CN101061681A - 无线网络中无明确业务说明的通信时间公平传输管理 - Google Patents

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Abstract

提供了一种系统和方法，用于通过追踪每条链路所用的传输时间(308)去检测任何的增加量，并根据从中得到的用法模式执行通信时间的分配(309)，以此控制无传输说明的公平通信时间NT－AirFair的分配。

Description

无线网络中无明确业务说明的通信时间公平传输管理
发明领域
本发明涉及无线多媒体通信系统中的传输控制。
技术背景
在无线网络中，多个节点共享对通信媒介的接入。已经有多种媒体接入控制(MAC)机制能高效地共享该媒介。已经将通信时间公平(或者AirFair)置于MAC协议之上，作为附加机制，以确保在按需的基础上每个业务流都能分配到通信时间，而不考虑其它链路的状况。这一方法避免了传输时间的不公平分配，对于具有较好链路的电台而言，会出现传输时间的不公平分配。换句话说，利用当前的AirFair控制技术，如果某条链路的每个分组的传输时间由于该链路降级而变得很长，则该链路只有在还有剩余通信时间未被其它站所用的情况下，才能超过它自己已经分配到的通信时间。这对于无线网络上的高质量视频传输非常重要，因为这类视频业务数据速率高、不允许延迟且对数据丢失很敏感。
现有的AirFair技术的一个局限是，它需要应用层指明关于每个业务流的信息，如比特率和延迟容限，并将其传送给接纳控制和调度模块。实际上，这类信息并不总是可用的，并且用于传送该信息的接口有待进行标准化和实现。
本发明的系统和方法提供了一种无TSPEC(业务说明)的公平通信时间分配控制机制，可以克服现有AirFair技术的局限性。本发明的系统和方法追踪每个链路所用的传输时间，检测传输时间是否有任何增加，并根据由此得到的使用模式执行通信时间的分配。
此外，本发明的系统和方法在分配通信时间时，不需要利用任何业务说明(TSPEC)，因此，对于大量的无线设备和应用而言，提高了业务质量特征。
附图说明
图1示出了依照本发明的一个实施例进行修改后的无线设备的简化框图；
图2示出了多个设备构成的无线通信网络，其中每个设备都是依照本发明进行了修改的；以及
图3示出了本发明的方法的FSD图。
具体实施方式
在下面的描述中，通过解释(而不是限制)方式，列出很多具体细节，如特定结构、接口、技术等等，以提供对本发明的透彻理解。但是，对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，本发明可以用任何不脱离这些具体细节的其它实施例来实现。
已经提出的很多QoS网络结构中一个很重要的组件就是分组调度算法，网络组件利用其确定通过在各个输入流所共享的输出链路上转发分组的顺序。该分组调度程序确定各个独立流的分组在共享输出链路上的转发顺序。最简单的一种算法就是先进先出(FIFO)，其中分组到达的顺序也就决定了它们通过该共享链路转发的顺序。虽然非常容易实现，但是FIFO显然不能强制保证QoS，因为它允许异常的流捕获该输出带宽中的任意一段。
一般而言，分组调度程序应该具有下面的特性：
1.公平性。该分组调度程序应该提供一定的手段，将多个竞争同一共享输出链路的流分离开。具体的说，每个流都应该得到可用带宽的公平份额，并且这种份额不应该受到其它流的存在和行为的影响。例如，这种份额可以是预先分配给该流的可用带宽量，而不考虑其它流的行为。
2.有限的延迟。交互式应用(如视频和音频会议)要求一个分组在网络中所经历的总延迟在端到端的基础上是有限的。该分组调度程序决定分组在该输出链路上发送的顺序，并且由此确定分组在网络中每个中间步骤所经历的排队延迟，以此确定总延迟。
3.低复杂度。选择下一个要调度的分组所用的时间必须很短并且与流的数量n无关。同样重要的是，对于那些资源有必要进行限制的设备来说，该调度算法必须可以在该无线设备中高效实现。
本发明的系统和方法在不同程度上都具有全部这三个特征。
依照本发明改进的无线设备100可以包括如图1的框图所示的结构的系统。每个无线设备100可以包括存储器102，该存储器包括n个队列101.1-101.n，由时间监控器104为它们分配流和权重。该时间监控器104监控每个队列所经历的每字节传输时间，并相应地调整队列的权重、重试限度和传输机会(TXOP)。该设备还包括队列级的调度器103，它利用权重对各个队列中的分组进行调度，以便由无线传输模块105通过无线信道106进行传输。
现在参照图3，在优选实施例中，在状态301下，一个流向设备100声明其需求，然后，在状态303下，各个延迟敏感型流(视频、语音、音频)分配到存储在设备100的存储器102中的不同队列i101.i(它限制了每个流的延迟)，然而，所有的非延迟敏感型业务流可选地打包放入单独的一个队列中，而不会对本发明的系统和方法的NT-AirFair(无业务说明的AirFair)分配方案的性能产生负面影响。在状态302下，为每个队列分配权重qi，new＝qi，old。之后，当接收到一个流的分组时，在状态304下，将这些分组置入一个适当的队列，该队列是在允许该流进入时确立的，然后由队列级调度器103依照它们预先分配的权重进行调度。但是，在本发明的系统和方法中，权重是动态调整的，以反映链路状况同时保持媒介分配的公平性。
如图1所示，对本发明的无线设备100的NT-AirFair修改与一个现有的队列级调度器103相配合，该队列级调度器103在每个流的基础上进行加权调度。现有的队列级调度器103可以位于操作系统内核、无线设备驱动器或者MAC中。该设备还包括时间监控模块104，用于计算每字节的窗口平均传输时间，记录该平均时间的增加量并相应地调整权重、重试限度和TXOP，同时也执行实现本发明所需的其它计算。在状态305下，当有分组要传输时，由该队列级调度器利用现有的加权调度方案来确定下一个要传输的分组。通常，该队列级调度器为n个不同的业务流中的每一个流i采用一个单独的队列，并且为这些队列分配不同的权重qi，i＝1，...，n，以用于高级的排队算法，如加权循环和加权公平排队算法，它们都基于优先级排队。但是，在优选实施例中，权重依照本发明的系统和方法进行调整，而不像它们在很多现有优先级队列方案中那样是静态的。
采用优先级排队，将每个到达的分组根据其优先级(可以是，如，高、中、标准和低)放置到一个队列中。高优先级队列是优选的，即，优选高优先级队列中的分组进行传输，而只有高优先级队列中没有分组等待传输时，低优先级队列才可以访问传输媒介。因此，在这样的方案中，高优先级队列得到服务的代价是，低优先级及更靠后的队列要经历传输延迟，甚至失败。
加权循环可以确保没有哪个队列占支配地位，而以其它队列为代价。加权循环排队算法在给队列分配优先级的情况下(即，通过定义该队列的长度)，以循环的次序传输整个队列。因此，队列越长，该队列的优先级就越高。加权循环方法处理更多的高优先级业务并且公平对待低优先级业务。
一个可以公平处理重和轻业务的更全面的方案是加权公平排队(WFQ)，它利用基于流的排队，动态地将链路带宽中适当的一部分分配给每个流(即，与其优先级等级相当)。也就是说，WFQ是(1)每流排队和(2)加权循环调度的结合。
在基于TSPEC的通信公平方案中，业务流的TSPEC用于计算该队列权重。设备驱动器中的一个模块测量每个业务流所用的通信时间。出队模块利用该信息和权重，通过调整该队列权重执行通信时间分配。
在本发明的未使用TSPEC的NT-AirFair的优选实施例中，假设每个流i都已经分配了初始权重qi，new＝qi，old，并且窗口大小t已经预定了。然后，在状态306下已经传输数据之后，在状态308下，在连续的大小为t的窗口上追踪数据每字节的传输时间(包括重传时间)，以生成每个业务流i在时间t上的序列Ti，j：
Ti，j(308)＝所用传输时间/分组大小，其中j＝1，2，...，并且i＝1，...，n。
另一方面，测量标准化的传输时间不包括MAC层和PHY(物理层)的开销所用的通信时间，以更精确地反映底层链路的状况：
Ti，j＝(所用传输时间-MAC头所用的开销时间)/分组大小，其中j＝1，2，...
这只适用于可变的PHY，其中开销时间是造成较长传输时间的主要原因。因此，本发明的NT通信公平算法的时间复杂度较低。
如果该序列Ti，j在窗口平均的基础上增加的量超过预定的门限，则在状态309下调整业务流i的队列权重qi，new，以相对于所有其它的业务流，降低该流i的相应已入队分组出队的优先级。优选实施例以与通信时间的增加量成反比例地调整该队列权重：
qi，new＝qi，old*(Ti，old/Ti，new)
平均的窗口大小t必须大到足以有效地消除链路状况的偶发波动造成的影响，同时也要小到足以能够快速对链路降级做出反应。
在基于优先级的MAC中，每个流类别中的延迟敏感型业务流很有可能被打包放入该设备驱动器和MAC中的一个队列。因为保存在一个队列中的分组会阻截该同一队列中的后继分组，所以，要区分出在队处理过程中进入不同电台的业务流是不切实际的，甚至是不可能的。因此，基于优先级的MAC需要基于非出队的区分机制。
在所有实施例中，测量并追踪每字节的标准化传输时间Ti，j。如果在状态308下检测到某个特定流的传输时间的增加超过了某个预定门限，则该分组和流的重试限度要被降低或置为0，以防止该流的分组反复尝试接入信道而阻挡了来自其它流的分组。不违规的流的重试限度保持不变。在状态309下，先前“允许的”传输时间也用于确定在新的重试限度下的最小PHY速率，以防止链路自适应模块将PHY速率设置得过低而造成该流连续地耗费大量的通信时间。
在所有实施例中，当分组传输失败时，在状态307下调整TXOP并在状态305下重新尝试传输。当超过该重试限度时，即该排队的分组在状态311被丢弃时，从而当到达重试限度时，可以防止分组堆积在队列中。
与在状态310下重置该重试限度相结合，也可以为每个流将TXOP设置为“允许的”通信时间。因为一个单独的队列可以保存来自不同业务流的分组，所以，需要在每个分组的基础上估计和重置该TXOP。
在优选实施例中，无TSPEC(业务说明)通信公平(或者NT-AirFair)可以在协议栈的其它部分中实现，如：
●在操作系统内核的排队模块中；
●无线设备驱动器；以及
●MAC。
现在参照图2，无线网络200中的接入点(协调多个电台)201.1和电台201.2-201.n都可以执行根据本发明的NT-AirFair，其中每个设备或电台201.1还依照本发明配备了如图1所示的装置(100)。
本发明可以应用于无线局域网(802.11)IC、无线个域网IC、无线视频服务器和接收器、无线媒体适配器、媒体PC和无线视频传输模块。
虽然已经举例说明并描述了本发明的优选实施例，但是本领域普通技术人员应该理解，可以做出各种改变和修改，并且可以在不脱离本发明的主旨的情况下可以用等同物进行替代。此外，为了适应特定的情形可以做出很多修改，如根据链路状况动态调整窗口尺寸，并且可以在不背离本发明的中心范围的情况下以等价的方式适当调整本发明的教义。因此，本发明并不仅限于这里公开的作为实施本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明包括任何处于所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (35)

1、一种装置(100)，用于无TPSEC(业务说明)通信时间公平传输控制管理，包括：
存储器(102)，其包括n个队列(101.i)，所述n个队列有相应的预定调度权重qi，old＝qi，new，i＝1，2，...，n；
队列级调度器(103)，分别依据预定的队列分配方案(302)(303)和使用所述权重qi，new，i＝1，2，...，n的加权传输调度方案(305)，将收到的分组入队(304)，并且让所述n个队列(101.i)之一中的至少一个流的入队分组出队(305)以便进行传输；
时间监控器模块(104)，用于判断对于至少有一个流已入队的每个队列而言，每字节的传输时间Ti，t，j(308)是否有所增加，并且依据预定的权重调整方案，对相应的调度权重qi，new，i＝1，2，...，n进行调整。
2、如权利要求1所述的装置(100)，还包括：
基于优先级的MAC；
所述队列级调度器(103)包括在一个组件内，该组件是从由操作系统内核的排队模块、设备驱动器和MAC构成的组中选出的；并且
其中，所述队列级调度器(103)将每一流类别的延迟敏感型业务流置入(302)(304)每一流的相应队列(101.i)中。
3、如权利要求1所述的装置，其中，所述时间监控器(104)对于预定窗口大小t，计算Ti，j(308)作为每字节的窗口平均传输时间。
4、如权利要求1所述的装置，其中，所述分配方案包括：
将各个延迟敏感型流置入所述n个队列(101.i)中不同的队列内(302)。
5、如权利要求4所述的装置，其中，所述时间监控器(104)对于预定窗口大小t，计算Ti，j(308)作为每字节的窗口平均传输时间。
6、如权利要求1所述的装置，其中，所述分配方案包括：
将所有非延迟敏感型流置入所述n个队列(101.i)中一个单独的队列(303)内。
7、如权利要求6所述的装置，其中，所述时间监控器对于预定窗口大小t，计算Ti，j(308)作为每字节的窗口平均传输时间。
8、如权利要求1所述的装置，其中，所述分配方案包括：
将各个延迟敏感型流和所有非延迟敏感型流置入所述n个队列(101.i)中不同的队列(302)内。
9、如权利要求8所述的装置，其中，所述时间监控器对于预定窗口大小t，计算Ti，j(308)作为每字节的窗口平均传输时间。
10、如权利要求9所述的装置，其中，所述加权传输调度方案是从由加权循环方案和加权公平排队方案构成的组中选出的。
11、如权利要求10所述的装置，其中
Ti，j(308)＝所用传输时间/分组大小，其中j＝1，2，...，且i＝1，...，n；以及
所述预定的权重调整方案(310)获取所述窗口t上的序列Ti，j(308)，其中j＝1，...k，如果该序列在窗口平均的基础上增加的量超过预定的门限，则与所述增加量成反比例地调整所述队列权重。
12、如权利要求11所述的装置，其中，依照下面的公式调整(309)所述队列权重：
qi，new＝qi，old*(Ti，old/Ti，new)。
13、如权利要求11所述的装置，其中，所述预定的权重调整方案还包括：
调整流I的重试限度，以及
确定在所述已调整的重试限度(309)下的最小PHY速率。
14、如权利要求13所述的装置，其中，所述预定的权重调整方案还包括：
将TXOP(309)设为预定的允许通信时间。
15、如权利要求13所述的装置，其中，所述调整是从以下二者构成的组中选出的：
将所述重试限度降低预定的降低量(309)；以及
将所述重试限度设置为0。
16、如权利要求15所述的装置，其中，所述预定的权重调整方案还包括：
将TXOP(309)设为预定的允许通信时间。
17、如权利要求16所述的装置，其中，所述装置(100)是从一个组中选出的，该组包括：
IEEE802.11无线局域网(LAN)集成电路(IC)、无线个域网(PAN)IC、无线视频服务器、无线视频接收器、无线媒体适配器、媒体个人计算机(PC)和无线视频传输模块。
18、一种通信网络(200)，用于无TPSEC(业务说明)的通信时间公平传输控制管理，该通信网络(200)包括多个设备(201.i)，其中每个设备包括如权利要求17所述的装置(100)。
19、一种通信网络(200)，用于无TPSEC(业务说明)的通信时间公平传输控制管理，该通信网络(200)包括多个设备(201.i)，其中每个设备包括如权利要求16所述的装置(100)。
20、一种方法，用于无TPSEC(业务说明)的通信时间公平传输控制管理，包括下列步骤：
提供n个队列(101.i)，其中每个队列都有相应的预定调度权重qi，old＝qi，new，i＝1，2，...，n；
依照预定的队列分配方案，将至少一个流的接收分组置入(302)(303)(304)所述n个队列中相应的队列内；
依照使用所述权重qi，new，i＝1，2，...，n的加权传输调度方案，让已入队的分组出队(304)，以便进行传输；
判断(310)每个队列的每字节传输时间Ti，j(308)是否有所增加；以及
根据预定的权重调整方案对所述相应的调度权重qi，new，i＝1，2，...，n进行调整(309)。
21、如权利要求20所述的方法，还包括下列步骤：
提供基于优先级的MAC；以及
所述入队步骤还包括：在一个组件中，将每个流类别的延迟敏感型业务流置入每个流(302)的相应队列中，所述组件是从由操作系统内核的排队模块、设备驱动器和MAC构成的组中选出的。
22、如权利要求20所述的方法，其中，所述判断步骤还包括下列步骤：
对于预定窗口大小t，计算Ti，j(308)作为每字节的窗口平均传输时间。
23、如权利要求20所述的方法，其中，所述队列分配方案包括下列步骤：
将各个延迟敏感型流分配(302)给所述n个队列(101.i)中的不同队列。
24、如权利要求23所述的方法，其中，所述判断步骤还包括下列步骤：
对于预定窗口大小t，计算Ti，j(308)作为每字节的窗口平均传输时间。
25、如权利要求20所述的方法，其中，所述队列分配方案包括下列步骤：
将所有非延迟敏感型流分配给(303)所述n个队列(101.i)中一个单独的队列。
26、如权利要求25所述的方法，其中，所述判断步骤还包括下列步骤：
对于预定窗口大小t，计算Ti，j(308)作为每字节的窗口平均传输时间。
27、如权利要求20所述的方法，其中，所述分配方案包括下列步骤：
将各个延迟敏感型流分配给(302)所述n个队列(101.i)中相应的队列；以及
将所有非延迟敏感型流分配给(303)所述n个队列(101.i)中相应的队列。
28、如权利要求27所述的方法，其中，所述判断步骤还包括：
对于预定窗口大小t，计算Ti，j(308)作为每字节的窗口平均传输时间。
29、如权利要求28所述的方法，其中，所述加权传输调度方案是从由加权循环方案和加权公平排队方案构成的组中选出的。
30、如权利要求29所述的方法，其中，
Ti，j(308)＝所用传输时间/分组大小，其中j＝1，2，...，并且i＝1，...，n；并且，
所述预定的权重调整方案包括下列步骤：
i.获取所述窗口t上的序列Ti，j(308)，其中j＝1，...k；以及
ii.判断(310)所获取的序列在窗口平均的基础上增加的量是否超过预定门限；以及
iii.当所述增加量超过所述门限时，与所述增加量成反比例地调整(309)所述队列权重。
31、如权利要求30所述的装置，其中，所述调整所述队列权重的步骤(309)使用下面的公式：
qi，new＝qi，old*(Ti，old/Ti，new)。
32、如权利要求30所述的方法，其中，所述预定的权重调整方案还包括下列步骤：
调整(309)所述重试限度；以及
确定(309)在所述已调整的重试限度下的最小PHY速率。
33、如权利要求32所述的方法，其中，所述预定的权重调整方案还包括下列步骤：
将TXOP(309)设为预定的允许通信时间。
34、如权利要求32所述的方法，其中，所述调整所述重试限度的步骤(309)包括从一个组中选择调整方案，该组包括：
将所述重试限度降低预定的降低量，以及；
将所述重试限度设为0。
35、如权利要求34所述的方法，其中，所述预定的权重调整方案还包括下列步骤：
将TXOP(309)设为预定的允许通信时间。
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