CN1422506A - 带宽预留系统的服务级别和公正原则 - Google Patents

Abstract

本文涉及某种系统，该系统根据用户访问资源请求的历史记录将优先级别赋予不同的用户。如果某一用户在过去一段历史时间内所提出的请求没有达到规定的数量，则该用户被赋予的级别比使用系统资源超过规固数量的用户高。因此，对系统可用资源提出请求最多的用户被配给更少的资源，而对系统资源提出较少请求的用户却被赋予较多的资源。根据本发明，访问分配系统的另一特点是至少为处于最低优先级别的用户预留出某些资源。因此，即使最低优先级别的用户至少也能偶尔对资源进行访问。与本发明相关的第三个特点是将连续传递时间作为一个阈值来降低用户当前的优先级别。举例而言，当处于特定优先级别的某一用户在预定的时间内连续使用系统的资源，则该用户被赋予下一个最低的优先级别，且其资源被收回。如果该用户要再对资源进行访问，该用户则需要在更低一级的优先级别上进行竞争。

Description

带宽预留系统的服务级别和公正原则

发明背景

总体而言，本发明涉及无线通讯系统，更具体而言，本发明涉及在多个用户间分配通讯资源的技术。

个人计算机的广泛使用使公众要求以低廉的费用来访问互联网及其他计算机网络。目前，这样需求已扩展到将便携式装置，如膝上型计算机、个人数字辅助设备等连接到计算机网络上。但不巧的是，互联网无线访问市场代表着两种不同文化的融合。传统的互联网有线访问文化希望访问数据的速率是固定的，例如，以56千比特/秒的速率访问互联网，语音级的家庭电话线可以普遍达到这一速率。然而，这一市场希望数据传输是非计量的，换句话就是，用户希望传输所有他们希望传输的数据，只要用户支付每月的平均话费。这种类型的访问与提供语音通讯的传统无线蜂窝电话模式大相径庭。蜂窝电话网络的特点是能够提供高质量速率的、快捷的访问。然而，通讯量是固定的，即蜂窝电话的用户要习惯于支付每分钟的访问费用。

市场研究已经表明，互联网的无线用户不太可能按照所计量的访问量或每万比特的使用费用来付费。相反的是，用户希望访问不受限制，或者至少能够访问数量不受限制的数据。不巧的是，无线系统的基本结构只能提供有限的资源。例如，在某一单元内的无线通道是有限的。因此，多个用户必须要以某种方式共享对这些有限物理资源的访问。

发明概述

只有特定类型的互联网通讯适宜于共享访问。举例而言，网络浏览功能通常适宜于在数量有限的通讯资源间进行时间共享。即用户的通常操作是指定某一网页，并希望以高速度下载这一网页。但然后用户要花数秒钟，或者甚至数分钟观看这一页的内容并思考下一步该做什么，然后再申请另一网页。因此，在这一用户思考后面要申请的内容时，网络资源可以暂时重新分配给其他的用户。

包括互联网通讯在内的其他应用并不太适宜于带宽共享。例如，实时无线电广播、可执行文件下载、音乐文件(MP3)下载等就与网络浏览功能大不相同。具体而言，需要这些内容的用户通常占用这些资源许多秒或许多分钟。对于这些流动数据型的下载功能而言，用户希望能连续地分配到带宽。

因此，在像基站这样的中央控制部分，可以根据用户的要求对可用资源进行排序并将可用资源分配给用户，例如将通讯通道进行排序并进行分配。只要有足够的通道满足用户的需求，资源的排序和分配会顺利进行。然而，如果可用资源的数量超过了需求量，则必须在公平的基础上对系统进行设置，以便用户共享这些资源。这一问题具有多面性，它不仅要决定要分配多少资源，还要确定分配给哪些用户以而何时分配这些资源。

因此，所需要的是以某种方式实现资源共享的方法，根据这种方法，特定用户所经历的服务降级以一种恰当的方式并且公平地出现，这样在一段时间内需要更多访问的用户所分配到的资源要少于累计使用资源较少用户所分配到的资源。本发明涉及向用户赋予优先级别的系统。该系统根据用户对资源访问的历史请求来分配优先级别。如果某一用户在一段历史时期内的请求量少于规定数量，则该用户被赋予的级别高于资源使用量大于规定量的用户所被赋予的级别。因此，使用可用资源最多的用户尽管提出需求，但被分配到较少的资源，而使用资源较少的用户分配到较多的资源。

本发明中访问分配系统的另一特点是为处于优先级别最低的用户预留出一些资源。因此，即使被赋予最低优先级别的用户至少偶尔也可进行某些访问。

与本发明相关的第三个特点是将连续传递时间作为一个阈值来降低用户当前的优先级别。举例而言，当处于特定优先级别的某一用户在预定的时间内连续使用系统的资源，则该用户被赋予下一个最低的优先级别，且其资源被收回。如果该用户要再对资源进行访问，该用户则需要在更低一级的优先级别上进行竞争。

根据本发明，任何一位用户所经历的服务级别取决于该用户对于资源使用的历史记录以及资源需求的连续性。这种方法以公平的方式使用户分配到的资源得到合理地降低，而同时又向用户提供系统访问范例，系统至少总是能够使每位用户进行某些访问，不论这些用户在过去的需求是多么大。

因此，本发明避免了某些需要大量通讯的用户支配可用资源某一部分的局面。否则的话，这会耗尽可用通道，有可能使其他用户根本无法使用任何通道。资源被定期地从需求量高的那些用户处取回，并分配给其他的用户，由此实现资源的平等共享。

另外，根据本发明，特定的用户可在更加平等的基础上竞争可用通道，因此，即使在使用高峰期内，全体用户只经历短暂的滞后。

图示简介

前面所述的以及本发明其他的目标、特点和优势通过本发明优选实施方案的更具体说明便可一目了然，本文所附的图示对这些优选实施方案进行了图解说明。在不同的视图中，相同的参考文字代表相同的部分。所附视图不一定是按比例绘制的，其重点是为了表明本发明的基本原理。

图1是本发明中支持无线数据传送的单元模块图。

图2表明的是根据本发明在一个月的时间期限内所允许的系统用量与无线通道实际用量的对比情况。

图3是本发明中各种优先级别所被允许的最大数据连续传送时间表。

图4a和4b是流程图，表明了在本发明无线通讯系统中多个竞争用户之间进行无线通道使用分配的方法。

图5表明了在某一月份中用户对通讯需求的典型分布情况。

图6表明了典型的用户申请量、用户所需的数据传输规模以及典型的每月传输量。

图7是典型的每日用量高峰图。

图8是系统模拟假定的参数图。

图9是某一特定用户用量情况的图。

图10表明的是不同类型用户平均一天所经历的响应时间。

图11表明的是只有两个优先级别的分配如何改善高优先级别用户的整体访问速度。

优选实施方案的详细说明

图1是本发明单元的模块图，这些单元支持无线通讯系统100中的多级别服务。总体而言，经无线通道130传送数据可以实现多个野外单元105和基站140之间的通讯。

如图所示，每台终端用户个人计算机通过有线界面与其相应的用户访问单元收发两用机120连接起来，通过收发两用机可以传送数字数据，如传送TCP/IP数据包。收发两用机120对数字数据重新格式化，并通过无线通道130进行传送，形成逆向连接。

在基站140处，经无线通道130传送的重新格式化的数据包被接收，并由无线界面设备145重新组装。在所接收的数据根据相应区域单元105传送的原始格式重新组装后，数据包再从无线界面设备145传送到网络155，然后再发送给与网络155相连的适当目标装置。

除前面所述的逆向连接数据传送之外，本发明的无线通讯系统100还支持正向数据传送、从与网络155相连的装置去往野外单元105中用户的数据传送。与此相似，为了通过无线通道130传送数据，无线界面设备145对从网络155接收的网络数据包进行重新格式化。这些数据包要去往相应的收发两用机单元120，收发两用机120接收这些数据包并对其重新组装。在收发两用机120接收这些数据包之后，数据包根据数据源传送的原始格式重新组装，并通过线路112传送给相应的个人计算机110进行进一步的处理。

根据上述的双向通讯，可以要求与网络155相连的客户服务器(未画出)提供信息，如提供某一网页；并且可以在远程野外单元105通过无线连接方式取得相应的信息。

在优选实施方案中，基站140和野外单元105之间的正向和逆向连接在无线通讯系统100中被定义为码分多址(CDMA)通道；即每条无线通道130都优选被虚拟随机噪音增信码序列所定义。虚拟随机噪音码序列以及源数据被调制到射频载波上，以便通过无线通道130进行数据传送。这样可使接收的一方根据分配给这一通道的特定虚拟随机噪音来对某一CDMA通道以及来自另一CDMA通道的数据进行解码。因此，在不受其他用户干扰的情况下，一个或多个无线通道130可用于基站140和某一特定野外单元105之间的通讯。

正如所提到的，无线通道130支持每个野外单元105与基站140之间的数据传输。在优选实施方案中，请求发送或接收数据的野外单元105分配到多条无线通道130，以建立无线数据连接线路。无线界面设备145和相应的资源150对无线通道130进行管理和分配。无线通道也根据需求进行分配。因此，当某一野外单元105-A处于闲置状态时，该单元只被配给一条低速单物理通道，当需要传送数据时，多个通道组合起来形成高带宽连接线路。因此，在特定的网络层连接过程中，在某一特定时间，分配给任何特定野外单元的通道数量变化很大。有关格式化和无线通道的需求分配的更多信息，请参见标题“使用主/备请求通道维持连接线路”的美国专利申请，该申请的序号为09/755,305，该申请于2001年2月1日提交，并已转让给Tantivy通讯公司，该公司也是本专利申请的受让方，该专利在此通过引证被并入本文。

由多个无线通道130组成的无线连接线路可使野外单元105的用户与网络155及相应的终端设备进行通讯，如与远程服务器进行通讯。网络155通常是公共电话交换网或互联网这样的计算机网络，数据通常根据特殊的网络协议进行格式化，如根据TCP/IP进行格式化。

每个野外单元105为使用通讯系统100所支持的有限数量的无线通道130而展开竞争。例如，数据传输的带宽由可用的通道数量以及数据流量而定，而在任何时间传送数据的需求量有可能大于这些数据传输可得到的带宽。因此，无线通道130必须在野外单元105的使用间进行公平的分配。根据本发明，这种公平分配是依据用户的历史用量情况以及当前的访问需求而进行的；即在超过服务级别规定时间之外要求使用特别大量资源的用户将会对过量使用付出代价。因此，这样的用户被置于更低的优先级别，并且通常得到更少的服务。

无线通讯系统100支持数个服务级别。与具有较低服务级别的单元相比，预定更高服务级别的野外单元105提出请求时，会分配到更多的无线通道130和传输数据所需的更高带宽。因此，与较低优先级别的野外单元105相比，优先级别较高的野外单元105所进行的数据传输通常在更短的时间里即可完成。

图2表明的是在一个月的期间内某一用户对资源的使用情况，线段B代表在一个月中指定用户在任何时间所被允许使用的阈值。举例而言，在X轴上的第一天，用户被允许使用10百万比特的数据传输量，此时用户不会因为用量过度而受到处罚。如图中所示的，一个月中最大的累积用量出现在第三十天，用量为170百万比特。应该注意到，线段B含有10百万比特的初始值，这样用户不会在该月的第一天因用量过度而立即受到处罚。

如线段C所示，如果资源的实际使用量少于线段B中相应点的允许使用量，则该用户的优先级别通常只是根据该用户预定的级别为准，在这里我们称之为“优先级别1”。当用户的实际累积用量线段C超出允许用量线段B时，则该用户的优先级别由于过量使用而被降低。因此，在线段C超出线段B的期间内，该用户在较低级别下接受服务；即处于高优先级别1的野外单元105降至优先级别2。

值得注意的是，如果用户在某段时间内不再连续使用无线通讯系统100从而使线段C上的实际用量少于线段B上的允许用量，则该用户不再受到处罚。例如，在第20天，线段C上的实际用量又小于线段B上的允许用量。

此外，较低的优先级别可能与较大的用量相关。例如，线段D定义了用量的阈值，超过这一阈值的用户被降为更低的优先级别3。

在优选情况下，无线通讯系统100的用量是按时间进行记录的，如按月进行记录。在一个月结束时，线段C所记录的野外单元105的实际用量被复位；即野外单元105在下一个月的第一天的实际用量被定为零。优选的情况是，每个野外单元105拖后一些时间开始新的一个月，这样可以使用户在任何时间由于使用过量而受到的处罚有一个均衡的分布。

用户提出的访问请求根据用户的优先级别进行排序。如图所示，顺序160含有由优先级别排定的访问请求表。每当野外单元105的用户提出访问储存在网络155中的内容时，该请求便被输入到该顺序中。当请求忽然脱离该顺序时，则依据优先级别将资源赋予这些请求。至少有一些通道保留给优先级别更低的用户。举例而言，优先级别1上的用户的可用通道有多条，但其中N条通道被分配给优先级别2的用户。同样，优先级别2的用户分配到的通道有多条，其中M条通道被分配给优先级别3的用户。如果X代表分配给优先级别1的用户的总系统资源，则无线通道130根据优先级别按X∷X/N∷[X/(N*M)]为1∷2∷3的比例进行最终分配。即优先级别越低的用户分配到的资源越少，但这些用户至少总有部分资源可用。

在优选实施方案中，不同优先级别的用户被赋予优先级别的比例与每一优先级别中用户的总数无关。根据这一方式，与被赋予优先级别2的用户比例变化相比，被赋予优先级别1的用户比例的变化实际上改变了优先级别1用户的整体可用资源量。

顺序160依据所规定的级别将系统资源分配给各个优先级别。为了理解在优选实施方案中这是如何实现的，我们首先假定系统有两个优先级别，P₁和P₂分别代表每个优先级别中的用户数量。例如，

P₁＝优先级别1中用户数量的百分比

P₂＝优先级别2中用户数量的百分比

我们还定义一个优选比例R，R是分配给两级用户的资源量的比值。在本实施方案中，我们假定这一比值为1/4，即分配给优先级别1中用户的资源量是分配给优先级别2中用户资源量的四倍。我们可以将两个未知量X和Y定义如下：

X＝分配给优先级别1中用户资源量的百分比

Y＝分配给优先级别2中用户资源量的百分比

则比列R＝Y/X，由此我们得到Y＝RX。

现在假定用户总数中90％被赋予优先级别1，10％的用户被定为优先级别2。则资源中的80％被分配给了90％的用户(处于优先级别1)，20％的资源被分配给了10％的用户(处于优先级别2)。然而，这实际上意味着更多数量的资源被分配给了优先级别低的用户，即处于优先级别2的单位用户占有资源的2％，而优先级别1中的用户只得到资源中的80/90或者0.88％。

决定资源分配的更佳方式照如下进行。由于可用资源的总量永远等于100％，我们可以给定下列关系式：

XP₁+YP₂＝100

将上一关系式中的未知数Y用已知的分配比例进行替换，我们可以得到下面的关系式：

XP₁+RXP₂＝100

将已知的用户比例代入上一关系式，则可以得出：

X90+X(10/4)＝100

求解X，我们得到：

90X+2.5X＝100

或92.5X＝100

X＝100/92.5＝1.08

1.08是一个百分比，它表明要分配给处于优先级别1的每个用户的资源量，分配给优先级别1中用户的总资源百分比为：

1.08×90％＝97.2％

Y＝X/4，优先级别2中每个用户分配到的资源量为0.27，所有优先级别2中用户分配到的资源总量为0.27×10％＝2.7％。

照此方式，优先级别比例R与每一优先级别中用户的数量无关。因此，每当用户被定为不同的优先级别时，上述计算需要重新进行。

图3是一张表格，它表明超时使用无线通道130的用户会受到如何处罚。举例而言，预定最高优先级别1的用户可被允许连续传输数量达600秒。如果超出了这一时间阈值，则该用户因为过量使用而被降低到下一优先级别。因此，如果相应的传输超过了600秒，则处于优先级别1的用户被降为优先级别2。如图所示，优先级别较低的用户在不受处罚的前提下所分配到的连续传送数据时间更短一些。

对连续使用时间加以限制是为了警示请求传输大型可执行文件、语音文件等文件的用户，并且不致使执行正常网络浏览功能的用户遭到处罚。因此，下载网页的用户可能只需要足以进行50千比特传输的资源。而阅读网页的用户不再需要无线通道，这些通道可以重新分配给系统中的其他用户。当处于优先级别1时，这种类型的用户通常不会超过600秒这一阈值。然而，下载MP3语音文件的用户通常会用完600秒这一阈值。这样该用户分配到的通道被取回，该用户要在下一优先级别中排队，以便为再一次访问MP3语音文件而进行竞争。

图4a-b是流程图，它表明了根据优先级别原则批准访问请求的方法。参考文字410表明执行该方法的起点。在步骤420，在新激活的野外单元105和基站140之间形成了新的连接线路。此时，无线通讯通道130不再使用，通常只是作为维持通道。在步骤425，基站140处的系统管理单元根据前面图2所示的该月使用历史记录确定所有静止用户的优先级别。

然后在步骤430确定是否有活动的但不是野外单元105的传送请求。如果有，则该传送请求在步骤435被输入到顺序中。如果没有传送请求，则程序继续执行步骤440，在此将确定是否有无线通道130可以支持排队等候的数据传送请求。如果没有无线数据通道130可供传送请求之用，则程序返回到步骤420。

如果在步骤440处有无线通道130可用，则继续执行步骤450，在此可用的无线通道130被分配给某些传送请求。然后在步骤455数据通过分配到的无线通道130被传送出去。

如果某一用户的数据传送在步骤460进行完毕，则程序返回到步骤420。另一方面，如果数据传输没有结束，则在步骤465处确定某一用户进行连续数据传送要持续多长时间(关于实际阈值，请见图3)。在步骤470，如果数据传输最长时间被超出，则在步骤475中断相应的数据传输，并在步骤480由于超过使用阈值这一原因将该用户降为下一优先级别。然后程序返回到步骤435。

如果在步骤470处传输数据的时间没有超出，则程序返回到步骤455，直至数据传输结束或者最大连续传输时间被超出。

图5表明的是用户对于预计的资源访问量的一种可能分布。如图所示，用户的月平均数据传送需要量比如为175百万比特。少量的用户，如10％的用户每月的需求量不到50百万比特，最多有10％用户的每月需求量为450百万比特或者更多。

图6表明的是典型互联网数据传输的情况以及这些情况的预期特征。例如，一种应用情况就是短信息传送。一般的用户预计每月发出100条短信息，短信息的长度为0.1千字节。图6还表明了以下项目每月的估计数量以及这些项目的规模：无线访问协议数据、电子邮件短信息、正常大小的电子邮件信息、带附件的电子邮件信息、基于文本的网络浏览、基于新闻和搜索的网络浏览、网络下载、远程学习、MP3下载、语音文件共享、互联网广播、图象、及可视会话。该图表明的只是被系统100用来预计每月平均负荷的某些应用的实例。

图7表明的是每天最大负荷随一天中时间的变化情况。最大负荷约出现在上午10点、下午2点和晚9点，用量最小出现在下午1点至下午4点。

图7中的峰值用量图和图6中的应用类型被用来摸拟确定一天中不同时间的平均预期响应时间。图8表明的是这一模拟中所做的其他假定。这些假定包括：每页的平均大小为65千字节、网络巡回滞后时间为0.7秒(即从基站出去，经过网络后再回来的往返滞后)、传输效率为55％、共享的带宽即用户共享的带宽量为400千比特/秒。所做的其他假定是每个用户的最大平均速度为168千比特/秒，即一次可分配给一个用户的最大资源量。同样假定的是用户的数量和/或该单元的用户数量为75。初始的配给量为10百万比特，月未的配给量为175百万比特。在本模拟情况中，假定用户平均每天提出一次访问请求。

该模拟的结果如图10所示。X轴表示的是响应时间的秒数，Y轴上表示的是用户指数。用户指数定为1～75，最低的用户数是向系统提出要求最少的用户，最高用户数(指数75)是向系统提出要求最多的用户。假定用户的要求按图5中的分布进行分配。X轴上的方格以10分钟的幅度增加。这一模拟跨越系统三个月的时间，系统中有二个优先级别，每个级别依据前面图4a和4b中所示的算法分配到资源。

图10中的曲线E表明了特定用户每月的近似平均百万比特值，用户以X轴上方的100、200、300、400及500标识来表示。例如用户20每月在使用约100百万比特，用户52每月近似使用230百万比特。图9表明的是本模拟中用户52的用量图形。如图所示，用户52目前平均每天近似使用225百万比特。该用户所用的平均资源与分配曲线A进行对比。可以看出，在1月份的大部分时间内用户52超过了他的配给量，因此该用户处于优先级别2。在2月初，用户52有数天保持在分配曲线A的下方，从2月3日至2月9日该用户处于优先级别1。在2月份的其余时间内，用户52超过了他的配给量并降为优先级别2。在3月21日超过了他的配给量，约从3月29日至3月31日用户52又超过了配给量。

这一模拟的最终结果如图10所示，这是一张所观察到的响应时间图。正如可以看到的，最大的用户，如指数为60或更高指数的用户与指数为1～10的小用户相比，所经历的响应时间更长。在需求曲线较低部分的用户即使在一天的高峰时间也会经历最短的响应时间。

图11是表明本发明优势的另一图示。该图假定可用资源在优先级别1和优先级别2之间按50∶50的比例进行平均分配。在图形中间的曲线A中，通道的分配没有优先级别之分。因此，当用户的数量在同一时间通讯中超过约50个之后，任何一个用户可用的数据带宽将迅速下降。然而，在具有二个优先级别的系统中，处于优先级别1的用户将经历非常恰当的服务降级，如优先级别1曲线所示。

因此，我们已经明白分配给某些用户的服务级别是如何取决于该用户在过去一个月中的用量历史记录的，以及如何取决于连续的资源分配程度，如在即时通讯期间内的连续资源分配。本方法对分配级别进行恰当的降低，而同时又进行公平地分配。如果系统不过载的话，其结果是所有用户都会得到他们需要的资源。然而，一旦系统出现过载，那些历史使用量大于许可量的用户与历中使用量小于配给量的用户相比，会被赋予更低的优先级别。该系统还有另一原则，该原则基于连续的时间分配进行特定连接，一旦这些阈值被超出，则用户被降至更低的优先级别。

虽然本文发明是结合优选实施方案进行具体说明和描述的，但本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本文所附权利要求所限定的本发明范围的前提下，可以在形式及细节上对本发明进行各种各样的修改。

Claims (3)

1.一种向多个野外用户提供多级无线服务的方法，使用该方法可以使基站和多个用户单元之间通过一个或多个CDMA通讯通道进行数据通讯，每级服务都与某一优先级别相对应，该方法包括以下步骤：

预留出带宽，并将带宽分配到多个通道中；

维持多个用户单元与基站之间的连接线路；

检测多个野外单元同时向基站传送数据的请求；

依据提出请求的野外单元相应的优先级别将子通道分配给基站与用户单元间的通讯，优先级别取决于提出具体请求的用户的历史需求记录。

2.根据权利要求1的方法，其还包括以下步骤：

对于超过预定许可用量阈值的情况，降低该野外单元的优先级别。

3.一种在要求访问通讯系统中提供多级服务的方法，在该通讯系统中，服务的级别取决于对可用资源的历史使用情况以及资源的连续分配情况。

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