранить определенную пропускную способность данных и ограничить количество дополнительных битов по отношению к битам полезной нагрузки.

Помимо начальных передач данных между двумя устройствами связи по каналу связи настоящее изобретение также полезно использовать в процедуре Автоматического запроса повторной передачи (АЗП). Если сообщение данных определено как ненадежное, например, в нем слишком много битовых ошибок, на передающее устройство связи направляется запрос о повторной передаче этого сообщения данных. Даже если сообщение данных первоначально было передано с использованием первого формата передачи, определяющего первую скорость передачи, то формат передачи может быть изменен на второй формат, который определяет вторую скорость передачи, отличающуюся от первой, если сообщение должно быть передано повторно. В варианте осуществления, приведенном в качестве примера, повторно передаваемое сообщение данных сегментируется или разделяется на протокольном уровне канала передачи данных на протокольные единицы данных (ПЕД) фиксированного размера, где каждая ПЕД фиксированного размера имеет одинаковое число битов, независимо от скорости передачи или другого формата. ПЕД фиксированного размера затем передаются по первому физическому протокольному уровню, используя второй формат передачи, определяющий вторую скорость передачи, отличающуюся от первой скорости передачи, с которой первоначально передавалось сообщение данных. Фиксированный размер ПЕД выбирается так, чтобы временные интервалы использовались полностью, несмотря на частые изменения форматов и скоростей передачи по каналу связи. Другими словами, эти временные интервалы полностью заняты полезной информацией без добавления заполняющих битовых данных для полного заполнения этого временного интервала кадра.

Хотя настоящее изобретение может быть выгодно использовано в любом устройстве связи, в любой системе передачи данных, предпочтительным применением является передача данных между мобильной станцией и базовой станцией, в частности, в системе мобильной связи МДКР. На первом протокольном уровне связи используются коды расширения спектра при передаче ПЕД по каналу радиосвязи. Второй протокольный уровень связи, расположенный над первым протокольным уровнем, соответствует протокольному уровню управления радиоканалом/управления доступом к среде передачи (УРК/УДС). Уровень УРК осуществляет сегментирование данных в ПЕД фиксированного размера для передачи по радиоинтерфейсу.

Краткое описание чертежей

Упомянутые и другие задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из следующего описания предпочтительных вариантов осуществления, представленных на чертежах, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы на различных видах. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, и основное их назначение - иллюстрация принципов изобретения.

Фиг.1 - диаграмма, иллюстрирующая одну из проблем, обусловленную связью с переменными скоростями, решаемую настоящим изобретением;

фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая устройства связи и канал связи между ними, где может быть использовано настоящее изобретение в соответствии с первым вариантом его осуществления;

фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая пример процедуры 10 передачи блоков фиксированного размера в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая пример процедуры определения размера блока данных в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая пример использования настоящего изобретения в канале связи с изменяющейся скоростью передачи;

фиг.6 - диаграмма, иллюстрирующая другой пример использования настоящего изобретения;

фиг.7 - блок-схема системы мобильной радиосвязи, в которой настоящее изобретение может быть использовано в другом варианте его осуществления;

фиг.8 - диаграмма, иллюстрирующая различные протокольные уровни связи, используемые при осуществлении связи между мобильной станцией, базовой станцией, контроллером радиосети и узлами базовых сетевых служб в системе мобильной связи, показанной на фиг.7;

фиг.9 - упрощенная диаграмма формата ПЕД;

фиг.10 - блок-схема процедуры 200 повторной передачи блоков данных в соответствии с примером использования настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

В следующем описании для пояснения, но не ограничения упоминаются конкретные детали, такие как отдельные варианты осуществления, структуры данных, конфигурации аппаратных средств, скорости передачи данных, способы и т.д., чтобы пояснить принципы настоящего изобретения. Однако для специалиста в данной области очевидно, что настоящее изобретение может быть использовано в других вариантах осуществления без использования этих конкретных деталей. Кроме того, описание хорошо известных способов, устройств и схем не приводится, чтобы не загромождать описание настоящего изобретения ненужными деталями.

На фиг.2 показана система связи общего назначения, в которой настоящее изобретение может быть использовано в первом варианте осуществления. Передающее устройство 1 связи осуществляет связь по первому каналу 5 связи с приемным устройством 6 связи. Канал 5 связи может соответствовать любому типу среды передачи данных, включая провод, оптическое волокно, СВЧ-канал, радиоканал и т.д., и может использовать любое число различных форматов связи, подходящих для передачи по любой из сред. Скорость передачи по каналу 5 связи может изменяться довольно часто с предварительно определенными временными интервалами. В примере, показанном на фиг.1, описанном выше, предварительно определенный временной интервал соответствует интервалу кадра длительностью 10 мс.

Устройство 1 связи содержит передатчик 2, схему обработки данных 3, содержащую один или несколько буферов, и приемник 4. Аналогичным образом, устройство 6 связи содержит передатчик 7, схему обработки данных 8, содержащую один или несколько буферов, и приемник 9. Схема обработки данных 3 в передающем устройстве 1 связи передает посредством передатчика 2 информацию по каналу связи 5, используя блоки данных фиксированного размера. Этот размер не зависит от текущей скорости передачи по каналу связи 5.

Ниже описана процедура 10 передачи блоков фиксированного размера, показанная в виде блок-схемы на фиг.3. Для каждого блока данных фиксированного размера задано первое число битов, соответствующее первой скорости передачи. Эти блоки данных передаются посредством передатчика 2 по каналу 5 связи на приемное устройство 6 связи (блок 12). В блоке 14 принимается решение, изменилась ли скорость передачи для передачи данных по каналу 5 связи. Если скорость изменилась, то тем же блокам данных фиксированного размера задается второе число битов, соответствующее второй скорости передачи. Передатчик 2 передает эти фиксированные блоки со второй скоростью передачи по каналу 5 связи (блок 16).

Важным аспектом настоящего изобретения является определение оптимального размера блоков, фиксируемого для всех имеющихся скоростей передачи данных, которые могут быть использованы в канале 5 связи. В связи с этим на фиг.4 показана процедура 20 определения размера блока данных. Определяется частота (F), с которой может изменяться скорость передачи по каналу 5 связи (в блоке 22), т.е. число изменений скорости передачи в единицу времени. Помимо этого определяется (блок 24) минимальная или самая низкая имеющаяся скорость передачи (Тх(мин)) в канале связи. Затем определяется (блок 26) фиксированный размер блоков в соответствии со следующим равенством:

На фиг.5 показан пример сценария передачи по каналу 5 связи с использованием настоящего изобретения. Полагая, что интервал кадра длительностью 10 мс определяет самую высокую частоту изменения скорости передачи в канале 5 связи, и полагая, что двумя доступными скоростями передачи являются 64 кбит/с и 32 кбит/с, фиксированным размером блока в соответствии с равенством (I) является 10 мс × 32 кбит/с. В соответствии с этим каждый блок данных фиксированного размера содержит 320 битов. Полагая, что начальная скорость передачи выше 64 кбит/с, каждый переданный десятимиллисекундный интервал кадра содержит два 320 битовых блока данных или всего 640 битов. Если скорость передачи в конце интервала кадра длительностью 10 мс изменяется до 32 кбит/с, то в течение каждого интервала кадра передается только один блок данных, состоящий из 320 битов.

Несмотря на то, что скорость передачи изменяется только спустя 10 мс, оптимально рассчитанный фиксированный размер блоков обеспечивает полное заполнение интервалов длительностью 10 мс. Специалистам в данной области понятно, что полная занятость означает, что битовые позиции в интервале кадра не будут бесполезно израсходованы. Другими словами, отсутствует значительная часть интервала кадра, которая не содержит полезной информации, в том числе дополнительные биты или биты полезной нагрузки. Например, настоящее изобретение, как показано на фиг.5, отличается от аналогичного сценария, показанного на фиг.1, в котором одна половина интервала кадра длительностью 10 мс передается без какой-либо полезной информации. Передача “холостых” битов в течение этой неиспользуемой части интервала кадра является бесполезной и неэффективной.

Может оказаться желательным наложить некоторые ограничения на размер фиксированных блоков данных в зависимости от параметров канала связи с переменной скоростью передачи. Например, если размер блока слишком мал, большая доля битов данных, передаваемых по каналу связи, будет дополнительными битами, что уменьшает общую пропускную способность и эффективность. С другой стороны, блоки большего размера подвержены ошибкам, что может потребовать одного или более повторений передачи, чтобы надежно передать такое большое количество битов. Следовательно, могут быть заданы максимальное и/или минимальное ограничения фиксированного размера блоков в зависимости от применения.

Рассмотрим пример, в котором устройство связи 1 может передавать по каналу связи 5 блоки данных, используя любую одну из следующих имеющихся скоростей передачи: 8 кбит/с, 32 кбит/с, 64 кбит/с. Используя равенство (I), получаем фиксированный размер блока: 10 мс × 8 кбит/с равно 80 битам. Может оказаться, что размер блока в 80 битов слишком мал, т.е. меньше, чем порог (Т), как показано в блоке 28 решений на фиг.4. В этом случае задается размер блока в 320 битов, что соответствует следующей более высокой скорости 32 кбит/с, но самая высокая частота, при которой скорость передачи по каналу связи 5 может изменяться, уменьшается на коэффициент, обратно пропорциональный разности между самой низкой и следующей по величине скоростями передачи. В этом примере данный коэффициент равен четырем. Поэтому самая высокая частота, при которой скорость передачи может изменяться в этом примере, соответствует 40 мс, когда скорость передачи равна 8 кбит/с. На фиг.6 показано, что блок данных фиксированного размера, состоящий из 320 битов, передается с использованием четырех интервалов кадра по 80 битов каждый. Во время этих четырех интервалов кадра скорость передачи может не изменяться. Таким образом изобретение ограничивает частоту, при которой скорости передачи могут изменяться, когда используются низкие скорости передачи (блок 30). Настоящее изобретение также обеспечивает, что даже если скорость передачи будет изменяться очень резко, например, от 64 до 8 кбит/с, размер блока данных определяется так, чтобы использовались все интервалы кадров для передачи полезной служебной информации и информации полезной нагрузки.

Настоящее изобретение может быть с выгодой использовано в любой системе связи, включая системы сетевой мобильной связи на основе МДЧР, МДВР и МДКР. На фиг.7 показан пример системы 100 мобильной связи. Представительная, ориентированная на соединения, внешняя базовая сеть 120 может представлять собой, например, коммутируемую телефонную сеть общего пользования (КТСОП) и/или цифровую сеть с предоставлением комплексных услуг (ЦСКУ). Представительная ориентированная связь без установления соединений внешняя базовая сеть 140 может представлять собой, например, сеть Интернет. Обе сети связаны с соответствующими сервисными узлами 160.

КТСОП/ЦСКУ, ориентированная на соединения сеть 120 соединена с ориентированным на соединение сервисным узлом, показанным как узел 180 центра коммутации мобильных станций (ЦКМ), который обеспечивает услуги передачи данных с коммутацией каналов. В системе мобильной связи, например, хорошо известной системе GSM (глобальная система мобильной связи), используемой в Европе и в других регионах, центр 180 коммутации мобильных станций соединен через интерфейс А с системой базовых станций (СБС) 220, которая, в свою очередь, соединена через интерфейс А’ с базовой станцией 230 радиосвязи. Сеть 140 Интернет, ориентированная на связь без установления соединений, соединена с узлом 200 услуги пакетной радиосвязи общего назначения (УПРОН), обеспечивающим услуги с коммутацией пакетов данных.

Каждый из сервисных узлов 180 и 200 базовой сети соединяет с сетью радиодоступа (СРД) 240 через интерфейс сети радиодоступа. Каждый контроллер 260 сети радиодоступа соединен с большим числом базовых станций 280, которые устанавливают связь через радиоинтерфейс с большим числом мобильных станций 300. Хотя может быть использован любой радиодоступ, преимущественно радиодоступ основан на широкополосном МДКР (Ш-МДКР), при этом отдельные радиоканалы распределяются с использованием кодов расширения спектра режима Ш-МДКР. Ш-МДКР обеспечивает широкую полосу пропускания для мультимедийных услуг и другие потребности высокоскоростных услуг, а также обеспечивает надежность связи за счет использования процедуры переключения каналов связи с разнесением и многоотводных приемников для обеспечения высокого качества.

На фиг.8 схематично представлен возможный набор нижних уровней протокола связи для использования в системе 100 мобильной связи, показанной на фиг.7. Протокольный уровень управления радиоканалом/управления доступом к среде передачи (УРК/УДС) находится над физическим протокольным уровнем L1. Предполагается, что физический уровень Ш-МДКР, физический протокольный уровень L1, а также УРК/УДК замыкаются на контроллер сети радиосвязи (КСР) для целей процедуры переключения каналов связи с разнесением. Третий протокольный уровень соответствует логическому управлению каналом (ЛУК), который замыкается на базовые сети (БС). Протокольные уровни УРК/УДС и ЛУК соответственно могут рассматриваться как более низкий и более высокий протокольные уровни канала передачи данных в контексте модели стандарта OST (взаимодействия открытых систем).

Хотя каждый из этих трех протокольных уровней обеспечивает многочисленные функции, для целей описания данного конкретного варианта осуществления настоящего изобретения рассмотрены только некоторые задачи. На физическом уровне потоки данных, исходящие от разных услуг связи, мультиплексируются в канале радиосвязи. Эти услуги могут иметь различные сервисные требования к качеству, например, различные требования к битовым ошибкам, различные типы кодирования (сверточное кодирование, кодирование Рида-Соломона и т.д.) и различные скорости передачи. Чтобы изменить скорость передачи, например, в канале обратной линии связи от мобильной станции к базовой станции, изменяют коэффициент расширения кода, расширения спектра, выделенного мобильной станции. Мобильная станция поэтому может передавать данные для различных услуг одновременно при эффективном использовании также ограниченных ресурсов радиосвязи путем адаптации к требуемой скорости передачи для конкретной услуги.

Надежная передача через радиоинтерфейс достигается, например, при использовании схемы автоматического запроса повторной передачи (АЗП) на протокольном уровне УРК. Пакеты данных более высокого уровня, обеспечиваемые протокольным уровнем ЛУК, сегментируются в блоки меньшего размера, называемые протокольными единицами данных (ПЕД) УРК, подходящими для передачи через радиоинтерфейс. ПЕД УРК является наименьшим повторно передаваемым блоком данных. Пример ПЕД УРК показан на фиг.9. Он содержит поле 32 заголовка, имеющее среди прочего порядковый номер, поле 34 полезных данных, которое содержит часть повторно передаваемого сообщения ЛУК, и поле обнаружения и исправления ошибок, такое как поле 36 контроля с использованием циклического избыточного кода (ЦИК). Таким образом, если пакет ненадежно принят от приемного устройства, он повторно передается на уровне УРК.

Аналогично тому, что описано выше, размер ПЕД УРК фиксирован и определяется на основании максимальной частоты изменения скорости передачи и минимальной или самой низкой скорости передачи. Обычно скорость передачи определяется в формате передачи вместе с другими параметрами, например информацией кодирования, информацией перемежения битов и схемой повторения/прокалывания битов для согласования скоростей.

Процедура 200 повторной передачи сообщения данных описана ниже со ссылками на фиг.10. Дается указание о повторной передаче сообщения данных, которое было первоначально передано с использованием первого формата передачи (блок 202). Уровень УРК сегментирует сообщение данных на ПЕД фиксированного размера (блок 204). В соответствии с процедурой 20 определения размера блоков, показанной на фиг.4, определяется фиксированный размер ПЕД. ПЕД фиксированного размера повторно передаются через радиоинтерфейс, полностью занимая один или больше кадров радиосвязи, с использованием второго формата передачи (блок 206). Если даже два различных формата содержат две различные скорости передачи, оптимальный выбор фиксированного размера ПЕД обеспечивает эффективное использование ресурсов радиосвязи.

Хотя настоящее изобретение было описано по отношению к определенным вариантам его осуществления, специалистам в данной области должно быть ясно, что оно не ограничено этими конкретными примерами вариантов осуществления. Для реализации изобретения могут быть использованы различные форматы, варианты осуществления, адаптации кроме уже показанных и описанных, а также многие другие изменения, модификации и эквивалентные конфигурации. Поэтому, хотя настоящее изобретение было описано по отношению к предпочтительным вариантам его осуществления, следует иметь в виду, что это описание является иллюстративным и предназначено только для обеспечения полного раскрытия изобретения. Соответственно, изобретение ограничено только сущностью и объемом, определяемыми формулой изобретения.