用于为一个移动站和一个分组无线通信网络间的通信 指定一个服务质量的方法和系统 【技术领域】
本发明有关无线电通信系统和方法，更具体的，有关用于在一个无线电信道上发射和接收数据的系统和方法。发明背景
公共无线电话系统广泛用于向用户提供无线电话通信。例如，从1990’s起，已经开始使用全球移动通信系统(GSM)。GSM系统的设计和操作对于本技术专业人员来说是已知的，因此，此处不必作进一步的描述。
为便于无线分组数据通信，对GSM系统进行了扩展。具体的，已设计了通用分组无线业务(GPRS)来实现一个无线信道上的分组数据通信。GPRS系统的描述见于(例如)European TelecommunicationsStandards Institute(ETSI)publication GSM 03.60 V.5.2.01997-1 entitled Digital cellular telecommunications system(Phase 2+)；General Packet Radio Service(GPRS)；Servicedescription；Stage 2(GSM 03.60 version 5.2.0)，其内容在此引入以供参考。GPRS系统的设计和操作对于本技术专业人员来说是已知的，因此，此处不必作进一步地描述。
现在，正在设计GPRS扩展，例如增强GPRS(EGPRS)和增强数据率的GSM演变(EDGE)，以实现多媒体数据及分组语音数据的高速率通信，同时，允许与外部网络协议(例如Internet Protocol(IP))的增强的兼容性。对EGPRS和EDGE系统的描述见于：GSM 04.60V6.2.0(1998-10)entitled Digital cellular telecommunicationssystem(Phase2+)；General Packet Radio Service(GPRS)；MobileStation(MS)-Base Station System(BSS)interface；Radio LinkControl/Medium Access Control(RLC/MAC)protocol(GSM 04.6Version 6.2.0 Release 1997)和GSM 05.03 V8.0.0(1999-07)entitled Digital cellular telecommunications system(Phase2+)；Channel Coding(GSM 05.03 Version 8.0.0Release 1999)，其内容在此引入以供参考。EGPRS和EDGE的设计和操作对于本技术专业人员来说是已知的，因此，此处不必作进一步的描述。
图1是一个GPRS体系的总体方块图。如图1所示，GPRS体系包括多个移动站(MS)，它利用一个无线电话链路与GPRS网络通信。一个MS包含一个移动终端(MT)和一个终端设备(TE)。可以理解，尽管在此处将TE和MT表示为两个独立的块，但它们可以利用一个单独的便携式设备中的共享部件实现。Um访问点用于移动站访问，R参考点用于信息的始发和接收。一个内部GPRS接口Gp连接两个独立的GPRS网络以交换信息。Gi参考点将GPRS网络与一个分组数据网络(PDN)或其它网络连接起来。可以有不止一个面向若干不同的分组数据或其它网络的GPRS网络接口。这些网络可以有不同的所属关系并可有不同的通信协议，例如X.25，TCP/IP等。
图2是一个GPRS逻辑结构的总图。如图2所示，通过加入两个网络接点，服务GPRS支持节点(SPSN)和网关GPRS支持节点(GGSN)，GPRS被逻辑上实现在一个GSM结构上。GGSN是一个由分组数据网络访问的节点，借助于一个分组数据协议地址的估算。它包含所连接GPRS用户的路由信息。SGSN是为移动站服务的节点。在GPRS连接时，SGSN建立一个移动管理上下文，其中包含有关(例如)MS的移动性和安全性的信息。MS同多个使用一个无线电话链路的基站子系统(BSS)通信。GPRS逻辑结构的其它细节见于上面提到的GSM 03.06，此处不需作进一步的介绍。
图3举例说明了一个GPRS系统的传输平面。如图3所示，传输平面包含一个分层协议结构，提供用户信息的传输以及相关信息传输的控制流程，例如流程控制、差错检测，差错校正和差错恢复。借助于Gb接口，可以保留从底层无线接口开始的网络子系统平台传输平面的独立性。如图3所示，MS和BSS之间的初始层2(L2)接口经过无线链路控制/媒体接入控制(RLC/MAC)块。RLC部分提供对与无线资源相关的控制机制的访问。MAC部分提供对一个物理层的访问。图3中的传输平面和RLC/MAC块的定义见于上述GSM 03.60和GSM 04.60。
随着线路切换GSM系统发展成为诸如EGPRS和/或EDGE之类的一个分组切换服务结构，希望移动终端执行语音，数据处理或多媒体应用(包括其组合)，以生成相应的语音，已处理的数据或多媒体通信。还希望将该语音，已处理的数据或多媒体通信作为分组数据，更有效地传输给GPRS网络和/或其他网络，例如PDN。不幸的是，很难以足够的服务质量(QoS)提供这些语音，已处理的数据或多媒体通信。
基于通用移动电话系统(UMTS)的网络可以为包括语音电话在内的各种服务应用程序提供一个可变的服务质量。不过，在使用因特网协议(IP)的网络中，这比较困难。与UMTS陆地移动电话系统(UTRAN)或EGPRS射频存取网络(ERAN)接口的网络可以试图通过服务器(该服务器实现媒体网关和媒体控制功能)的调解，提供合适的服务质量。
不幸的是，很难使无线网络中协商的服务质量适应于无线链路的条件变化。换句话说，希望在外部网络中运行的应用程序和业务独立于最后一段传输(举例来说)所用的无线链路。如果期望GPRS网络和/或其他网络知道与提供移动站上执行的各种应用程序的适当的业务质量相关的所有细节，也是不切实际的。换句话说，不应该要求诸如因特网之类的外部网络提供的业务知道移动站的需要。
已知可以利用诸如隐流分类之类的技术提供一个合适的服务质量。在这类技术中，一个用户的用户简档可以与有关流的特性的假设结合起来。例如，周期性出现的RTP/UDPIP业务可以表明一个实时流。不幸的是，一些参数，例如所使用应用程序的延时敏感性，不容易利用隐式技术得到。也可能使用显流分类以提供有关无线链路特性的信息。
尽管上述技术可以将无线链路考虑进服务质量中，但它们不足以为一个执行语音，数据处理或多媒体应用的移动站提供适合的服务质量。而且，隐式技术不能提供对语音，数据处理或多媒体应用所需服务质量的精确的确定，并且，它无法在这些应用程序之间进行区分。发明概述
本发明的一个目的是提供改进的系统和方法，用于在无线信道上发送和接收数据。
本发明的另一个目的是允许对一个移动站和一个分组无线通信网络之间的通信的期望服务质量进行精确的估算。
本发明的另一个目的是使移动站以可接收的服务质量执行语音，数据处理或多媒体应用。
按照本发明，这些和其它目的由用于在一个移动站和一个分组无线通信网络之间进行通信的方法和系统来提供，其中，移动站执行语音，数据处理或多媒体应用，包括其组合，并生成相应的语音，处理数据或多媒体通信，它们被作为数据包从移动站传送给分组无线通信网络。按照本发明，根据在移动站上执行的语音，数据处理或多媒体应用，为移动站指定所希望的服务质量，它最好独立于分组无线通信网络的性能参数。该指定服务质量从移动站被传递到分组无线通信网络。随后，根据指定的服务质量和分组无线通信网络的特性，建立与移动站的通信。
服务质量最好包含一个延时敏感性和一个误差率中的至少一个。服务质量可由在移动站上执行的语音，数据处理或多媒体应用指定，和/或由移动站上执行的语音，数据处理或多媒体应用的用户指定。
本发明源于这样的认识，在一个移动站执行一个语音，数据处理或多媒体应用时，无线接入网络和其它网络都不知道在该移动站上执行的应用程序的具体类型。不过，由于移动站知道正在执行的应用程序的类型，所以，它可根据正在执行的应用程序，向分组无线通信网络传递所期望的服务质量。这一指定的服务质量(最好独立于分组无线通信网络的性能特性)可被用于建立与移动站的通信。
例如，一个语音电话应用可能有严格的延时要求，例如，一个100ms级的单向端-端延迟。这就意味着无线链路上的延迟最好是60ms或小于60ms。而一个电视会议应用程序可以接受较长的延时以获得好的性能。这种应用可以接受200-500ms级的延时。无线接入网络或一个核心网络一般无法获得有关一个移动站上执行的应用程序的这一信息。不过，按照本发明，移动站可根据其上执行的语音，数据处理或多媒体应用，为移动站指定一个服务质量。
本发明特别适用于一个移动站(MS)和一个增强型通用分组无线业务(GPRS)无线接入网络(RAN)之间的通信。MS包含终端设备(TE)，该设备执行语音，数据处理或多媒体应用，生成相应的语音，处理数据或多媒体通信。MS还包括一个移动终端(MT)，它将语音，处理数据或多媒体通信作为分组数据传递给EGPRS RAN。按照本发明，TE根据其上执行的语音，数据处理或多媒体应用，为TE和EGPRS RAN之间的通信指定一个服务质量。所指定的服务质量从TE传递到MT。随后，该指定的服务质量从MT传送给EGPRS RAN。随后，可根据所指定的服务质量和EGPRS RAN的特性，在MS和EGPRS RAN之间建立通信。
在一个最佳实例中，一个服务质量应用程序运行在TE的一个用户数据报协议(UDP)层上，并允许TE上执行的语音，数据处理或多媒体应用指定一个服务质量。TE和MT之间的对R参考点的一个基于端口的扩展可被用于从TE向MT传递该指定服务质量，利用的是一个点-点协议(PPP)链路层。可在MT的UDP层运行一个服务质量应用程序，以便利用UN接入点将该指定服务质量从MS传递到EGPRS RAN。相应的，一个基于端口的应用程序接口(API)可以允许控制一个无线接入网络中的服务质量。从而，可以提供一个移动站和一个分组无线通信网络之间改进的语音，处理数据通信或多媒体通信。附图概述
图1是一个GPRS系统的总体方块图。
图2举例说明了一个GPRS系统的逻辑结构。
图3举例说明了GPRS系统传输平面的一个常规协议堆栈。
图4举例说明了一个EGPRS无线接入网络(ERAN)的总体结构。
图5是一个ERAN参考结构的方块图。
图6举例说明了一个EGPRS系统的一个用户平面协议。
图7举例说明了按照本发明的一个实施例，一个移动站的终端设备和移动终端的协议堆栈。
图8是一个流程图，例证了按本发明的一个实施例，在一个移动站和一个GPRS网络之间进行通信的操作。
图9A和9B分别例证了一个8-相移键控(8PSK)模式和Gassian最小移位键控(GMK)模式中GPRS/EGPRS的RLC/MAC块的例子。
图10举例说明了按本发明的一个实例，根据指定的服务质量改变交错的一个例子。
图11A和11B举例说明了一个按本发明一个实例，移动终端的的人-机界面，用户可通过该界面指定服务质量。最佳实施例详述
现在，参照附图更全面地介绍本发明，在附图中示出了本发明的推荐实例。不过，本发明可以许多不同的形式实现，不应被局限于所列出的实例；还有，提供这些实例是为了更全面地理解本发明，对于本技术专业人员来说，这些实例可以完全表达本发明的范围。相似的符号表示相似的元件。
本发明专业人士可以认识到，本发明能以方法，系统(设备)或计算机程序产品的形式实现。相应的，本发明可采用纯硬件，纯软件或软硬件结合的形式实现。
在以下对附图(包括框图和流程图)的详细介绍中，例证了本发明的各个方面。应该理解，每个块，及块的组合都可由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可被提供给一个处理器或其它可编程数据处理装置，以产生一个机构，从而，在处理器或其它可编程数据处理装置上执行的指令可以生成用于执行指定块的功能的方法。这些计算机程序指令还可被存储在一个计算机可读存储器中，它可指示处理器或其它可编程数据处理装置以特定方式工作，因此，存储在计算机可读存储器中的指令生成一种包括能实现流程图中或块中所指定功能的指令装置的产品。
相应的，所举例的块支持执行指定功能的装置的组合，执行指定功能的步骤的组合和执行指定功能的程序指令。可以理解，所举例的每个块及块的组合可由执行指定功能或步骤的指定用途的基于硬件的计算机系统实现，或由指定功能的硬件和计算机指令的组合实现。
本发明可提供一个应用程序接口(API)，该接口允许终端设备上执行的语音、数据或多媒体应用程序利用UDP携带的一个基于端口的接口从移动终端向扩展无线接入网络应用程序(ERANAP)指定关键参数。该参数可以包含一个来自移动站的，由终端设备上执行的语音、数据或多媒体应用程序确定的服务质量指示。该指定的服务质量可以包括一个延时敏感度，一个误差率，要由信道和/或其它参数协调的一个所期望的声音质量。该服务质量规范可经一个从终端设备到移动终端的PPP链路，利用(例如)一个EGPRs移动站中的R基准点，从终端设备传送到移动终端。这就允许以很大的灵活性规定服务质量。
例如，实时IP业务的延时要求一般随所访问的应用程序或业务的不同而不同。语音延时要求一般比较严格。具体的，单向端端延时一般应为100ms级。因此，无线链路上的延时最好是40ms或更小。相反，一个视频流一般有较宽松的延时要求，一个低速率数字电视会议可保持单向链路上200-500ms的延时。与电视会议相关的语音流可以有类似的延时。对于视频流和音频流来说，帧误差率(FER)要求一般类似，即，大约1％FER。
诸如白板和对话之类的协作应用程序一般类似于视频流，大约300-500ms。一般，WWW上媒体内容的单向流除了那些由目的站的复制缓冲器中有限的存储器所施加的延时要求外，没有指定的延时要求。不过，帧误差率要求仍希望为大约1％。其它的应用程序可以有类似或较低要求的帧误差率。不过，对于指定的应用程序，可能需要较低的帧误差率。
本发明源于这样一个共识，即，GPRS网络和其它网络一般不知道终端设备上运行的应用程序。不过，移动终端与终端设备上运行的应用程序紧密相关。因此，本发明允许移动终端根据终端设备上运行的语音、数据处理或多媒体应用程序，为移动站指定一个服务质量，在指定该服务质量时，最好独立于分组无线通信网络的性能特征。可通过直接指定一个延时敏感度和/或误差率来指定服务质量。或者，可通过向无线接入网络传送终端设备上执行的应用程序的类型(例如，多媒体应用程序，电视会议或一个语音电话应用程序)来指定服务质量。也可以使用其它用于指定服务质量的常规技术。
一种用于规定服务质量的推荐技术允许一个在终端设备上执行的应用程序对无线接入网络作指定的要求。这样，例如，终端设备就可以根据其上执行的应用程序挑选一个交错深度。在一个实例中，可以为各种GPRS网络上可用的交错选项分配一个4位码。表1列出了一个可能的4位码组，用于指定交错深度选择。
表1代码交错0000无交错000120ms上的块交错001040ms上的块交错001140ms上的对角交错010060ms上的块交错......1000留待以后使用1111留待以后使用......
因此，终端设备可以根据其上运行的应用程序挑选一个代码，代表一个期望的交错深度选择。类似的，终端设备通过指定一个4位代码点，根据其上运行的应用程序挑选一个特定的编码方案。表2举例说明了一个4位代码的实例，用于指定编码方案。
表2代码编码方案0000无编码0001常规EGPRS释放99个增量冗余以达到更好的效果0010链路适配中的实时载体回旋编码0100跨越40ms的有效负载Turbo-编码0101跨越100ms的有效负载Turbo-编码1000留待以后使用......1111留待以后使用......
对于本技术专业人士来说，Turbo-编码是熟知的。对它的描述见于(例如)：Near Shannon Limit Error-Correcting Coding andDecoding：Turbo-Codes(I)by Berrou，et al.，IEEE，International Communications Conference，1993.
本发明可用于一个EGPRS无线接入网络(ERAN)。图4举例说明了一个ERAN的总体结构。如图4所示，EGPRS功能实体包含以下三个功能子实体：无线网络控制功能块(RNCF)，无线网络网关(RNGW)和基站收发机(BTS)。基站收发机的功能与GSM 03.06中所定义的等同。ERAN可支持实时的基于IP的应用程序。IuPs接口包括两个平面：用户平面，记为IuPs’-u，和控制平面，记为IuPs’-c。用户平面接口介于增强服务GPRS支持节点(E-SGSN)和RNGW之间。控制平面接口介于E-SGSN和RNCF之间。
图5是一个ERAN参考结构的方块图。ERAN参考结构可将核心网络和无线接入网络完全分离成独立的部件。ERAN参考结构还可为所有的存取网络(例如，ERAN和UMT陆地无线接入网络(UTRAN))提供一个基于GPRS的一个公用分组交换代码网络。
图6举例说明了一个EGPRS系统的用户平面协议。R99和R2000RLC/MAC层只在MAC层中不同。子网络非独立收敛协议(SNDCP)和逻辑链路控制(LLC)层可被看作Release 99链路层的子层。无线资源管理实体对于所示出的每一个用户平面堆栈来说是公共的。因此，无线资源可从一个公用的池中抽取。所示出的所有链路层可由一个公共链路层管理实体(LLME)来管理，其面向较高层协议的接口可以是一个动态分配的网络层业务存取点标识符(NSAPI)，其面向较低层协议的接口是一个链路层SAPI及临时逻辑链路本体(TLLI)。
Best Effort-Logical Link Control(BE-LLC)层减小了最佳效果业务的链路层总开销，并能为未知的IP数据报传输提供可选的协议和数据压缩。对于被限定在单时隙操作的流，BE-LLC层在用户平面上最好是透明的(标题压缩之后)。可以加入最小总开销以允许多时隙操作。实时逻辑链路控制层(RT-LLC)允许传输经协议压缩的IP/UDP或IP/UDP/RTP数据。该层可以利用端端IP连接传送实时流。还可提供一个可选的单时隙，在标题压缩之后，该时隙在用户平面具有透明性。
EGPRS上的最佳语音传输/GSM承载线路上的最佳语音传输(OVE/OVG)选项允许利用EGPRS或GSM承载线路来最优化适应性多速率(AMR)语音的传输。这些载体可为低速率语音的传输提供一个单时隙临时流标识符(TFI)。
图7举例说明了按本发明，一个移动站的终端设备和移动终端的协议堆栈。如图所示，语音、数据或多媒体应用程序，分别为510，520和530，执行在终端设备的UDP层540上的一个应用程序层。语音、数据或多媒体应用程序分别与一个服务质量应用程序550接口，应用程序550最好也执行在UDP层540上的一个应用程序层。服务质量应用程序550与一个目标资源代理(ORB)560接口，目标资源代理(ORB)560运行在移动终端的UDP层570上的一个应用程序层。目标资源代理与一个EGPRS无线接入网络应用程序部分(ERANAP)580接口。因此，应用程序510，520和530可利用ORB 560协商具体的要求。利用一个基于端口的接口，应用程序将流程的FER和/或延时要求通知MT上运行的ERANAP。ERANAP可以将该要求转化为明确的请求，并启动一个相关通信信道的再协商进程。
例如，如果一个应用程序有20ms的传输粒度，并且能忍受无线网络上高达100ms的延时，而不会有明显的质量损耗，则可以向ERAN传送一个请求，请求在4-5个协议数据单元(PDU)上对角交错数据部分。无线网络控制模块(RNCF)可以改变100ms交错延时的特性。其他用户的协定可以是，在这一连续传输过程中，在释放一个信道之前，有一段延时。
或者，ORB 560可被用于协商性能要求。例如，可能需要0.1％的数据包误差率。应用程序510-530可以通过一个服务质量应用程序550同ORB 50协商信道编码和交错，以提供所期望的性能。
不同的价格对应于不同的服务质量，所提供的服务质量引发相应的收费。相应的，能提供定制服务质量的这一指定无线存取载体的协商能引发流程收费过程的改变，它反映了对无线资源的使用。实现这一收费的技术是，按下列公式计算传输一个包的费用：cp＝Bc·μr+Vr，这里，Bc是传输基费用，μr是对于该流程服务质量来说唯一的一个乘数，Vr是使用无线资源时对每个包的固定收费。
图8是一个流程图，举例说明了按照本发明，一个移动站和一个GPRS网络之间进行通信时的操作。如块610所示，终端设备始发一个语音、数据或多媒体应用程序50-530。在块620，应用程序向服务质量应用程序550指明一个服务质量。或者，可以在630，服务质量应用程序550从终端设备的用户接收一个指定的服务质量。用户指明服务质量将在以下详细介绍。
继续图8的描述，在块640，服务质量应用程序550将一个明确的服务质量传递给移动终端，例如，利用一个基于端口的R接口和目标资源代理560。在块650，移动终端利用ERANAP 580向GPRS RAN传递一个指定的服务质量。随后，在块660，根据服务质量和GPRS RAN的性能特性，GPRS RAN建立同语音、数据或多媒体应用程序的通信。
图9A和9B中，分别举例说明了在一个8相移键控(8PSK)和高斯最小移位键控(GMSK)模式中，GPRS/EGPRS系统中RLC/MAC块的实例。经过信道编码，RLC/MAC块横跨4个时隙，这些时隙分布(交错)在4个帧上，每个帧包括8个时隙，GSM时分多址(TDMA)帧结构。编码数据一般是在这4个时隙交错。可达到的编码率可在1/12到1/5(8PSK)之间和1/4到1/2(GMSK)之间改变。RLC/MAC块包括一个上行链路标记(USF)域，该域允许移动终端了解上行链路信道的状态。一个负载类型(PT)标记，表明实时业务的类型。一个临时流标识符(TFI)域，定义数据所属的临时块流。一个功率缩减(PR)域，表明相对于下一个RLC/MAC块中的BCCH，功率上的缩减。一个Coding andPuncturing(CPS)域指明信道编码协议。一个加密标识符(K)指明是否加密。CRC是一个循环冗余校验域。对于本技术专业人士来说，RLC/MAC块中的域是已知的，此处不需做进一步的描述。
现参照图10，介绍本发明的一个例子。在该例中，假设一个36八位字节的数据单元被回旋编码以便与图9A和9B中的一个RLC/MAC标题串联。这些36八位字节在RLC/MAC块中的分配由为RAB协定的交错而定。例如，如图10所示，在构造图9A或9B的RLC/MAC块之前，两个36八位字节可被对角交错。或者，交错可以是成块进行的。通信的交错特性可被存储在RLC/MAC上下文中，以供错误协商后的通信，该特征不需经无线链路发送。
如以上结合图8所描述的，在块630，本发明还可以估算用户指定的服务质量，而不是(或者补充)由应用程序510-530指定。图11A 和11B举例说明了一个移动站上的人机界面(MMI)，允许用户指定服务质量。图11A举例说明了一个有触摸屏显示910的移动站900，其上显示一个服务质量滑尺920。图11B举例说明了移动站900的显示器910上显示的向上按钮930和向下按钮940。对于本技术专业人士来说，有关移动站900的设计的其它方面是已知的，此处不需做进一步的介绍。
因此，用户可以利用按钮、滑块控制或其它已知的用户界面动态指定所期望的服务质量。用户可以选择的简单的服务质量可以是一般性的，例如较少延时或较多延时。另一个控制可被用于控制一个语音或视频应用程序的可感知的服务质量，这是通过指定较好质量或较低质量来完成的。用户的选择可利用Venn图或其它方案映射为从网络可获取的特性。用户的输入可被翻译为将40ms的交错改变为80ms的交错的指令。随后，在执行了再协商进程之后，数据部分可被适当地交错。
从一种交错方案转换为另一种交错方案可以这样完成，即，插入允许临时性流程暂停的伪帧，并在RLC/MAC层重新建立临时块流(TBF)。或者，可以利用转接过程完成转换。还可以利用其它的标准链路适应过程来完成从一种编码方案到另一种编码方案的转换。服务质量方案的一种使用是限定性能，从而可以使用较低的数据率，允许以较低廉的价格访问无线资源。因此，用户可以控制服务质量以及服务价格。
从面向业务的角度来看，一个基于IP的传输网络可以完全没有意识到请求网络资源的指定应用程序。换句话说，在一个基于IP的传输网络中，所有的数据都是同样对待的。不过，不幸的是，在终端设备上执行的应用程序，例如语音、数据或多媒体，可能要求不同的服务质量已达到可接受的性能。本发明允许移动站根据终端设备执行的语音、数据处理或多媒体应用程序指定一个服务质量，以使得无线接入网络和/或其它网络可以提供可接受的服务质量，而不必知道所执行的应用程序。
在附图和描述中，介绍了本发明的典型的推荐实例，尽管使用了特定的术语，不过它们只是用来描述本发明，并不起限定的作用，本发明的范围在所附的权利要求中列出。