CN101142789A - 区分服务的无线网络中的QoS测量和监视 - Google Patents

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Abstract

无线网络(100)包括多个无线电台(QSTA)(102)和一个接入点(QAP)(101)。对于每一种或多种业务类型，该QAP或一个或多个QSTA或二者测量延迟数据或队列数据或二者。可以根据测量的延迟数据或队列数据或二者，调整QSTA或QAP的网络参数。还描述了一种无线通信方法。

Description

区分服务的无线网络中的QoS测量和监视
技术背景
无线连接技术在数据和话音通信中的应用仍在增长。因此，无线通信带宽随着信道调制技术的发展而显著增加，从而使无线局域网(WLAN)成为有线和光纤解决方案的真正取代品。
众所周知，标准通常是用来管理WLAN的。一种这样的标准是IEEE 802.11。IEEE 802.11标准涵盖WLAN的媒体接入控制(MAC)子层和物理(PHY)层的规范。
虽然802.11标准在话音和数据业务控制方面已经取得了很大进步，但是，对网络接入的需求以提高的信道速率持续增长，同时支持服务质量(QoS)需求，这需要持续评估标准及其某些变形。例如，已经对支持WLAN中的实时多媒体服务(例如，流视频)以及继续支持网络中的遗留语音和数据业务付出了很大努力。IEEE 802.11E在一定程度上解决了这些问题。
802.11E标准源自需要通过共同的信道发送多媒体和现有业务。应当认识到，多媒体业务与许多现有应用相比需要不同量的带宽和不同的信道接入延迟时间。为了试图通过协调媒体接入而提高网络的效率，接入点(QAP)或网络的主机通过多种方法中的一种方法准许接入媒体。这种媒体接入准许是基于标准的，并通常称之为服务区分。
一种用于协调WLAN的工作信道的接入/使用的技术是轮询。在轮询过程中，无线站(QSTA)在有某些要求(例如，流要求)的情况下向QAP传输信号。各QSTA将会把应用需求发送到QAP，QAP根据这些需求预留媒体(信道)。这样，通过特定的接入需求而不是通过普通的应用类型而准予媒体接入。这种媒体接入预留被称为业务规范(TSPEC，traffic specification)协议，并且是一种服务区分。
在接收到请求之后，QAP于是拒绝或接受该请求。向那些接受了流的QSTA发出论询，论询实际上是准许信道接入权限在指明的持续时间内的准许。
802.11E标准中描述了另一种优先级排序方法。这种方法将应用分成业务类，并且各类具有不同的接入优先级。根据这种方法，每一类业务或业务类型与较低的优先级业务相比具有不同的信道接入概率。
虽然上述区分服务的方法已显著提高了无线系统的能力，但增大的应用需求需要进一步改善。一种公知的改善是通过监视和测量在所提议的修订版802.11H和802.11K中包括的各种信道状态数据。
所提议的802.11H修订版包括监视频率，从而确保某些雷达设备未正在进行发送。如果这些设备正在进行发送，则QAP需要QSTA改变到不同的信道频率，例如，为了避免与雷达发生干扰。
所提议的802.11K修订版包括通过当前的QAP监视并测量关于邻近的QAP的信息、对QAP或其他QSTA隐藏的噪声的有关信息以及在所定义的时间阶段内获取的噪声直方图。
802.11H和802.11K的测量和监视技术可以用于提高无线网络中的网络管理。但是，这些公知的网络测量和监视技术不能满足区分服务网络的需要。例如，当前的测量和监视方法不能区分不同类型的业务。
IEEE 802.11k(例如，部分IEEE 802.1t tgK-D4.0部分7.3.2.22.10，标题为QoS Metrics Report)要求监视、存储、请求并报告区分服务无线网络中的数据。这使得QSTA将所测量的统计值报告给QAP，其包括在现有802.11网络(例如，802.11e MIB)中定义的管理信息基础(MIB)计数器。但是，这种测量需要测量平均延迟的普通技术。对于在802.11设备中实现而言，这并不是最佳的。例如，为了使用标准方法计算n个采样的平均延迟，QSTA将必须存储n个值，并执行n-1次加法和一次除法运算。因此，根据所需要的采样个数，标准方法可能导致需要更大的存储器和计算量。因此，这会消耗移动设备(其中的电池寿命至关重要)中的功率资源。
根据现有技术方法，为了维持平均延迟测量电流，QSTA将必须更新每个新的成功发送的帧的平均延迟或每个丢弃的帧的平均延迟，因为已经达到了重试限度或错过了延迟界限。现有技术中的更新需要较高的计算和存储成本，以保持更新过的平均延迟，尤其在高业务速率中。
举例而言，数据是延迟数据和队列数据。在示例性实施例中，对于每一种接入种类、每一种业务流、每一种用户优先级或每一种站，可以收集延迟数据或队列数据或两者。注意，这些业务类型仅仅是示例性的，对于处于无线领域的普通技术人员的理解范围内的其他业务类型而言，也可以收集这些数据。
有益的是，数据接入能够使QSTA或QAP知道要实现的QoS的等级和系统状态(延迟、队列长度等等)的消息。此外，使用这些数据，QAP可以识别出正在发生的问题(延迟或无法接受的队列长度等等)，或者，识别出当某种趋势继续时可能出现的问题；问题出现在什么地方；以及问题的大小。然后，QAP可以采取纠正或缓解步骤，从而试图解决问题。此外，使用这些数据，QSTA可以做出某些决定，例如，决定加入邻近的网络，或者，请求更多的时间以接入媒体。
发明内容
因此，需要一种用于无线通信的方法、设备和计算机可读介质，以至少克服上述公知的方法和装置的缺陷。
根据一个示例性实施例，无线网络包括：MAC；PHY；处理器，用于测量QoS参数；事件采样器，用于对QoS参数的实例进行采样；存储设备，用于存储先前计算出的QoS参数；调整模块，根据测量的QoS参数而调整先前计算出的QoS参数；控制器，用于调整MAC、PHY或MAC和PHY二者的至少一个网络参数。
根据另一个示例性实施例，一种无线通信方法，包括：测量采样操作中的QoS度量参数；将测量的QoS度量参数存储在存储器中；根据所存储的测量的QoS度量参数，更新一系列QoS度量参数的平均值；至少部分地根据所述更新的平均值，调整至少一个网络参数。
附图说明
结合附图阅读以下的详细描述，可以更好地理解这些示例性实施例。需要强调的是，不同的特征不一定是按比例画出的。实际上，为了便于讨论起见，可以任意增加或者缩减尺寸。
图1是根据一个示例性实施例的无线局域网的框图；
图2是根据一个示例性实施例获取并存储延迟或队列数据或两者的方法的流程图；
图3示出了使用现有技术方法用于延迟更新处理的流程图；
图4示出了用于更新平均延迟的方法的流程图；
图5示出了用于确定平均延迟的设备；以及
图6示出了根据所测量的QoS参数调整网络参数的设备。
具体实施方式
在以下详细的描述中，出于说明目的而不是限制目的，给出了公开具体细节的示例性实施例，以便透彻理解本发明。但是，对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，通过阅读当前公开的内容，本发明也可以使用不脱离这里公开的具体细节的其他实施例来实现。此外，为了使本发明的描述重点突出、主次分明，众所周知的设备、方法和材料在这里不再赘述。无论在哪里使用，相同的标号都表示相同的特征。
图1示出了根据一个示例性实施例的网络100。网络100包括至少一个QAP 101，其通过无线基础设施(未示出)与多个QSTA 102相连。注意，在该示例性实施例中，示出了四个QSTA 102。这是为了便于清楚地讨论这些示例性实施例。
QSTA 102示例性地是便携式设备，例如，个人计算机、消费电子产品、手机、个人数字助理(PDA)或经由网络而有效连接的其他设备。根据示例性实施例，网络100和其部件基本上遵守IEEE 802.11标准及其衍化版本。例如，网络100是WiFi网络或其他类型的无线局域网(WLAN)。网络100还包括本应用的示例性实施例的变通和改进。
在工作时，QAP 101控制不同的QSTA 102之间的通信。为此，QAP 101通过QSTA 102协调语音、视频和数据的传输。根据一个示例性实施例，QSTA 102仅通过QAP 101彼此相连。根据另一个示例性实施例，QSTA可以与一个或多个QSTA进行通信，而不必首先发送到QAP 101。把前一个实施例称为上行链路，而把后一个实施例称为直接链路。虽然WLAN 100的这些方面的细节与示例性实施例的一般理解密切相关，但这些细节对于本领域的普通技术人员而言一般是公知的。因此，未包括这些细节，从而避免使这些示例性实施例变得模糊不清。
图2是根据一个示例性实施例获取并存储延迟数据或队列数据或两者的方法的流程图。结合图1的网络100描述图2的方法。应当强调的是，这仅仅是示例性的，可以联想到本方法可以用其他类型的无线网络来实现。如上所述，QAP 101或QSTA 102或两者想要获取并存储所选的业务类型或多种业务类型的延迟或队列数据。为此，在某些示例性实施例中，QAP获取并存储延迟或队列数据。在其他示例性实施例中，一个或多个QSTA 102获取并存储延迟队列数据。在其他示例性实施例中，QAP 101和一个或多个QSTA 102获取延迟或队列数据。
在步骤201中，QAP 101或QSTA 102选择统计量和测量参数。这些参数包括、但不限于：平均延迟、最大延迟、最小延迟、延迟的标准差或方差以及延迟的直方图。同样，QAP 101或QSTA 102可以从与队列相关的以下统计量和测量参数中进行选择：平均队列长度、最大队列长度、最小队列长度、队列长度的标准差或方差以及队列长度的直方图。
在步骤202中，对于所需要的一种业务类型或多种业务类型，QAP 101或QSTA 102或两者获取所选参数的所需数据。此外，这些业务类型包括、但不限于：接入类别、业务流、用户优先级或站。数据的获取是通过监视与所选的业务类型中的特定参数有关的性能而实现的。例如，QAP 101可以在信标间隔或服务间隔中监视每一个接入分类的延迟，从而在该间隔中确定平均延迟。或者，相关数据的获取也可以通过一个节点向另一个节点发出请求而实现。例如，如果QAP想要从QSTA获取与业务类型有关的延迟或队列数据，则它可以通过请求而从QSTA获取这些数据。
在步骤203中，一个或多个QSTA 102可选地将所获得的数据传送到QAP 101。这种传送可以是从QAP 101到QSTA 102的传送的请求结果；或者，可以是从QSTA 102到QAP 101的未被请求的传送。
在步骤204中，QSTA 102或QAP 101将相关数据存储起来。此外，如果要进行计算，则这些计算可以在步骤204中实现。例如，对于预定数量的数据分组，QAP 101可以获得队列长度的统计平均值。在步骤204期间，并在步骤202中获得数据之后，QAP 101可以计算该平均值。
在步骤205中，如果需要的话，则基于所获得的数据，QAP 101或QSTA 102可以改变其功能。该改变可以是多种措施中的一种。此外，QSTA或QAP可以采取一个以上的措施。例如，如果在获取到与最大延迟相关的数据之后，QAP 101判断出最大延迟正好小于流视频的门限允许延迟，则QAP 101可以增加分配给其他类型的数据(例如，语音)的分组的时间，这些类型的数据对于最大延迟而言具有更低的门限。这样，流视频可以保持低于其门限最大延迟(虽然现在比QAP采取有效措施之前具有更大的延迟)，并可以更快地传送其他数据。因此，在没有牺牲视频通信质量的情况下，提高了与这些其他类型的数据相关的吞吐量和效率。
值得注意的是，步骤202和204中的数据获取和存储并不需要在实现了步骤205的动作之前完成。例如，当在获取门限附近的每个接入类别的队列长度时，QAP 101可以采取某种补救措施，从而避免达到或超过门限。
在步骤205的补救措施完成之后，可以根据需要从步骤201开始重复这种处理。当然，需要注意的是，如果在特定的时间阶段或所需的数据点数量完成之前采取了措施，则数据的后续获取存储和分析可以经由步骤202和204继续进行下去。此外，根据需要，示例性的方法可以并行地执行步骤202-205。
图3示出了用于处理延迟更新的方法的流程图。在步骤301中，处理开始。在步骤302中，QSTA或QAP开始延迟测量。例如，延迟测量可以是延迟数据(即，延迟时间)或队列长度(即，队列中的位置)的测量。在步骤303中，QSTA或QAP等着发送帧，然后在步骤304中发送该帧。QSTA或QAP在步骤305中检查是否成功地发送了该帧。例如，这可以通过从与QSTA或QAP进行通信的设备接收确认帧(ACK)来实现。如果QSTA或QAP未接收到ACK，则它决定是否在步骤306中重新发送。例如，该决定基于是否达到了重试限度。如果达到了重试限度，则QSTA或QAP在步骤307中丢弃该帧，并将延迟限度设为如下值：
dk＝(当前时间)-(帧到达时间)
其中，dk表示延迟采样。如果在步骤306中未达到重试限度，则返回到步骤304重新发送帧。但是，如果QSTA或QAP在步骤305中接收到ACK，则QSTA或QAP进入到步骤308，并将该帧延迟设为：
dk＝(ACK接收时间)-(帧到达时间)
QSTA或QAP将来自步骤307或308的每一个新的延迟采样dk存储为一系列采样中的一个采样。这种存储在QSTA或QAP中需要存储空间。然后，QSTA或QAP中的处理器在步骤310中通过下式更新平均延迟：
其中，D为平均延迟，n为采样数，d为所测量的帧延迟。为了使用图3的方法计算n个采样的平均延迟，QSTA或QAP为了进行计算必须存储n个采样，并执行n-1次加法和一个除法运算。根据确定平均延迟所需的采样数，这导致需要更大的存储器(例如，用于存储所有的n个采样)，并需要复杂的计算(例如，用于执行以上功能)。
图4示出了根据本发明的方法，其中，步骤401-408跟图3中的步骤301-308相同，为简明起见，这里不再赘述。QSTA或QAP中的处理器采用比参照图3描述的方法更简单和更高效的方法产生平均延迟测量步骤409。在步骤409中，QSTA或QAP中的处理器根据下式1通过使用移动平均而在k个采样之后对D进行估计，从而产生平均延迟Dk：
Dk＝(1-2-n)Dk-1+2-ndk
其中，dk是例如在步骤408的传输流中所测量的第k个成功发送的帧的延迟。此外，可以将dk设为帧在被丢弃(按照步骤407)之前在MAC层队列中停留的总时间量，其中，n确定赋予相对于最新测量值的估计值的权数。
可以将式1改写成下式2：
Dk＝Dk-1+2-n[dk-Dk-1]
式2仅需要在每次更新时在QSTA或QAP内的处理器中执行3次基本运算。这些运算是一次减法(例如，dk-Dk-1)、一次加法(例如，+运算)和一次移位(例如，2-n，其中n是比特数)。对QSTA或QAP中的存储器的要求比图3的方法更加简单，并只需要存储两个值(例如，估计的延迟Dk-1和测量的延迟dk)。对QSTA或QAP中的处理器的要求比图3的方法更加简单，并且，为了确定采样更新的平均延迟仅需要执行三次基本运算(例如，一次加法、一次减法和一次移位)。另外，用户可以根据应用需要(即，省电、处理速度、先前采样数据的相对权数等等)来设置n值。此外，n可以是预定的，或者，QAP或QSTA可以包括管理帧(例如，测量请求帧)中的n值。另外，例如，QSTA可以在IEEE 802.11k草案D2.0定义的统计报告帧中将步骤407的估计延迟报告给QAP。
QAP也可以将测量帧请求发送给QSTA，从而在测量响应帧中发送当前估计的延迟。例如，QAP将会使用该信息使其调度策略最优化。
此外，可以将根据式2估计的延迟定义为新的属性，在提供当前的802.11e MIB信息的dontllQosCounter表中称为dotllQosMSDUDelay。使用该信息，QSTA将能够识别出如何充分满足延迟约束。例如，QSTA将能够识别出延迟朝向延迟限度的增大趋势，这可以被解读为关键应用的警报。一旦所估计的延迟达到给定的门限(QoS警报门限)，那么，QSTA可以尝试与HC重新进行商议或者采取任何其他措施，以避免分组丢失。
图5示出了用于实现图4所示的方法的设备。设备500包括用于存储值Dk的存储器501和用于存储值dk的存储器502。减法器503通过分别从存储器502和501重新获取值dk和Dk而执行式2的减法运算。右移位器504执行式2的移位运算。加法器505将右移位器504的输出和来自存储器501的存储值Dk相加。然后，存储器501将已经根据式2更新的新值Dk存储起来。
图6示出了包括设备500的QSTA或QAP 600。QSTA或QAP 600包括MAC控制器601，其包括存储器602和处理器603。存储器602和处理器603中的任一个或两者可以位于控制器601之外，并可以在QSTA或QAP 600的不同部件之间共享。MAC控制器601控制着何时QSTA或QAP 600访问它所工作的网络。它控制PHY装置604何时进行发送或接收。MAC控制器601可以是本领域中公知的任何MAC控制器。PHY装置604包括天线605、收发机606和电源607。天线605、收发机606和电源607中的任一个或全部可以位于PHY设备604之外，并可以在QSTA或QAP 600的不同部件之间共享。PHY装置604可以是本领域中公知的任何PHY装置。PHY装置604与处理器608相连，处理器608测量至少一个QoS参数，如延迟数据或队列长度。事件采样器609在特定的场合下对处理器608进行采样，从而对QoS参数进行采样。将采样值作为值dk输入到存储器502。将设备500的输出值Dk输入到控制器610，控制器610控制MAC控制器601和PHY装置604中的任一个或两者的网络参数。然后，MAC控制器601和/或PHY装置604根据控制器610的输出调整MAC或PHY的网络参数。例如，网络参数的示例包括调度策略、竞争窗口最小值、竞争窗口最大值、传输机会、传输前的媒体侦听时间或减小退避(back off)计数器。
应当认识到，所需的业务类型的延迟和队列信息可以被收集、存储起来，并可以在例如结合图1的示例性实施例描述的网络中用于补救措施。此外，图2的示例性实施例的方法可以用于实现收集、存储和使用。另外，可以响应于诸如QAP向QSTA的测量请求或者从上层到QSTA的一些高级网络协议指令之类的外部激励而监视并收集延迟和队列数据。此外，可以响应于诸如网络拥挤或周期性监视(这里仅仅举了一些例子)之类的外部激励而监视并收集延迟和队列数据。
如上所述，有很多示例性的业务类型可以用于收集延迟和队列数据。获取这些数据明显有益。现在通过例子描述一些示例性的益处。
众所周知的是，接入类别是在由802.11标准定义的MAC层中的数据类型种类。这些类别包括、但不限于：视频类别、尽最大努力类别、语音类别和背景业务类别。得知特定接入类别的延迟或队列长度之后，可以对该类别中的数据的进一步传输做出决定。例如，如果视频类别的队列长度太大，则根据其他监视的信息，QSTA得知另一QAP，QSTA可以向邻近的QAP请求其(邻近的QAP)能力或者其当前状态。然后，QSTA可以决定与邻近的QAP建立关联，从而为视频数据提供服务。
另一公知的业务类型是业务流。业务流的需求是由QSTA在TSPEC中发送的。应当认识到，QAP可以根据这些需求为发出请求的QSTA保留时隙。因此，针对各业务流维持一个队列。业务流的延迟或队列的测量将会有益于QSTA对未来传输做出决策。例如，它可以用于从QAP请求附加的时间或者改变数据速率。
另一公知的业务类型是基于用户优先级(UP)来加以区分。UP被映射到接入类别，通常在MAC层中每个接入类别对应有两个UP。众所周知，各接入类别具有不同的信道或媒体接入概率。UP位于较高层，并被映射到接入类别。应当认识到，每个用户优先级对应的延迟或队列长度的有关信息可以用于根据用户优先级更高效地发送数据。例如，需要在某一平均延迟值之下发送属于某一UP的数据。知道在该UP的MAC中遇到实际的延迟之后，MAC就可以改变网络参数，从而使UP业务的延迟处于适当的限度内。
最后，可以针对每种站而不是每种业务类型去收集延迟或队列长度或两者。在该示例性实施例中，收集所需的数据需要较少的计算、存储和测量资源。这样，延迟或队列长度可以由QSTA或QAP或两者使用，从而根据上述数据确定任何可能的纠正措施。例如，如果QSTA经历了无法接受的延迟，则它可以从QAP请求更多的时间，或者，可以寻找另一个QAP，从而与它建立关联。
本发明适用于任何无线系统或需要高频度QoS监视的应用。由于采用了简单机制去估计延迟下，这些站可以使用所支持的QoS识别出可能的问题，并可以采取主动措施，以避免无法接受的延迟和分组丢失。
对于本申请公开的内容，需要指出的是，围绕着这些示例性实施例的无线网络中的测量和监视所描述的不同方法、设备和网络都能以硬件和软件的方式实现。而且，所包括的不同方法、设备和参数只是举例，而没有任何限制性意味。通过阅读本申请公开的内容，本领域普通技术人员能够实现不同的示例性方法、设备和网络，他们可以确定自己采用的技术和实现这些技术所需的设备，但这仍落入所附权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于确定无线网络中的QoS度量的方法，包括：
测量202采样操作中的QoS度量参数；
将测量的QoS度量参数存储204在存储器中；
根据所存储的测量的QoS度量参数，更新408一系列QoS度量参数的平均值；
至少部分地根据所述更新的平均值，调整205至少一个网络参数。
2.权利要求1的方法，其中，所述QoS度量参数包括延迟数据、队列长度或二者。
3.权利要求1的方法，其中，所述更新步骤包括根据下式的加法运算、减法运算和移位运算：
Dk＝(1-2-n)Dk-1+2-ndk。
4.权利要求3的方法，其中，所述调整步骤205包括：
调整调度策略、竞争窗口最小值、竞争窗口最大值、传输机会限度、传输前的媒体侦听时间或减小退避计数器。
5.权利要求4的方法，其中，所述调整步骤205发生在QAP 101或QSTA 102中。
6.权利要求3的方法，其中，所述调整步骤205包括：
在QAP 101和QSTA 102之间进行协商203，以确保QoS等级处于预定限度内。
7.一种用于调节QoS参数的设备，包括：
MAC控制器601；
PHY控制器602；
处理器608，用于测量QoS参数；
事件采样器609，用于对所述QoS参数的实例进行采样；
存储器501，用于存储先前计算出的QoS参数；
调整装置500，根据测量的QoS参数，调整先前计算出的QoS参数；
控制器610，用于调整MAC、PHY或MAC和PHY二者的至少一个网络参数。
8.一种计算机可读介质，包括：
测量采样操作中的QoS度量参数的机器可读代码；
将测量的QoS度量参数存储在存储器中的机器可读代码；
根据所存储的测量的QoS度量参数更新一系列QoS度量参数的平均值的机器可读代码；
至少部分地根据所述更新的平均值调整至少一个网络参数的机器可读代码。
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