Спосіб і пристрій для зміни швидкості передачі у каналах зв’язку

Винахід стосується систем зв'язку, зокрема, призначення ресурсів у системі з паралельним доступом. Фіг.1 ілюструє типове втілення наземної безпровідної системи 10 зв'язку, яка включає три віддалені пристрої 12, 13, 15 і дві базові станції (БС) 14. Реальна типова наземна безпровідна система зв'язку може мати більше віддалених пристроїв і БС. На Фіг.1 віддалений пристрій 12 є мобільним телефоном, встановленим у автомобілі, віддалений пристрій 15 не є рухомим і належить безпровідному локальному системному контуру, а віддалений пристрій 13 є портативним комп'ютером у стандартній стільниковій системі. У найбільш загальному випадку віддалений пристрій може бути будь-яким пристроєм зв'язку, наприклад, ручним пристроєм персональної системи зв'язку, портативним пристроєм для даних, наприклад, персональним допоміжним обробником даних, або нерухомим пристроєм обробки даних, наприклад, вимірювальним пристроєм. БС 14 надсилає до віддалених пристроїв 12, 13, 15 сигнали 18 прямого каналу зв'язку, а віддалені пристрої 12, 13, 15 надсилають до БС 14 сигнали 19 зворотного каналу. У типовій наземній системі зв'язку деякі БС мають кілька секторів. Багатосекторна БС включає кілька незалежних передавальних і приймальних антен і деякі незалежні схеми обробки. Принципи, що розглядаються тут, стосуються кожного сектора багатосекторної БС і односекторних БС. Отже, дали термін "базова станція (БС)" стосується сектора багатосекторної БС, кількох секторів спільної для них БС або односекторної БС. У системі паралельного доступу з кодовим ущільненням каналів (ПДКУ) віддалені пристрої використовують спільну смугу частот для зв'язку з усіма БС системи. Використання спільної смуги частот підвищує гнучкість системи і надає багато переваг. Наприклад, використання спільної смуги частот дозволяє віддаленому пристрою одночасно приймати сигнали від кількох БС і передавати один сигнал до кількох БС. Віддалений пристрій розрізняє одночасно прийняті сигнали від різних БС, використовуючи властивості обвідної сигналів ПДКУ розширеного спектра. Подібним чином БС може розрізняти і приймати окремо сигнали від багатьох віддалених пристроїв. Максимізація інформаційної здатності безпровідної системи, тобто кількості сеансів зв'язку, які система може одночасно обслуговувати, має дуже велике значення. Ця здатність у системі розширеного спектра підвищується, якщо потужність, яку приймає БС від кожного віддаленого пристрою, надходить до приймача БС з мінімальним рівнем, достатнім для забезпечення бажаної якості сигналу. Якщо рівень потужності сигналу, переданого віддаленим пристроєм і прийнятим приймачем БС, є занадто низьким, якість сигналу може знизитись нижче прийнятного рівня. Якщо ж цей рівень потужності є занадто високим, зв'язок з цим віддаленим пристроєм є прийнятним, але велика потужність сигналу стає джерелом перешкод для інших віддалених пристроїв і може погіршити зв'язок з цими віддаленими пристроями. Тому взагалі віддалені пристрої, що знаходяться поблизу БС, передають сигнали з відносно низькою потужністю, а більш віддалені пристрої - з відносно великою потужністю. У більш досконалих системах на додаток до контролю рівня потужності передачі від віддаленого пристрою у зворотному каналі здійснюється контроль швидкості передачі даних у цьому каналі. Віддалений пристрій, що знаходиться на межі зони обслуговування, може знизити свою швидкість передачі для підвищення якості сигналу, що приймається БС. Зниження швидкості передачі може збільшити тривалість і, отже, енергію кожного біта і цим підвищити якість каналу. Крім підвищення якості каналу, використання змінних швидкостей передачі надає системі і інші переваги. Наприклад, віддалений пристрій може генерувати потік даних з швидкістю, значно нижчою за максимальну швидкість передачі для економії потужності у віддаленому пристрої і збереження спектральних ресурсів. Крім того, деякі віддалені пристрої можуть бути класифіковані згідно з рівнем обслуговування, який вони забезпечують. Наприклад, віддалений пристрій привілейованого клієнта може вести передачі з максимальною швидкістю, а віддаленим пристроям економічного класу надаються швидкості передачі, що становлять 1/8,1/4 або 1/2 максимальної. Віддалений пристрій, який передає з швидкістю, нижчою за максимальну, може передавати з зниженою потужністю або протягом лише частини часу. Наприклад, віддалений пристрій, що передає з швидкістю 1/4 максимальної може передавати сигнали з потужністю, що становить 1/4 потужності, необхідної для передачі сигналу з повною швидкістю. У іншому варіанті віддалений пристрій, який передає з швидкістю 1/4 максимальної може передавати з робочим циклом приблизно 1:4. У будь-якому випадку віддалений пристрій, що передає з швидкістю нижче максимальної, створює менше перешкод і споживає менше системних ресурсів, ніж віддалений пристрій, що передає з повною швидкістю, і тому вивільняє ресурси системи для використання іншими віддаленими пристроями. Якщо зумовлено мінімальну прийнятну якість, верхня межа кількості одночасних користувачів, що можуть підтримувати зв'язок через БС, може бути обчислена для певного рівня перешкод. Цю верхню межу звичайно називають полюсною здатністю. Відношення фактичних користувачів до полюсної здатності визначає навантаження системи. Коли кількість фактичних користувачів наближається до полюсної здатності, навантаження наближається 1. Навантаження, близьке до 1, призводить до потенційно нестійкої поведінки системи, яка може спричинити деградацію роботи системи, а саме, підвищення частоти помилок, неуспішні передачі зв'язку і втрати зв'язку. Крім того, з наближенням навантаження до 1, розмір зони обслуговування БС зменшується і користувачі на дальній межі цієї зони можуть втратити здатність передавати з потужністю, достатньою для зв'язку з БС з прийнятним рівнем якості навіть при найнижчій швидкості передачі. З цих причин є доцільним обмежувати використання системи таким чином, щоб навантаження не перевищувало зумовленого процента від полюсної здатності. Одним з способів обмеження навантаження системи є відмова у доступі до системи, коли навантаження досягає певного рівня. Наприклад, якщо навантаження перевищує 70% полюсної. здатності, доцільним є відмовляти вимогам встановлення зв'язку і утриматись від передач вже встановлених зв'язків. У системі, де віддалені пристрої можуть передавати з багатьма швидкостями, навантаження системи також можна контролювати, контролюючи швидкість передачі у віддаленому пристрої. Для даного рівня навантаження зниження швидкості передачі від кожного віддаленого пристрою дозволяє збільшити повну кількість віддалених пристроїв, здатних одержати доступ до системи. У типовій цифровій системі з паралельним доступом віддалений пристрій встановлює сеанс зв'язку з БС. Цей сеанс залишається активним, доки віддалений пристрій не втратить потужність або не запросить роз'єднання. Після встановлення сеансу зв'язку віддалений пристрій передає серії даних. Наприклад, якщо користувач віддаленого пристрою одержує безпровідний зв'язок з Інтернетом через портативний комп'ютер, він встановлює сеанс зв'язку, реєструючись у мережі. Якщо цей користувач генерує повідомлення електронної пошти, віддалений пристрій генерує серію даних під час передачі цього повідомлення. Ця серія може містити один або кілька пакетів даних, кожний з яких звичайно . включає багато інформаційних кадрів безпровідного каналу. У системі, де швидкість передачі даних віддаленим пристроєм контролюється у БС, віддалений пристрій перед передачею серії даних надсилає до БС повідомлення з вимогою доступу. Звичайно цим повідомленням визначається бажана швидкість передачі. У відповідь БС може дати дозвіл для віддаленого пристрою передавати з бажаною швидкістю, може дати дозвіл для віддаленого пристрою передавати з нижчою швидкістю або може відмовити у доступі до системи. Така система має кілька вад. Наприклад, використання повідомлення з вимогою доступу пов'язане з споживанням цінних ресурсів зворотного каналу. Крім того, у передачі даних у зворотному каналі виникає затримка, зумовлена узгодженням швидкості передачі між віддаленим пристроєм і БС. Нарешті, алгоритм, за яким БС має відповідати на повідомлення з вимогою доступу, є складним і потребує значних витрат ресурсів БС. Отже, існує потреба у способі і пристрої для контролю доступу до системи з паралельним доступом і з використанням схеми передачі з змінною швидкістю. Контроль швидкостей передачі у зворотному каналі віддаленими пристроями, що знаходяться у зоні обслуговування, виконує відповідна БС. Ця БС веде моніторинг завантаження зворотного каналу і динамічно коригує встановлене значення для швидкості передачі. Це встановлене значення можна визначити через максимальну швидкість передачі і ймовірність передачі. Максимальна швидкість передачі визначає максимальну швидкість передачі зворотного каналу, доступну для віддаленого пристрою. Ймовірність передачі використовується для контролю ймовірності передачі віддаленим пристроєм з даною максимальною швидкістю передачі. БС може широкомовно сповіщати віддалені пристрої про встановлені значення для швидкості передачі. У будь-який час віддалені пристрої можуть передавати з швидкістю, нижчою за максимальну. У такий спосіб навантаження системи контролюється швидко і з стабільно ефективним використанням наявних ресурсів системи. Особливості, об'єкти і переваги винаходу можна краще уяснити з наведеного далі детального опису з посиланнями на креслення, у яких: Фіг.1 - типове втілення наземної безпровідної системи зв'язку, Фіг.2 - блок-схема операцій БС, Фіг.3 - типова блок-схема операцій віддаленого пристрою і Фіг.4 - блок-схема типовою безпровідної системи, у якій використовується винахід. У системі з паралельним доступом і скінченими ресурсами необхідно передбачити засоби контролю завантаження зворотного каналу для запобігання нестабільності системи. У системі, де віддалені пристрої можуть передавати з багатьма швидкостями завантаження зворотного каналу можна контролювати регулюванням швидкостей передачі від віддалених пристроїв. Наприклад, у системі, де рівень зовнішніх і взаємних перешкод дозволяє надавати одночасний доступ до системи тридцяти віддаленим пристроям при даній швидкості передачі, ця система зможе надати одночасний доступ шістдесяти віддаленим пристроям, якщо кожний з них передаватиме з 1/2 даної швидкості. Якщо лише частина віддалених пристроїв передає з швидкістю 1/2 даної, система зможе обслужити від 30 до 60 віддалених пристроїв. За реальних умов інформаційна здатність системи має м'яке обмеження, тобто кожне додання віддаленого пристрою знижує якість сигналу для кожного з користувачів, що обслуговуються системою. Інформаційна здатність є функцією часу, оскільки перешкоди від сторонніх джерел змінюються з часом і їх внесок у навантаження системи може бути значним. Оскільки необхідно уникати катастрофічних відмов, які можуть виникати, якщо навантаження перевищує максимально припустиме, оператори типових систем обмежують навантаження значенням 66-75% від очікуваного граничного. Щоб обмежити завантаження зворотного каналу певним рівнем, необхідно виміряти це завантаження. Завантаження зворотного каналу у БС не є лише функцією віддалених пристроїв, що знаходяться у зоні обслуговування цієї БС, але також функцією перешкод від інших джерел. Значним власним джерелом перешкод у БС є шуми вхідних каскадів. Крім того, значні перешкоди створюються іншими віддаленими пристроями, що працюють у зонах обслуговування сусідніх БС. Спосіб і пристрій для вимірювання навантаження описані у заявці 09/181 345 на патент США від 28/10/1998, включеній у цей опис посиланням. Винахід припускає використання багатьох інших способів визначення навантаження. Згідно з винаходом, БС використовує міру завантаження зворотного каналу для контролю швидкості передачі багатьох віддалених пристроїв. У типовій системі з паралельним доступом БС постійно веде передачі у службовому каналі, що несе інформацію, яку приймають віддалені пристрої і яка стосується операцій системи, наприклад, ідентифікаторів найближчих БС, доступності певних послуг і ідентифікатора оператора системи. Згідно з одним з втілень системи, на додаток до стандартної службової інформації БС передає встановлене значення швидкості передачі. Віддалений пристрій приймає дані про встановлене значення у службовому каналі і використовує його для визначення власної швидкості передачі. Встановлене значення визначається через максимальну швидкість передачі і ймовірність передачі. Максимальна швидкість передачі визначає для віддаленого пристрою максимальну швидкість передачі зворотного каналу, а ймовірність передачі використовується для контролю ймовірності ведення віддаленим пристроєм передачі з даною максимальною швидкістю. Віддалений пристрій у будь-який момент може вести передачу з швидкістю, нижчою за максимальну. Для забезпечення ефективного використання ресурсів системи доцільно дозволити системі працювати якнайближче до граничної інформаційної здатності, але з увагою до відповідної ймовірності нестабільної поведінки. Згідно з винаходом, встановлене значення швидкості передачі повільно підвищується, доки навантаження системи залишається нижчим за максимально припустиме. Якщо фактичне навантаження системи перевищує максимально припустиме значення, встановлене значення швидкості передачі знижується. У одному з втілень, доки навантаження системи залишається нижчим за максимально припустиме, ймовірність передачі повільно підвищується. Коли ця ймовірність перевищує 1, максимальна швидкість передачі підвищується до наступного вищого наявного рівня і ймовірність передачі знижується. У такий спосіб встановлене значення швидкості передачі повільно підвищується, доки не досягне максимально припустимого значення. Якщо наявні ресурси системи є достатніми для задоволення потреб всіх віддалених пристроїв, встановлене значення швидкості передачі підвищується, доки ймовірність передачі не досягне 1, а максимальна швидкість передачі не досягне найвищого значення. Якщо у процесі збільшення встановленого значення швидкості передачі ресурси системи стають недостатніми для уможливлення передачі кожним віддаленим пристроєм з бажаною швидкістю, навантаження нарешті перевищує припустиме значення і тоді встановлене значення швидкості передачі знижується. Якщо потреби залишаються постійними, система досягає стану рівноваги, в якому встановлене значення швидкості передачі приблизно дорівнює максимально припустимому значенню. Наприклад, якщо вимоги у системі є високими, максимальна швидкість передачі може бути встановлена на рівні 1/2 повної швидкості, а ймовірність передачі може бути нижчою за 1. У бажаному втіленні найнижче встановлене значення швидкості передачі визначається як максимальна швидкість передачі, яка дорівнює найнижчій швидкості передачі при ймовірності передачі 1. Отже, навіть за умов максимального навантаження кожний віддалений пристрій, що має зв'язок, одержує здатність передавати з найнижчою швидкістю з ймовірністю 1. Для збереження стабільності системи може виявитись необхідним відмовити у доступі до системи додатковим віддаленим пристроям, якщо навантаження перевищує максимально припустиме значення, а встановлене значення швидкості передачі є мінімальним. Однією з переваг згідно з винаходом є відносна легкість реалізації процесу контролю передач у БС. Для визначення встановленого значення швидкості передачі використовується лише один вхід до цього процесу. У одному з втілень єдиним виходом є це встановлене значення, яке складається з двох чисел. Порівняно з існуючим способом індивідуальної відповіді на спорадичні повідомлення з вимогою доступу від різних віддалених пристроїв, кожного разу, коли віддалений пристрій має дані для передачі виконується операція, передбачена винаходом. Операція не залежить від вхідних даних, що стосуються таких факторів, як поточна кількість користувачів або очікуване використання користувачів, або кількості віддалених пристроїв певного класу. Крім того, операція не потребує зберігання великої кількості даних, що стосуються щойно наданих доступів для віддалених пристроїв. Фіг.2 містить схему операцій у БС. Операція починається блоком 30. Блоком 32 змінним, що використовується у процесі, надаються початкові значення. Ймовірності передачі надається значення 1, а максимальне встановлене значення швидкості передачі одержує значення найнижчої швидкості передачі, тобто мінімальне значення. У типовій системі найнижча швидкість передачі може становити 1/8 повної швидкості. Кроку Δтр зниження і кроку d тр підвищення надаються номінальні значення. У типовій системі ці значення залежать від поточної максимальної швидкості передачі. Наприклад, у системі, де дані можуть передаватись з швидкостями 1/8, 1/4,1/2 і повною швидкістю, значення Δтр може становити 1/2, 1/4, 1/8 і 1/16 повної швидкості, відповідно. У типовому довкіллі d тр