CN101164301B - 利用等值区域结构的超级帧为无线网络中提供的服务质量进行媒介时间分配和调度 - Google Patents

利用等值区域结构的超级帧为无线网络中提供的服务质量进行媒介时间分配和调度 Download PDF

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Abstract

为数据分配连续的传输时间块可使应用流得到较大的最大服务间隔。这可能导致大的延迟界，其中连续MAS的较大区块阻止其它应用满足它们的低延时需求。克服已知方法的至少一些缺点的方法和网络包括：在无线网络上传输信息。这包括以下步骤：将超级帧组织成多个分配区域；将分配区域组织成若干等值区域；产生一张分配图；根据应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源，确定周期性服务间隔和媒介时间；根据该分配图，搜寻满足该周期性服务间隔和所需媒介时间的传输机会；一旦在该搜寻步骤中找到传输机会，就在超级帧中传输信息。

Description

利用等值区域结构的超级帧为无线网络中提供的服务质量进行媒介时间分配和调度
本申请要求享受2005年4月25日提交的在先美国申请60/674,495的优先权，在先美国申请60/674,495的内容以引用方式并入本申请。
随着信道调制技术的发展，无线通信带宽已显著增加，从而使得无线媒介成为有线和光纤解决方法的可行替代品。同样，在数据和声音通信中无线连接性的使用也在持续增长。这些装置包括移动电话、无线网络(例如无线局域网(WLAN))中的可携式计算机以及无线网络中的音频/视频流、视频/音频电话、固定计算机和可携式手机，这里仅列出一些。
每一个无线网络包括数个层和子层，例如媒介访问控制(MAC)子层和物理层(PHY)。MAC层是开放式系统互连(OSI)协议栈中数据链路层的两个子层中的较低层。该MAC层能够在要求同时访问相同无线媒介的很多用户之间进行协调。
MAC层协议包括数条规则，规定如何访问网络内用户共享的广播媒介。众所周知，已对根据管理MAC层的协议工作的数种不同的多址技术(通常称作为MAC协议)进行定义。这些包括、但不限于载波检测多址(CSMA)、频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。
虽然在显著改善语音控制和数据业务方面已有很多标准和协议，但用于以增加的信道速率进行网络访问同时支持服务质量(QoS)需求的持续的需求增加要求持续评价协议和标准以及其变化。例如，根据应用流的流量指标(TSPEC)，很多已知的协议诸如WiMedia超宽带(UWB)MAC 1.0(公布为ECMA标准368)和其它非时隙式WLAN诸如IEEE 802.11要求将来自数个应用的QoS需求传递到网络堆栈的较低层。在接收到应用流的TSPEC之后，较低层诸如MAC将资源进行分配以为业务流服务从而满足QoS需求。在各种MAC协议中，一个此种资源是可用于传输数据或其它信息的发射时间。在这些无线MAC协议中提供的QoS通常包括依据如在TSPEC中指定的QoS需求分配发射时间。例如，在基于时隙的MAC协议中，例如WiMediaUWB MAC，存在数种方式来分配媒介访问时隙(MAS)(例如，媒介访问时间)，这导致延迟、功率节省等等性能差异。
为数据分配连续的传输时间块可使应用流得到较大的最大服务间隔。这可能导致较大的延迟界，在此连续MAS的较大区块阻止其它应用满足它们的低延时需求。另外，在超级帧进程上的时间分配的很多较小的分布式片段也无法完成整个数据包的成功传输。
因此，所需要的是实质上克服所述已知方法的至少一些缺点的方法和系统。
依据一个示例性方面，一种在无线网络上传输信息的方法包括以下步骤：将超级帧组织成多个分配区域；将分配区域组织成若干等值区域；产生分配图；根据应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源来确定周期性服务间隔；根据应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源来确定媒介时间需求；根据该分配图，搜寻满足周期性服务间隔和所需媒介时间的传输机会；在搜寻步骤中找到传输机会之后，在超级帧中传输信息。
根据以下结合附图和具体描述，可以最佳理解本发明。需强调的是，各种特征不一定按比例绘制。实际上，为了清楚地进行讨论，可以任意增大或减少尺寸。
图1是表示依据示例性实施例共享媒介的无线通信网络系统的示意图；
图2是依据示例性实施例的超级帧的时间线；
图3是超级帧的二维图示；
图4是描述一种组织等值区域的方法的流程图；
图5是描述一种产生分配图的方法的流程图；和
图6是描述一种依据本发明在无线网络上传输信息的方法的流程图；
图7是具有部分占用的信标区域的超级帧的二维图示。
在以下详细描述中，出于解释和非限制性目的，阐述披露特定细节的示例性实施例，以彻底理解示例性实施例。然而，需要明白的是，本领域普通技术人员通过本披露有助于理解脱离此处描述的特定细节的其它实施例。此外，可以省略众所周知的装置、方法、系统和协议的描述，从而使得本发明易理解。虽然如此，依据示例性实施例可以使用在本领域的一个技术人员所明白的范围内的装置、方法、系统和协议。最后，无论实际情况如何，相同的附图标记表示相同的特征。
简而言之，依据示出的实施例，描述用于改善分布式无线网络效率和吞吐量的方法和系统。该方法和系统计算将满足一个或多个应用流的延迟需求和TSPEC的最大服务间隔。例如，这是通过分配连续MAS(即媒介访问时间部分)而实现的，以将由于许多“唤醒”操作引起的功率损耗最小化。
依据此处描述的示例性实施例，分布式(即基于时隙的)无线网络在WiMedia MAC 1.0下进行操作。当然，这仅是说明性的，其它MAC协议可以并入连同示例性实施例一起描述的网络内共享可用性的装置。这些包括但不限于当前WiMedia MAC协议的产物以及其它具有冲突避免的载波检测多址(CSMA/CA)协议或时分多址(TDMA)协议。
另外，此处描述的实施例还适用于具有非时隙式媒介访问的WLAN，例如IEEE 802.11 WLAN。需要强调的是，这些协议仅仅是说明性的，本领域普通技术人员所知范围内的其它协议可以依据示例性实施例实现。
图1是依据示例性实施例的无线网络系统的示意图，该无线网络系统包括共享通信媒介(即共存)的多个无线装置或系统。无线装置/系统101可以传输业务量104到它们传输范围102内的其它无线装置101或者接收来自其它无线装置101的业务量104(或者同时收发)。此外，可能有其它无线装置/系统103处在某些无线装置/系统101的范围102之外，但却处在某些装置101’的范围内。无线装置101包含收发机110(例如任何已知的发射机/接收机组合或分开的发射机和接收机)、处理器111(例如，处理信息比特的任何已知的装置)以及电源112(例如电池)。
图2是第一个信标201和第二个信标202之间的超级帧的时间线200。如本文所使用的那样，将信标的开始点称作为信标周期开始时间(BPST)，并且在信标之间存在规定的一段时间。在示例性实施例中，将该超级帧分成多个媒介访问时隙(MAS)203，其提供与示例性实施例一致的有组织的传输和接收。在所示出的实施例中，存在256个时隙203，每一个时隙具有近似256μs的持续时间，从而在该示例性实施例中，该超级帧的整个持续时间近似65.536ms(从而在BPST之间是65.536ms)。当然，时隙203的数量和持续时间仅仅是出于说明的目的，决不应对时隙203有任何限制。
在每一个超级帧的开始，都有一个信标间隔204。随着本描述继续，将变得更清晰，该信标间隔204提供用于共享网络100的装置/系统(例如装置101、103)的可用性信息的媒介，以及装置/系统用于发送业务量给示例性实施例的无线网络100的其它装置/系统的需要。
信标间隔204之后是服务间隔206。每一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，以确保用于完成数据包传输的足够媒介访问。发射机中的处理器确定需要多少个服务间隔来传输其数据包。通过分析应用流的带宽需求、延迟需求和TSPEC，完成此确定。另外，服务间隔是周期性的(即，在信标间隔204和服务间隔206的数个周期上发生)。
为了计算周期性服务间隔，处理器(例如图1的处理器111)依据TSPEC和本地资源(例如缓冲器大小)计算服务速率g。本地资源还可以是诸如发射机在其工作的MAC内传输数据所需的缓冲器空间和媒介时间。通过利用计算出的g，该处理器还计算由应用流的突发大小引起的排队延迟dq。根据延迟需求，可以计算出最大服务间隔206。例如，可以将基于时隙的媒介访问机制诸如WiMedia UWB计算成如下：
SI≤ds-dq
其中，ds是延迟需求，dq是由应用流的突发大小引起的另外的排队延迟。
图3描述超级帧200的二维图示。该图示的y轴是：对于基于时隙的系统诸如UWB来说，是向下方向的持续增加的MAS，或对于非时隙式系统诸如IEEE 802.11来说，是传输机会空间。该图示的x轴是水平方向(即从图表的左到右)上持续增加的分配区域。分配区域1-15表示传输机会的连续分组诸如MAS。从而在时间上，x＝2和y＝1的MAS跟随x＝1和y＝15的MAS。依据现有技术，进入的应用流预先分配给了高效率方案或低延时方案，这视MAC的QoS需求和应用方案需求而定。在低延时方案中，数据传输只在x＝1，y＝15；x＝2，y＝15，…，x＝15，y＝15的MAS时隙(例如行分量)中发生。对于高效率方案而言，利用连续MAS区块。
为了分配MAS以解决应用服务间隔需求和MAS连续区块的预留，可以组织等值区域(iso-zones)301-304，以便高效地解析传输机会。
图4描述了用于将超级帧解析成分配区域1-15的方法。对于非时隙式系统而言，首先在步骤401中，应用程序依据上述公式确定无线网络可以满足的最小服务间隔。接着在步骤402中，该应用程序用该最小服务间隔划分超级帧的信标周期，以产生值x。根据以下公式可以在步骤403中计算出超级帧内的分配区域个数n：
其中，该公式返回大于或等于x的最小整数值。因此，分配区域个数取决于现有应用的信标间隔和最小服务间隔，或者QoS接入点(QAP)想要支持的应用类型。分配区域个数n是大于或等于信标周期和服务间隔之乘积的2的最小幂。
对于基于时隙的系统诸如UWB而言，通过将超级帧划分成(402)2m个分配区域，其中m＝(1，2，3，…)，应用程序可以将超级帧划分成数个分配区域。这确保分配区域是偶数，从而可以为传输机会进行解析。例如，WiMedia UWB MAC 1.0要求将256 MAS的超级帧分成16个分配区域(例如图3的x轴)和16个行分量(例如图3的y轴)。
不管无线传输机会是基于时隙的还是基于非时隙的，都可以将其超级帧组织成数个分配区域n，n是2的幂。
一旦将该超级帧解析成数个分配区域，为了高效地实现应用服务间隔需求以及传输机会的连续区块的预留，将这些分配区域组织成多个等值区域(iso-zones)，每一个等值区域具有一个索引值。这些等值区域具有周期性服务间隔，这些周期性服务间隔是分配区域持续时间的数个部分。图3描述了具有索引值3、2、1和0的等值区域。
图5描述了用于将超级帧的分配区域组织成等值区域的流程图。在步骤501中，应用程序用等于m-1的等值区域索引值标记第一分配区域。这可以是图3中的分配区域1。在步骤502中，该应用程序将等值区域索引值减少1，并且以减少的等值区域索引值标记随后的第二分配区域。这可以是图3的分配区域2，为其指定等值区域索引值2。接着该应用程序在步骤503中，将第一个分配区域镜像(mirror)在第二分配区域之后的第三分配区域中。此镜像的例子是给图3的分配区域3指定与分配区域1相同的等值区域索引值。该镜像指的是在图3的分配区域2的相对两侧的分配区域1和3的映像等值区域索引值。
在步骤504中，减少、标记和镜像步骤继续，从而重复该过程。例如，在图3中，为分配区域4指定等值区域索引值1，该等值区域索引值1是减少后的值。接着分配区域1用于镜像步骤，而分别以分配区域3、2和1的等值区域索引值标记分配区域5、6和7。标记不必是物理标记。标记可以是指定一个比特，该比特指示特定分配区域的等值区域值索引。此过程持续，直到步骤505确定标记步骤以等于0的等值区域索引值标记一个分配区域。在图3中，这是分配区域8。这是超级帧的中点(没有考虑分配区域0中的信标区域)。接着该应用程序在步骤506迭代执行另外的镜像和标记步骤。例如，一旦以等值区域索引值0标记图3的分配区域8，则通过以分配区域7到1的等值区域索引值分别标记分配区域9到15来进行镜像。
表格1描述了分配图，其中描述了索引、区域个数、分配区域个数和哪个分配区域包含哪些等值区域索引值：
等值区域索引 区域个数(k) 原本SI(分配区域个数) 分配区域
  0 1 16  8
  1 2 8  4，12
  2 4 4  2，6，10，14
  3 8 2  1，3，5，7，9，11，13，15
表格1
一旦创建了分配图，应用程序就可以在超级帧内搜寻传输机会。
图6描述了用于在无线网络上传输信息的方法。在步骤601，应用程序将一个超级帧组织成多个分配区域，如上所述。在步骤602，该应用程序将分配区域组织成数个等值区域，如上所述。在步骤603，该应用程序产生分配图(例如表格1)。在步骤604，根据上述应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源，该应用程序确定周期性服务间隔。在步骤605，根据上述应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源，该应用程序确定其媒介时间需求。在步骤606，根据该分配图，该应用程序搜寻满足周期性服务间隔和所需媒介时间的传输机会。一旦该应用程序检测到存在满足其周期服务间隔和媒介时间需求的传输机会，其就在步骤607传输超级帧中的信息。
该搜寻步骤606从最低等值区域索引值开始，以上升顺序搜寻应用的高效率QoS需求的传输机会。
搜寻传输机会的步骤606包括：利用低延时QoS需求的公式计算对应于服务间隔需求的分配区域数k。
接着，该应用程序确定应从等于的起始等值索引值开始进行搜寻。从起始等值区域索引值处开始，以上升顺序搜寻满足应用的低延时需求的传输机会。
鉴于上述特性，以下原理将连续未分配的媒介时间的大小最大化，从而将满足新来的QoS请求的需求且同时满足当前请求的延迟需求的机会最大化。
(a)最佳的安排是在安排进较高索引的等值区域之前总是从较低索引的等值区域开始的那些安排。
(b)最佳的安排是保持当前分配在每一个等值区域内尽可能平坦的一些安排。这实际上指示在基于时隙的媒介访问中每一个等值区域内的以下通用的均匀分布式MAS政策(EDMA)，即，每一个等值区域分配在等值区域内的每一个分配区域中不应分配多于n/k+1的MAS，其中，k是进度表在考虑中的等值区域内采用的分配区域数。
在表格2-4中显示另外的分配图(又名查寻表(n＝16和32))。
等值区域索引 区域数(k)     Req./Act.SI(区域数) 分配区域图
0  1     16    8
1  2     8-15/8    4，12
2(部分)+0  3     6-7/6    2，8，14
2  4     4-5/4    2，6，10，14
3(部分)+1  6     3    1，4，7，9，12，15
3  8     2    1，3，5，7，9，11，13，15
3+2+1+0  15     1/1，2    所有
表格2：分配区域总数(n)＝16的基于扩展等值区域的分配图
  等值区域索引   区域数(k)     Req./Act.SI(区域数) 分配区域图
  0   1     32     16
  1   2     16-31/16     8，24
  2(部分)+0   3     12-15/12     4，16，28
  2   4     8-11/8     4，12，20，28
  3(部分)+1   6     6，7/6     2，8，14，18，24，30
  3   8     4，5/4     2，6，10，14，18，22，26，30
  4(部分)+1   12     3     1，4，7，9，12，15，17，20，23，25，28，31
4 16 2     1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21，23，25，27，29，31
  4+3+2+1+0   31     1/1，2     所有
表格3：分配区域总数(n)＝32的基于扩展等值区域的分配图
 等值区域索引   区域数(k)     Req./Act.SI(区域数) 分配区域图
 0   1     32     16
 1   2     16-31/16     8，24
 2-部分+0   3     12-15/12     4，16，28
 4，3-部分+0   3     11     5，16，26/6，16，27
 2   4     8-10/8     4，12，20，28
 {4，3}-部分+0 5 7 2，9，16，23，30
 3(部分)+1   6     6     2，8，14，18，24，30
 {4，3}部分+0   7     5     2，6，11，16，21，26，30
 3   8     4     2，6，10，14，18，22，26，30
 {4，3，2}部分+0 11 3 1，4，7，10，13，16，19，22，25，28，31
 4(部分)+1     12     3 1，4，7，9，12，15，17，20，23，25，28，31
4 16 2 1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21，23，25，27，29，31
  4+3+2+1+0     31     1/1，2 所有
表格4：分配区域总数(n)＝32的基于效率最佳化扩展等值区域的分配图
图7描述了具有部分占用的信标区域的等值区域结构。以此方式形成的等值区域结构具有以下特性：
1、等值区域i包括2i个分配区域。
2、因为 2 m - 1 = Σ i = 0 m - 1 2 i , 因此该等值区域结构完整，意即，超级帧被以此方式形成的m个等值区域完全覆盖，没有任何分配区域遗漏及重叠。
3、SI(k)＜SI(i)，k＞i；其中，SI(i)表示等值区域i支持的原本服务间隔。此特性表示，如果等值区域(i)满足应用的延迟需求，则等值区域(k)，k＞i同样如此。
4、SI({k，i})＜SI(k)，k＞i；其中，SI({k，i})表示除等值区域k之外在等值区域i中通过分配达到的最大服务间隔。此特性表示，如果等值区域k满足应用的延迟需求，则任何等值区域中的额外分配将不增加最坏情形延迟。
5、可以在等值区域k，k＞i中达到等值区域i的原本服务间隔。
高效率QoS需求的示例性算法
在确定媒介时间的位置的阶段，已经将高效率低功率QoS需求解释为分配区域数n(e)(即效率因子e的函数)，除了以媒介时间持续时间/或大小t(g)(即服务速率g的函数)形式表示的带宽需求之外。如果知道了{t(g)，n(e)}的需求输入，则以下算法将满足用于成功分配的QoS请求的可能性最大化，同时将进度表用于分配媒介时间t(g)的分配区域数最小化：
1、计算所有分配区域中未分配的媒介时间，即：
n = Σ i = 0 z 未分配的媒介时间(分配区域[i])，
2、如果(n≥t(g))，则依据策略(a)从等值区域0开始分配t(g)；
3、在每一个等值区域内，遵循策略(b)；
4、否则，报告媒介时间不足的错误。
对于非时隙式系统诸如IEEE 802.11而言，一旦确定了位置，存在于QAP或QSTA中的进度表就可以依据以此方式确定的位置和通过算法/机制确定的持续时间调度业务流。
对于本申请公开的内容，需要指出的是，所描述的不同方法和设备都能以硬件和软件的方式实现。而且，所包括的不同方法和参数只是举例，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设备和方法，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。
对于本申请公开的内容，需要指出的是，所描述的不同方法和设备都能以硬件和软件的方式实现。而且，所包括的不同方法和参数只是举例，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设备和方法，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 (5)

1.一种在无线网络上传输信息的方法，包括：
将超级帧组织(601)成2m个分配区域(1-15)其中，m＝3，4…；
通过如下方式将所述分配区域(1-15)组织(602)成若干等值区域(301-304)：
用等于m-1的等值区域索引值来标记(501)第一分配区域；
将所述等值区域索引值减少(502)1；
用所述减少的等值区域索引值来标记(503)随后的第二分配区域；
将所述第一分配区域镜像(504)在所述第二分配区域之后的第三分配区域中；
重复(505)所述减少、标记和镜像步骤，直到所述标记步骤用等于0的等值区域索引值标记一个分配区域为止；以及
通过使用在以等于0的等值区域索引值标记的分配区域之前的分配区域的等值区域索引值标记在以等于0的等值区域索引值标记的分配区域之后的分配区域来执行(506)一个额外的镜像步骤；
产生(603)一张分配图；
根据应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源，确定(604)周期性服务间隔；
根据应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源，确定(605)媒介时间需求；
使用所述分配图，从最低等值区域索引值开始、以上升顺序搜寻(606)满足所述周期性服务间隔和媒介时间需求的传输机会；
一旦在所述搜寻步骤(606)中找到传输机会，就在所述超级帧中传输(607)信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分配图包括：
使所述分配区域和其标记的等值区域索引值相关联的表格。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，搜寻(606)传输机会的步骤还包括：
对于一个应用的高效率QoS需求而言，从最低等值区域索引值开始，以上升顺序搜寻传输机会。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，搜寻传输机会的步骤(606)还包括：
利用公式来计算对应于服务间隔需求的分配区域个数k，其中，BP指信标周期，并且SI指服务间隔；
确定所述搜寻应该从一个等于的起始等值区域索引值处开始；
从所述起始等值区域索引值开始，以上升顺序搜寻满足一个应用的低延时需求的传输机会。
5.一种在无线网络上传输信息的设备，包括：
将超级帧组织成2m个分配区域(1-15)的模块，其中，m＝3，4…；
通过如下方式将所述分配区域(1-15)组织成若干等值区域(301-304)的模块：
用等于m-1的等值区域索引值来标记(501)第一分配区域；
将所述等值区域索引值减少(502)1；
用所述减少的等值区域索引值来标记(503)随后的第二分配区域；
将所述第一分配区域镜像(504)在所述第二分配区域之后的第三分配区域中；
重复(505)所述减少、标记和镜像步骤，直到所述标记步骤用等于0的等值区域索引值标记一个分配区域为止；以及
通过使用在以等于0的等值区域索引值标记的分配区域之前的分配区域的等值区域索引值标记在以等于0的等值区域索引值标记的分配区域之后的分配区域来执行(506)一个额外的镜像步骤；
产生一张分配图的模块；
根据应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源，确定周期性服务间隔的模块；
根据应用流的TSPEC、延迟需求和本地资源，确定媒介时间需求的模块；
使用所述分配图，从最低等值区域索引值开始、以上升顺序搜寻满足所述周期性服务间隔和媒介时间需求的传输机会的模块；
一旦在所述搜寻步骤中找到传输机会，就在所述超级帧中传输信息的模块。
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