CN101138208A - 利用周期性的信道时间分配来提供服务质量信息 - Google Patents

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Abstract

为了基于最小等待时间要求，例如不小于4毫秒，或者基于最小保留块长度的介质使用效率或功耗要求来分配介质访问时隙MAS，需要在超帧内让高效率和低等待时间方案(或类别)共存，给予这两者以平等支持。低等待时间和高效率方案之间相邻可用MAS的最大化能够保证省电和节省系统开销而不会影响对低等待时间应用的支持。

Description

利用周期性的信道时间分配来提供服务质量信息
本申请要求2004年3月8日递交的第60/659,612号在先美国申请的优先权，在这里明确地将它引入作为参考。
随着信道调制技术的发展，无线通信带宽显著增大，使得无线介质成为有线和光纤方案的可行替换。在数据和语音通信中，无线连接的应用继续扩大范围。这些设备包括移动电话、无线网络(例如无线局域网(WLANS))中的便携式计算机，以及音频/视频流、视频/音频电话、无线网络中的静止计算机以及便携式手机等等。
每个无线网络都包括多个层和子层，例如介质访问控制(MAC)子层和物理(PHY)层。MAC层是开放式系统互联(OSI)栈中数据链路层的两个子层的较低层。MAC层在需要同时访问同一无线介质的许多用户之间进行协调。
MAC层协议包括多条规则，这些规则规范着对网络内用户共享的广播介质的访问。众所周知，已经定义了几种不同的多址技术(常常称为MAC协议)，用于在规范MAC层的协议中工作。这些包括但不限于载波侦测多址(CSMA)、频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。
尽管一些标准和协议支持显著地改善对语音和数据业务的控制，但是在支持服务质量(QoS)要求的同时，对以已经增大的信道速率进行网络接入的需求的不断增长，已经在要求连续不断地评估协议和标准及其改变。例如，许多已知的协议，例如WiMedia超宽带(UWB)MAC1.0(作为ECMA标准368公布)以及其它不是基于时隙的WLAN，例如IEEE802.11，要求基于应用流的业务指标(TSPEC)，将来自应用的QoS要求向下传递到联网栈的较低层。收到应用流的TSPEC的时候，较低层，比如MAC，分配资源来为业务流提供服务，以满足QoS要求。在各种MAC协议中，一种这样的资源是能够用于发射数据或其它信息的播出时间。在这些无线MAC协议中提供服务质量信息一般涉及根据例如TSPEC中指定的服务质量要求分配播出时间。例如，在基于时隙的MAC协议中，例如在WiMedia超宽带MAC中，有各种途径来分配介质访问时隙(MAS)(例如介质访问时间)，它们导致延迟、节电等方面的性能差异。
为数据分配连续的播出时间块或者播出时间发射会给应用流带来很大的最大服务间隔。这会引起大的延迟。但是，为超帧过程中的数据发射均匀分布的较小时间分配要求发射设备频繁“苏醒”。每次苏醒需要200～300微秒，等于一个MAS的时间。这会导致节电性能下降。另外，在超帧过程中太多较小的分布的时间分配片段还可能导致无法发射整个数据包。此外，为超帧内数据发射要求分配的MAS片段增加了系统开销量。系统开销可能是例如MAC帧间空间(IFS)、分组化延迟，并且在超帧的结尾，如果没有足够的时间发射，发射机将不得不等待后面的服务间隔来发送它的整个数据包。
因此，需要一种方法和系统来克服所描述的已知方法的缺点。
一方面，在无线网络中分配介质访问时间的一种方法包括以下步骤：基于发射指标、延迟要求和本地资源确定应用流的周期性服务间隔；定义所述应用流的低等待时间类别和高效率类别；基于所确定的周期性服务间隔将所述应用流划分成所述低等待时间类别和高效率类别之一；基于所述划分步骤在所述超帧内分配介质访问时间。
在一个实施例中，所述定义步骤包括为所述周期性服务间隔建立门限。
在一个实施例中，所述划分步骤包括确定所述周期性服务间隔是否超过所述门限。
在一个实施例中，所述分配步骤包括在将所述周期性服务间隔划分成低等待时间类别的时候，在可以用于发射的多个分配区的每一个中，在超帧上均匀地分布介质访问时隙的步骤。
在一个实施例中，所述分配步骤包括在将所述周期性服务间隔划分成高效率类别的时候，分配相邻的介质访问时隙。
在一个实施例中，在超帧上均匀地分布介质访问时隙的步骤包括在超帧的二维表示的一个特殊部分内分配介质访问时隙的位置。
在一个实施例中，分配相邻的介质访问时隙包括在超帧的二维表示的一个特殊部分内分配介质访问时隙的位置。
一方面，在无线网络中分配介质访问时间的一种方法包括以下步骤：基于每个应用流的发射指标、延迟要求和本地资源确定至少两个应用流中每一个的周期性服务间隔；为所有应用流定义低等待时间类别和高效率类别；基于所确定的周期性服务间隔将所述至少两个应用流中的每一个应用流划分成所述低等待时间类别和高效率类别之一；基于所述划分步骤在超帧内分配介质访问时间。
在一个实施例中，所述分配步骤包括使超帧的二维表示中低等待时间类别应用流和高效率类别应用流之间的距离最长。
一方面，一种分配介质访问时隙的系统包括：
多个无线设备(101)，所述无线设备中的每一个包括多个无线设备。这些无线设备中的每一个都包括：发射机，用于发射信号；接收机，用于接收所述信号；  处理器；以及电源；其中所述处理器基于应用流的TSPEC、延迟要求和本地资源确定周期性服务间隔；定义所述应用流的低等待时间类别和高效率类别；基于所确定的周期性服务间隔将所述应用流划分成所述低等待时间类别和高效率类别之一；以及基于所述划分在所述超帧内分配介质访问时间。
通过以下说明，同时结合附图，能够很好地理解本发明。要强调的是不是各个特征都按比例画出。事实上，为了方便讨论，对尺寸进行了调整。
图1是一个示例性实施例中共享介质的无线通信网络系统的一个框图；
图2是一个示例性实施例中超帧的时间图；
图3是超帧的二维表示；
图4说明在无线网络上发射信息的一种方法；以及
图5说明在超帧中分配MAS的一种方法。
在以下的详细描述中，为了进行说明而不是为了进行限制，给出了公开具体细节的示例性实施例，以帮助全面理解这些示例性实施例。但是，对于本领域技术人员而言，有了本发明的这些公开，偏离这里公开的具体细节的其它实施例也是显而易见的。此外，省去了对众所周知的装置、方法、系统和协议的描述，以免喧宾夺主。然而，可以按照这些示例性的实施例应用在本领域技术人员知识范围之内的这些装置、方法、系统和协议。最后，只要可行，相似的标号表示相似的特征。
简而言之，根据这些说明性的实施例，描述了提高分布式无线网络中效率和吞吐量的方法和系统。这些方法和系统计算满足延迟要求的最大服务间隔以及一个或多个应用流的TSPEC。这是通过例如分配相邻的MAS(也就是介质访问时间的一些部分)来使得数不清的“苏醒”操作带来的电力损耗最小化来实现的。
根据这里描述的示例性实施例，分布式的(也就是基于时隙的)无线网络按照WiMedia MAC1.0工作。当然，这仅仅是说明性的，并且其它的MAC协议也可以结合通过示例性的实施例描述的网络中装置的共享。这些包括但不限于，当前WiMedia MAC协议的后续版本，以及具有防冲突功能的其它载波侦测多址(CSMA/CA)协议或者时分多址(TDMA)协议。另外，还可以将这里描述的实施例应用于不是基于时隙的介质访问的WLAN，例如IEEE 802.11 WLAN。要强调这些协议仅仅是说明性的，还能够按照这些示例性的实施例实施本领域技术人员了结的其它协议。
图1说明一个示例性的实施例中包括共享通信介质(也就是共存)的多个无线设备或系统的无线网络系统。无线设备/系统101可以向发射范围102之内的其它无线设备101发射或从其接收(或者两者)业务信号104。此外，可以有在特定无线设备/系统101范围102以外，但是在特定设备101’的范围之内的其它无线设备/系统103。无线设备101包括收发信机110(例如任何已知的发射机/接收机组合，或者分离的发射机和接收机)、处理器111(例如处理信息比特的任何已知的设备)和电源112(例如电池)。
图2是第一信标201和第二信标202之间的超帧的时间图200。在这里，将信标的起点称为信标周期起始时间(BPST)，在信标之间具有预先规定的时间周期。在一个示例性的实施例中，将超帧划分成多个介质访问时隙(MAS)203，按照示例性的实施例它们支持有组织的发射和接收。在一个说明性的实施例中，有256个时隙203，每个时隙都有近似256微秒，因此在这个示例性的实施例中，超帧的整个持续时间大约是65.536毫秒(因此在BPST之间有65.536毫秒)。当然，时隙203的数量和持续时间仅仅是为了用于说明，而不是限制时隙203。
在每个超帧200的开头，有一个信标间隔204。随着对本发明的描述，将会逐渐明白信标间隔204使得车辆能够共享网络100的设备/系统(例如设备101、103)的可用度信息，以及设备/系统发送业务信号给示例性的实施例的无线网络100的其它设备/系统的需求。
在信标间隔204后面是服务间隔206。每个服务间隔包括特定数量的时隙。不同的应用流需要不同数量的时隙203来为完整的数据包发射确保适当的介质访问。发射机里的处理器确定它需要多少业务间隔来发射它的数据包。这一确定是通过分析应用流的带宽要求、延迟要求和TSPEC来实现的。另外，服务间隔是周期性的(也就是在信标间隔204和服务间隔206的几个循环中出现)。
为了计算周期性服务间隔，处理器(例如图1中的处理器111)按照TSPEC和本地资源(例如缓冲器大小)计算服务速率g。本地资源还可以是例如发射机在其工作的MAC内发射数据所需要的介质时间和缓冲器空间。处理器还通过利用计算出来的g来计算应用流的脉冲串大小引起的排队延迟dq。最大服务间隔206可以基于延迟要求计算出来。例如，可以按照如下方式计算基于时隙的介质访问机制，例如WiMedia UWB：
SI≤ds-dq
其中ds是延迟要求，dq是应用流脉冲串大小引起的附加排队延迟。
图3是超帧200的二维表示。y轴是在向下的方向上顺序递增的MAS。x轴是在水平方向上(也就是图中从左到右)顺序递增的分配区。分配区1～15表示相邻的MAS的分组。按照时间顺序，x＝2和y＝1的MAS跟在x＝1和y＝15的MAS后面。根据现有技术，给进来的应用流预先分配高效率方案或低等待时间方案，具体情况取决于MAC的服务质量要求和应用方案要求。在低等待时间方案中，数据发射以排他性的方式在MAS时隙中进行(例如行组件)，其中x＝1，y＝15；x＝2，y＝15；……；x＝15，y＝15。在图3中，块302描述用于MAS分配的低等待时间方案。这个方案例如每4.096毫秒强迫苏醒一次，并且每次苏醒只允许最多一个MAS用于发射。对于每一苏醒这需要电力，并且因为系统开销而效率较低。
对于高效率方案，采用相邻的MAS块。图3中的实例描述了在MAS时隙x＝4，y＝{0,...，7}和x＝2，y＝{0,...，7}中的数据发射。这些相邻的MAS块通过减少苏醒次数并且包括减少系统开销来降低电力消耗。图3中的块303、303’描述了用于MAS分配的一种高效率方案。
为了基于例如不小于4毫秒的最低等待时间要求，或者基于介质使用效率或对于最小保留块长度的功耗要求来分配MAS，高效率和低等待时间方案(或种类)需要在超帧内共存，并且给予两者相同的支持。
作为一个实例，WiMedia UWB MAC1.0调用构造成16个分配区(例如图3中的x轴)和16个行组件(例如图3中的y轴)的256个MAS超帧。这要求支持应用流所需要的高效率方案和同一应用流或另外的应用流所需要的低等待时间方案。一种可能策略是：
(1)针对16行组件的每个子集严格应用低等待时间分布。一个实例是在分配区的两端之一在行组件上(例如15个MAS的一些部分，其中x＝{2,...，15}并且y＝15)分布单个流。
(2)为其余行组件(例如在落入沿着不在行组件的前一个子集之内的x轴的分配内相邻的一些MAS部分)去除均匀分布限制。这样就能够确定设备所需要的周期性服务间隔是否超过门限301，从而需要在每个行组件中MAS的均匀分布)。
(3)如果某个应用流的周期性服务间隔需要超过门限301的MAS分配，这就需要高效率方案并且在可用分配区的一个子集内分配相邻的块。在这种情况下，应该在二维超帧表示相对侧上分配区内分配MAS，使得高效率和低等待时间方案之间的相邻可用MAS最大。
可能有两个设备，它们有不同的应用流，并且希望在同一个超帧内发射。每个应用流会有周期性服务间隔，它们可能需要高效率或低等待时间方案。此时，必须从每个应用流的相应TSPEC确定每个应用流的周期性服务间隔。将每个周期性服务间隔划分成高效率或低等待时间，并且在二维超帧表示相对侧上分配区内分配MAS，使得两个方案之间的相邻可用MAS最大。也可以在单个分配区内，或者在交替的分配区内为需要高效率方案的多个流分配MAS。
低等待时间和高效率方案之间相邻可用MAS的最大化保证了省电和系统开销最小，而不会影响对低等待时间应用的支持。
图4是在无线网络中分配介质访问时间的方法流程图。在步骤401中，处理器基于应用流的发射指标(TSPEC)、延迟要求和本地资源确定周期性服务间隔。这个确定还可以针对具有多个特性的多个应用流进行。在步骤402中，处理器定义高效率和低等待时间方案。这一定义可以保存在处理器中，在查阅表中提供，或者按照本领域公知的任何其它方式定义。在步骤403中，处理器根据功率敏感性和MAS可用度将应用流划分成高效率或低等待延迟的。然后，处理器分配发射机能够基于步骤404中的分类在其中发射数据的MAS。
图5描述步骤404的其它子步骤。在步骤501中，处理器在将周期性服务间隔分成低等待时间类别的时候，在可以用于发射的多个分配区中的每一个里，在超帧上均匀分配介质访问时隙。在步骤502中，处理器在将周期性服务间隔划分成高效率类别的时候，分配相邻的介质访问时隙。在步骤503中，处理器通过为低等待时间类别应用流在超帧的二维表示的一个特殊部分内分配介质访问时隙的位置，在超帧内均匀地分布介质访问时隙。在步骤504中，处理器为高效率类别应用流在超帧的二维表示的一个特殊部分内分配相邻的介质访问时隙。步骤501～504可以在步骤404中单独出现，也可以按照任意时间顺序出现。步骤501～504中的一些步骤可以根本不出现。
要注意，这里描述的各种方法和设备可以用硬件和软件实现，这对于在分布式无线网络中实现有效的介质访问和共享是公知的。此外，只是以实例的形式而不是以限制的形式包括了各种方法和参数。利用本说明，本领域技术人员能够实现各种示例性的设备和方法来确定他们自己的技术和需要的装备来实现这些技术，同时仍然在后面的权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.在无线网络(100)中分配介质访问时间的一种方法，该方法包括：
基于发射指标(TSPEC)、延迟要求和本地资源确定(401)应用流的周期性服务间隔(206)；
定义(402)所述应用流的低等待时间类别(302)和高效率类别(303)；
基于所确定的周期性服务间隔(206)将所述应用流划分(403)成所述低等待时间类别(302)和高效率类别(303)之一；
基于所述划分步骤(403)在所述超帧(200)内分配(404)介质访问时间。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述定义步骤(402)还包括为所述周期性服务间隔(206)建立门限(301)。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述划分步骤(403)还包括确定所述周期性服务间隔(206)是否超过所述门限(301)。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述分配步骤(404)还包括在将所述周期性服务间隔划分成低等待时间类别的时候，在可以用于发射的多个分配区的每一个中，在超帧上均匀地分布介质访问时隙(501)的步骤。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述分配步骤(404)还包括在将所述周期性服务间隔(206)划分成高效率类别(303)的时候，分配(502)相邻的介质访问时隙。
6.如权利要求4所述的方法，其中在超帧(501)上均匀地分布介质访问时隙的步骤还包括在超帧(200)的二维表示的一个特定部分内分配(503)介质访问时隙的位置。
7.如权利要求5所述的方法，其中分配相邻的介质访问时隙(502)还包括在超帧(200)的二维表示的一个特定部分内分配(504)介质访问时隙的位置。
8.在无线网络(100)中分配介质访问时间的一种方法，该方法包括：
基于每个应用流的发射指标(TSPEC)、延迟要求和本地资源确定(401)至少两个应用流中每一个的周期性服务间隔(206)；
为所有应用流定义(402)低等待时间类别(302)和高效率类别(303)；
基于所确定的周期性服务间隔(206)将每一个应用流划分(403)成所述低等待时间类别(302)和高效率类别(303)之一；
基于所述划分步骤(403)在超帧(200)内分配(404)介质访问时间。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述分配步骤(404)还包括使超帧(200)的二维表示中低等待时间类别(302)应用流和高效率类别(303)应用流之间的距离最长。
10.一种分配介质访问时隙的系统，包括：
多个无线设备(101)，所述无线设备中的每一个包括：
发射机(110)，用于发射信号；
接收机(110)，用于接收所述信号；
处理器(111)；以及
电源(112)；
其中所述处理器(111)基于应用流的TSPEC、延迟要求和本地资源确定周期性服务间隔；定义(402)所述应用流的低等待时间类别(302)和高效率类别(303)；基于所确定的周期性服务间隔(206)将所述应用流划分成所述低等待时间类别(302)和高效率类别(303)之一；以及基于所述划分在所述超帧(200)内分配介质访问时间。
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