CN101741713A - 一种无线局域网上行带宽动态分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线局域网上行带宽动态分配方法，应用在由QAP和多个QSTA组成的基础结构模式的无线局域网中。所述方法包括：为所有QSTA分配用于发送语音业务的固定带宽，为各QSTA的视频探测业务分配该业务的带宽申请值和保证带宽中的较小者；通过初次分配和再次分配步骤确定各QSTA的视频业务的最终分配带宽；将系统上行可用带宽的剩余带宽平均分配给申请了尽力而为业务的QSTA。按照本发明所述方法，不仅能够为业务提供QoS保证，并且可以保证各QSTA的公平性。

Description

一种无线局域网上行带宽动态分配方法

技术领域

本发明涉及无线局域网(WLAN，Wireless Local Access Network)技术领域，具体涉及一种无线局域网上行带宽动态分配方法。

背景技术

WLAN的出现和迅速发展极大地丰富了接入技术，不过目前的WLAN大都仅提供“尽力而为”(Best effort)服务，不能满足服务质量(QoS，Quality ofservice)需求，特别是不能满足高品质语音、视频等对时延敏感的多媒体业务的QoS需求。为此IEEE制定了新协议IEEE 802.11e，定义了优先级从高到低的四种业务类型：语音业务(voice)、视频业务(video)、视频探测业务(videoprobe)和尽力而为业务(best effort)；引入了混合协调机制(Hybrid CoordinationFunction，简写为HCF)，以增强WLAN对各类业务的QoS支持，同时提高整体网络的容量和效率。具有IEEE802.11e QoS功能的站点和无线接入点分别被称为QSTA(QoS-capable Station)和QAP(QoS Access Point)。其中，基础(Infrastructure)结构模式的WLAN由QAP、QSTA和分布式系统(DS)构成。一个QAP覆盖的微蜂窝就是一个基本服务集(BSS)。QAP可看作无线集线器(Hub)，主要有两个作用：协调QSTA对无线介质的访问和将QSTA接入有线网。

HCF实际上是一种将原有IEEE 802.11协议中关于信道接入的分布式协调功能(DCF，Distributed Coordination Function)和点协调功能(PCF，PointCoordination Function)进行改进和增强后混合而成的协调机制。改进后的DCF称为增强型分布式协调接入(EDCA，Enhanced Distributed Channel Access)，改进后的PCF称为混合协调控制信道接入(HCCA，HCF Controlled ChannelAccess)。EDCA采用载波监听多路访问/避免冲突(CSMA/CA，Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance)来实现QSTA与QAP之间的无线介质共享；而HCCA则是QAP通过轮询的方式实现QSTA之间公平有序地访问信道，避免对无线介质的竞争。

HCCA是一种集中控制信道接入的功能，它通过QAP上的混合协调器(HC，Hybrid Coordinator)对每个QSTA各类业务的发送机会(TXOP，Transmission Opportunity)进行计算和设置，来实现执行分配TXOP的带宽管理功能。从2006年IEEE 802.11e协议颁布以来，对EDCA接入方式的研究和成果层出不穷，然而对于HCCA的研究却相对平淡。其主要原因是传统的基于轮询的信道接入方式PCF在WLAN中只是可选项，一般WLAN设备制造商仅在其设备中实现DCF接入方式；并且802.11e协议对HCCA接入机制并没有规定控制接入的算法细则，只是在概念上给与大致的定义和说明。国内外WLAN设备提供商普遍采用的信道接入控制策略是EDCA，对各QSTA的上行发送带宽则不进行控制。这种接入机制是从技术角度出发来考虑，其目的是为了区分四类业务的QoS。但是从网络运营的角度来看，EDCA控制策略则没有考虑到运营商需要保证各QSTA公平性的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线局域网上行带宽动态分配方法，该方法符合IEEE802.1e HCCA机制，通过使用协调控制的方式集中管理各QSTA对无线媒体介质的访问，不仅能够为业务提供QoS保证，并且可以保证各QSTA的公平性。

为解决上述技术问题，本发明提供方案如下：

一种无线局域网上行带宽动态分配方法，应用在由QAP和多个QSTA组成的基础结构模式的无线局域网中，在当前超帧周期中，QAP按照以下步骤为各QSTA分配带宽：

初次分配步骤：为所有QSTA分配用于发送语音业务的固定带宽，所述固定带宽保证上一超帧周期内各QSTA缓存的语音业务数据能够全部发送完毕；根据各QSTA的视频探测业务的带宽申请值和该QSTA的视频探测业务的保证带宽中的较小者，确定各QSTA的视频探测业务的分配带宽；为各QSTA的视频业务分别分配初次分配带宽，该初次分配带宽为该视频业务的带宽申请值和该视频业务的保证带宽中的较小者；

再次分配步骤：将系统上行可用带宽减去各QSTA的语音业务的固定带宽、视频探测业务的分配带宽和视频业务的初次分配带宽，得到第一剩余带宽；选择出视频业务的初次分配带宽不小于该视频业务的带宽申请值的QSTA作为第一组QSTA，并将第一组QSTA中的各QSTA的视频业务的初次分配带宽作为该视频业务的最终分配带宽；选择出视频业务的初次分配带宽小于视频业务的带宽申请值的QSTA作为第二组QSTA，根据第二组QSTA中各QSTA的权重与第一剩余带宽的乘积，计算并确定第二组QSTA中各QSTA的再次分配带宽，并将第二组QSTA中各QSTA的视频业务的带宽申请值和两次分配带宽中的较小者，作为第二组QSTA中各QSTA视频业务的最终分配带宽，其中所述两次分配带宽是该QSTA的初次分配带宽与再次分配带宽之和；

最后分配步骤：将系统上行可用带宽减去各QSTA的语音业务的固定带宽、视频探测业务的分配带宽和视频业务的最终分配带宽，得到第二剩余带宽；将所述第二剩余带宽平均分配给申请了尽力而为业务的QSTA，作为各QSTA的尽力而为业务的带宽。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，还包括：所述QAP分别向各QSTA下发轮询帧，所述轮询帧中携带有所述QAP为该QSTA的各业务所分配的带宽。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，所述轮询帧的MAC帧头的服务质量QoS控制域为8个字节，其中每2个字节对应于一种业务类型，并在该2个字节中携带有该2个字节所对应的业务类型信息以及为该业务类型的业务所分配的带宽。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，还包括：各个QSTA提取QAP下发的轮询帧中所携带的各业务所分配的带宽，并在各业务所分配的带宽内将各业务上行发送至QAP。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，还包括：如果所有QSTA在各自业务所分配的带宽内将各自业务的数据发送完毕后本超帧周期还未结束，QAP提前发送控制帧CF-End以提前结束本超帧周期。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，在每个超帧周期中，各个QSTA在其所发送的视频业务、视频探测业务或尽力而为业务的最后一个数据帧中，将自身缓存中该业务的剩余数据量作为该业务在下一超帧周期的带宽申请值，携带在该数据帧的MAC帧头的QoS控制域中发送给QAP。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，所述QSTA视频探测业务的保证带宽和视频业务的保证带宽是该QSTA所签订的服务水平协议中所规定的。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，所述系统上行可用带宽等于WLAN系统带宽与一比例系数的乘积，所述比例系数小于1。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，所述第二组QSTA中各QSTA的权重等于该QSTA的保证带宽与第二组QSTA中所有QSTA的保证带宽之和的比值。

优选地，本发明所述的无线局域网上行带宽动态分配方法中，所述超帧周期为10240微秒。

从以上所述可以看出，本发明提供的无线局域网上行带宽动态分配方法，至少具有以下的有益效果：针对不同优先级的各业务，充分考虑各业务的时延、时延抖动及带宽需求，为优先级高的业务优先分配带宽，并尽量满足带宽需求较大的视频业务的带宽需求，同时还保证了各QSTA的尽力而为业务之间的公平性；本发明利用各业务数据帧的MAC帧头的QoS控制域，向QAP上报该业务的带宽申请值，即不需要发送额外的系统帧上报带宽申请值，有利于节约系统带宽；本发明通过将系统上行可用带宽设置为WLAN系统总带宽的一个固定比例，大大简化了带宽分配计算；最后，本发明相对于PCF接入方式，能够对高优先级的语音业务提供更好的时延指标，并且能够提高系统的总吞吐量和带宽利用率。

附图说明

图1是Infrastructure型的WLAN的网络构架示意图；

图2是本发明实施例所述上行接入控制的流程图；

图3为本发明实施例所述DBA方法的执行流程图。

图4是扩展后的带宽授权帧QoS(+)CF-Poll的QoS控制域的示意图。

具体实施方式

本发明在符合IEEE 802.11e对HCCA机制规定的前提下，设计出一种动态带宽分配(DBA，Dynamic Bandwidth Allocation)方法，来实现QAP对各QSTA乃至各种业务的接入控制。该DBA方法不仅能防止Infrastructure型WLAN系统各QSTA上行数据的冲突，还可以按各用户签订的上行带宽协议(例如，服务水平协议(SLA，Service Level Agreement)中规定的保证带宽)来管理各QSTA的上行带宽，为运营商提供一种灵活可靠的带宽管理手段。以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例中，通过配置QAP上的HC，由HC根据本发明提供的DBA方法对QSTA进行上行接入控制，从而规定在一个超帧周期内各QSTA四种业务数据分别获得的上行发送带宽，如图2所示，本发明实施例所述的上行接入控制的流程图包括以下步骤：

步骤21，上行方向，在HC的控制下，各QSTA将自身缓存中的各种业务数据发送至QAP。其中，各QSTA的发送控制器根据自身上行授权寄存器中保存的每类业务上行带宽授权信息，连续发送多个数据(Data)帧，并在本QSTA所发送视频、视频探测和尽力而为业务数据的最后一个数据帧时，在该数据帧的MAC帧头的QoS控制域填入缓存中该业务剩余的数据量信息，作为该业务的下一超帧周期的带宽申请值发送给HC，HC将各QSTA的各业务的带宽申请保存在带宽申请记录寄存器中。本发明实施例中，HC对所有QSTA的语音业务是采用分配固定带宽的方法，所以不需要该业务上报带宽需求。

步骤22，当所有QSTA根据带宽授权完成上行数据发送后，HC通过广播CF-End帧结束本超帧周期，随即进入了下一超帧周期。HC从带宽申请记录寄存器中获取所有QSTA在上一超帧周期所发送的各业务的带宽申请值，并根据本实施例提供的上行带宽动态分配方法计算出本超帧周期每个QSTA的各类业务所获得的带宽(包括各业务的上行发送时间以及各业务的带宽大小)。带宽分配算法的执行是由HC瞬时完成的，HC计算出各QSTA的各种业务在本超帧周期的带宽后，保存在QAP侧的带宽授权寄存器中。

步骤23，下行方向，HC通过向每个QSTA分别发送轮询帧(QoS(+)CF-Poll帧)来控制每个QSTA接入无线信道，其中，在QoS(+)CF-Poll帧的MAC帧头中的QoS控制域填入带宽授权寄存器中保存的该QSTA的各种业务的带宽，作为各业务的上行带宽授权；各个QSTA接收到轮询帧后，提取其中携带的带宽信息，保存在自身的上行授权寄存器中。

步骤24，各QSTA在当前超帧周期重复步骤21，以将自身缓存中的各类业务数据以及缓存中的各业务的剩余数据量信息发送给QAP。

通过以上步骤，本发明实施例实现了对QSTA的上行接入控制。

本发明实施例的DBA方法，区分了不同业务的QoS，保证时延敏感业务的时延要求，保证有最小保证带宽需求的业务的保证带宽，保证各QSTA获得的业务带宽不超过该业务的请求带宽。以下详细介绍本发明实施例的DBA方法。

本实施例所述DBA方法，首先满足语音业务的时延和时延抖动要求，并且尽量给予视频业务足够的带宽。而对于视频探测和尽力而为业务，本发明实施例所述DBA方法则不提供QoS保证。语音业务需要固定分配带宽并且需要控制信元传输时延，它对吞吐量、时延及时延抖动都有严格的要求，因此必须分配足够的固定带宽。视频业务的主要特性是变化比特率，需要比较高的传输带宽，当信元速率大于保证带宽时，不仅需要为该QSTA分配其与运营商签订的SLA中规定的保证带宽，还需要为该QSTA分配一部分的非保证带宽。然而对每个QSTA而言，其视频业务所获得的保证带宽和非保证带宽之和应当不超过该业务的带宽申请值。视频探测业务也属于变化比特率的业务，对时延和吞吐量有一定要求，其唯一特征是只需要获得保证带宽。该类业务的保证带宽在SLA中保证，并且只有在被QSTA请求后才会被分配。尽力而为业务没有QoS要求，仅仅需要分配尽力而为的带宽，并没有任何带宽保证。为了保证各QSTA之间的公平性，在分配完上述三种业务的带宽之后，将系统的剩余带宽平均分配给需要发送尽力而为业务的QSTA。

本发明实施例的DBA方法采用时分控制策略，因此，在Infrastructure型WLAN系统中，首先需要确定DBA周期，也就是超帧周期的长度。根据运营商与各QSTA用户之间签订的SLA将每个超帧周期分段成若干时隙，并规定各QSTA只能在自己的授权时隙内发送数据。每超帧周期内实际的数据发送时间可设置为超帧周期长度的70％，超帧周期的其余时间可足够用于系统帧的发送和帧间隔的开销，即系统实际带宽为WLAN系统总带宽的70％，从而在带宽分配计算中无需考虑系统帧和帧间隔的开销，而是直接利用系统上行可用带宽(该带宽为一固定数值)进行计算，可以大大简化带宽分配计算。若所有QSTA根据带宽授权将各业务的数据发送完毕后本超帧周期还未结束，QAP可以提前发送CF-End帧来提前结束本超帧周期，避免了因系统的停滞导致带宽的浪费。

本发明实施例DBA方法的实现需要设计WLAN的嵌入式软件，包括QAP侧和QSTA侧的嵌入式软件。WLAN的嵌入式软提供上层网络管理接口和硬件驱动接口，实现对WLAN系统设备的配置、性能、带宽的管理，并与WLAN硬件配合完成系统的交换和传输等各种业务功能。QAP侧嵌入式软件需要完成带宽的计算和分配功能，是实现算法的核心部分。与QAP侧执行算法相关的硬件寄存器有带宽授权寄存器、带宽申请寄存器、SLA寄存器和数据缓存器等；QSTA侧嵌入式软件用于根据带宽授权来驱动硬件完成各业务上行数据的发送，与QSTA侧执行算法相关的硬件寄存器有上行授权寄存器、数据缓存器等。

本发明实施例中，为实现DBA方法的时分控制策略，首先QAP需要通过网管界面获取各QSTA签订的上行带宽协议，并保存在相应的SLA寄存器中。其次，QAP侧的CPU从带宽申请记录寄存器中获取各QSTA业务的在前一超帧周期发送的带宽申请值，通过本实施例的DBA算法，计算出本超帧周期各QSTA各类业务的上行带宽授权信息(TXOP)，然后将所有QSTA的TXOP值保存在QAP侧的带宽授权寄存器中。接下来，在QAP侧，一方面由FPGA芯片将各QSTA上行带宽授权信息封装成根据802.11e协议所扩展的MAC控制帧格式的带宽授权帧QoS(+)CF-Poll，轮询各相应的QSTA，QSTA侧接收上述TXOP并保存在相应的上行授权寄存器中；另一方面，上行方向，在HC的控制下，各QSTA根据上行带宽授权信息，将自身缓存中的各类业务数据发送至QAP，其中，QSTA的发送控制器根据上行授权寄存器保存的每类业务上行带宽授权内容，连续发送多个数据帧。并且在发送视频、视频探测和尽力而为业务数据的最后一个上行数据帧中，QSTA的FPGA芯片读取这三类业务数据缓存寄存器的值(即这三类业务缓存中的数据量)，并作为下一个超帧周期的带宽申请值填入MAC帧头的QoS控制域，发送给HC。至于尽力而为业务，由于本实施例中QAP是将系统的剩余带宽平均分配给所有需要发送尽力而为业务的QSTA，QAP根据QSTA的尽力而为业务的带宽申请值，判断该QSTA是否存在尽力而为业务，进而决定是否为该QSTA分配系统的剩余带宽。

本发明实施例需要完成QSTA带宽授权计算、带宽授权信息传递、数据缓存、数据发送的时分控制等子任务。本实施例以在1个QAP和若干个QSTA组成的Infrastructure结构模式的WLAN系统为例，以下说明本发明实施例中的各子任务。

QSTA带宽授权计算子任务：该子任务是本实施例的核心部分，在QAP侧CPU中，通过执行DBA方法的系统软件，并根据前一超帧周期所有QSTA业务的带宽申请值和SLA中签订的保证带宽值，计算出各QSTA的上行带宽授权。算法的执行分三个步骤：初次分配步骤，再次分配步骤和最后分配步骤，具体算法流程参照图3。经过这三个步骤后，每个QSTA各类业务数据在当前超帧周期所获得的TXOP都可以计算出来。

第一步是初次带宽分配：完成所有QSTA的语音业务和视频探测业务的带宽分配，并且分配完所有QSTA的视频业务的保证带宽。具体的，QAP分配给所有QSTA的语音业务的带宽都是固定值，大小为Fixed_Txop。无论QSTA是否存在语音业务的数据，QAP在每个超帧周期都会为所有QSTA固定分配这部分带宽。该固定带宽可以保证上一超帧周期内各QSTA缓存内所有的语音业务数据可以全部发送给QAP；QAP给每个QSTA的视频探测业务分配的带宽等于该QSTA的视频探测业务的保证带宽和该QSTA视频探测业务的带宽申请值中的较小值，也就是说视频探测业务在每个超帧周期中最终获得的带宽不得超过其保证带宽；QAP为各QSTA的视频业务分别分配初次分配带宽，该初次分配带宽为该业务的带宽申请值和该视频业务的保证带宽中的较小者，即QAP给视频业务初次分配的带宽和视频探测业务一样，不得超过该业务的保证带宽。

第二步是再次带宽分配：将WLAN系统的系统上行可用带宽减去各QSTA的语音业务的固定带宽、视频探测业务的分配带宽和视频业务的初次分配带宽，得到初次分配后的系统剩余带宽Sys_Txop_1。经过再次分配后可以完成所有QSTA的视频业务的非保证带宽分配，QSTA的视频业务分配到总的带宽值是各自的初次分配带宽和再次分配带宽之和。首先，QAP判断各QSTA的视频业务的带宽申请值是否大于初次分配带宽(保证带宽)，若是，则该QSTA将参与再次带宽分配，否则不需要再次分配带宽。按照上述判断结果，对所有QSTA进行选择分组，其中一组QSTA需要参与再次带宽分配，另一组QSTA不参与再次带宽分配。对于不参与再次带宽分配的QSTA，该QSTA视频业务的最终分配带宽就是初次分配带宽。对于参与再次带宽分配的QSTA，该QSTA能够获得的再次分配带宽的大小与该QSTA视频业务的保证带宽的大小成正比，即该QSTA再次分配带宽的权重值正比于该QSTA视频业务的保证带宽，以优先满足保证带宽要求高的QSTA，同时还需要保证该QSTA视频业务所分配到的总带宽不能超过该视频业务的带宽申请值。按照参与再次分配的各QSTA的权重与系统剩余带宽Sys_Txop_1的乘积，计算得到各QSTA的再次分配带宽(即非保证带宽)，用表达式表示为：

Nonassured_Txop(k)＝Sys_Txop_1*[Assured_Txop(k)/∑Assured_Txop(k)]

其中，Assured_Txop(k)是QSTA(k)的保证带宽，∑Assured_Txop(k)是参与再次带宽分配的所有QSTA的保证带宽之和，[Assured_Txop(k)/∑Assured_Txop(k)]表示第k个QSTA的权重值，即权重等于该QSTA的保证带宽与所有参与再次分配的QSTA的保证带宽之和的比值。

分配完QSTA的非保证带宽后，还需要检验经过两次分配视频业务所获得总带宽是否超出该视频业务的带宽申请值，取两次分配的总带宽和带宽申请值中的较小值，作为参与再次带宽分配的QSTA的视频业务的最终分配带宽。

第三步是最后带宽分配：经过再次带宽分配后，WLAN系统的剩余上行带宽为Sys_Txop_2。将系统上行可用带宽减去各QSTA的语音业务的固定带宽、视频探测业务的分配带宽和视频业务的最终分配带宽，得到的剩余带宽即是Sys_Txop_2。最后带宽分配是为了给最低优先级的尽力而为业务分配带宽。在第二步的再次带宽分配中，由于可能存在两次分配的总带宽大于带宽申请值的视频业务，因此Sys_Txop_2的值可能大于零，此时，需要将Sys_Txop_2平均分配给系统中申请了尽力而为业务带宽的QSTA。这里，可用根据QSTA在上一超帧周期所发送的尽力而为业务的最后一个数据帧中携带的带宽申请值，判断QSTA是否申请了尽力而为业务，例如，当该带宽申请值大于零时即表明该QSTA有尽力而为业务需要发送，即该QSTA申请了尽力而为业务。

这样，通过以上步骤，实现了对系统中各QSTA的各类业务的带宽分配。

带宽授权信息传递子任务：该任务将上行带宽授权信息自QAP侧传递到QSTA侧。在本实施例中，利用扩展的802.11e的轮询帧QoS(+)CF-Poll作为带宽授权帧，承载并传递上行带宽授权信息。本实施例对轮询帧的QoS控制域进行了扩展，将其由2个字节扩展为8个字节，其中每两个字节携带有该QoS(+)CF-Poll帧所发送到的QSTA的其中一个业务所分配的带宽授权信息。图4显示了扩展后的轮询帧QoS(+)CF-Poll的QoS控制域的格式，一共8个字节，其中每两个字节定义为一个QoS子控制域，用于描述一种类型业务的上行带宽授权信息。在每个QoS子控制域中，包括：前4个比特的TID用于标识业务类型，我们只需用前两个比特即可以区分出四类优先级不同的业务；第5个比特的EOSP是其它用途的标志位；第6～7比特ACK Policy用于标识该轮询帧发送至QSTA后，需要QSTA所做出的应答方式；第8个比特Reserved是预留比特位；第9到16比特位为TXOP Limit，用于标识该业务所获得的上行发送时间，也就是该业务所分配的上行带宽。

数据缓存子任务：由于采用时分控制策略，各QSTA只能在自己的授权带宽时隙内发送数据。因此，上行方向WLAN系统需要在QSTA侧缓存数据。四类优先级的业务数据缓存在QSTA不同的缓存队列中。同样，WLAN系统也需要在QAP侧缓存数据，并将所有接收到的来自QSTA的数据传输至有线接入网。

数据发送的时分控制子任务：该任务是WLAN系统上行可用带宽控制策略的核心。上行方向，各QSTA接收到带宽授权帧QoS(+)CF-Poll后，提取其中各个业务的带宽授权信息，据此配置上行授权寄存器，并利用该上行授权寄存器控制上行发送起始时间点及发送时长，并且QSTA在发送视频、视频探测及尽力而为这三类业务的最后一个上行数据帧中，通过MAC帧头的QoS控制域中填入缓存中该业务的剩余数据量，作为下一个超帧周期带宽申请值发送给QAP侧的HC。

本发明实施例的DBA方法，使得在有带宽资源发生冲突的时候，能够保证各QSTA同种类型的业务之间的公平性。对于语音业务，系统分配足够的固定带宽，因此不存在资源冲突，也不存在公平性的问题；对于视频业务，在资源有冲突的时候，所获得的保证部分带宽和非保证部分的带宽应该分别与根据SLA所配置的保证带宽成正比，所以对于不同的QSTA，如果申请带宽相同的情况下也可能获得不同的带宽授权；对于视频探测业务，同视频业务一样，在有资源冲突的时候，所获得的带宽应该与事先根据SLA配置好的保证门限的大小成正比；而对于尽力而为业务，在有资源冲突的时候，不同QSTA的所获得的带宽应该基本相等。

本发明的技术方案可以明显提高系统的带宽利用率。在本发明提出的DBA方法下的带宽利用率要显著高于PCF接入机制下的带宽利用率。提高带宽利用率应该尽量减小物理层开销，例如在性能满足要求的前提下，系统帧发送的频率应该越低越好，两次发送数据的时间间隔可以适当拉长，也就是超帧周期可以适当变长。但是，若将时间间隔拉得太大，算法就无法保证时延敏感的语音业务的QoS需求了。因此，要在上行带宽利用率和QoS之间取一个平衡，在符合协议的前提下，本实施例中取超帧周期为10240微秒(us)，可很好地满足上述平衡性的需求。

本发明的技术方案，不仅能满足WLAN性能的要求，而且软件实现的算法复杂度不高，硬件实现也相对简单并且响应速度较快。软件应该能够在较短的时间内完成DBA的计算，硬件根据软件计算出的带宽授权填充QoS域形成轮询帧QoS(+)CF-Poll的下发，保证各QSTA能够及时正常地发送上行数据。

这里，需要说明的是，本发明实施例中，轮询帧QoS(+)CF-Poll并不附带向QSTA发送下行数据。HCCA机制主要是针对QSTA的上行接入控制，因此，本发明实施例所述DBA方法中并不用对WLAN的下行的数据予以考虑。基于802.11e协议中HCCA机制，在竞争期和非竞争期的时间长度总和(即超帧周期)不变的情况下，竞争期和非竞争期各自的时间长度是可动态调整的。802.11e协议所规定竞争期的最小时间相对于超帧周期而言，可以忽略不计。因此，不妨将整个超帧周期都看作非竞争期，QAP以HCCA机制控制各QSTA接入无线信道，从而可以忽略竞争期的EDCA机制下的数据传输，有利于本发明实施例所述DBA方法的实现。为了方便本发明实施例所述DBA方法的实现，本发明所实施例中设置一个超帧周期内系统帧和帧间隔的开销占系统总带宽为固定比例，根据相关资料以及仿真经，本发明实施例中选取该比例为30％，即实际的系统上行可用带宽的比例系数为70％，即WLAN系统带宽(即总带宽，按照目前IEEE802.1e标准为54Mbps)的70％。选取固定的比例系数，可以避免由于系统帧和帧间隔的不确定的开销而大大增加带宽分配计算的复杂度。当然，该比例系数也可以根据WLAN系统实际需求进行相应地调整。

利用仿真工具对本发明提出的DBA方法在不同负载条件下进行仿真。仿真网络的拓扑结构为一个QAP和多个QSTA组成的Infrastructure网络。每个QSTA发送4种优先级的数据流中的一种或多种，通过改变QSTA个数n和STA发送的数据类型来改变系统负载的大小。通过对两种接入方式(现有的PCF接入方式和采用本发明实施例DBA方法的HCCA接入方式)下在不同负载时语音业务和尽力而为业务的平均时延、吞吐量以及系统总的带宽利用率进行仿真，比较仿真结果可以发现，采用本发明实施例所述DBA方法的HCCA接入方式的QoS指标明显优于PCF接入方式的QoS指标。

具体的，在负载逐渐增大的过程中，PCF接入方式下两类业务(语音和尽力而为业务)数据流的时延一直相差不大，而在本发明实施例的HCCA接入方式下两类业务的平均时延是随着负载的增大而呈现高优先级的语音业务时延明显小于低优先级的尽力而为业务时延的特点。同时，本发明实施例的HCCA接入方式可以增大高优先级语音业务的吞吐量，其代价是降低了低优先级尽力而为业务的吞吐量；本发明实施例的HCCA接入方式比PCF接入方式大大提高了系统的总吞吐量，带宽利用率也随之增大。

从而可以看出，本发明实施例提出的基于IEEE802.11e HCCA机制的DBA方法，可以很好地支持WLAN基础网络的QoS。对于优先等级越高的数据流，获得带宽的优先级也越高，并且相对于低优先级数据可以保证获得足够的带宽，满足时延的要求。因为系统可用带宽是一定的，高优先级业务数据获取带宽的“优势”是建立在“损害”低优先级业务数据带宽的基础上的。相比较PCF接入和本发明实施例的HCCA接入，可以看出在低负载情况下，每种业务带宽和时延的性能基本一致；而在中高负载情况下，本发明HCCA接入中高优先级业务平均时延明显小于低优先级业务，而系统的吞吐量明显大于PCF接入方式下的吞吐量。

综上所述，本发明实施例所述的DBA方法，不仅有效地提高了WLAN系统的链路带宽利用率，而且满足了各类业务QoS和生存性要求，保证了网络的灵活性和有效性，为设备制造商提供了动态带宽控制的WLAN设备软硬件的实现方案，也为电信运营商提供真正安全可靠的宽带管理方法。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线局域网上行带宽动态分配方法，应用在由QAP和多个QSTA组成的基础结构模式的无线局域网中，其特征在于，在当前超帧周期中，QAP按照以下步骤为各QSTA分配带宽：

初次分配步骤：为所有QSTA分配用于发送语音业务的固定带宽，所述固定带宽保证上一超帧周期内各QSTA缓存的语音业务数据能够全部发送完毕；根据各QSTA的视频探测业务的带宽申请值和该QSTA的视频探测业务的保证带宽中的较小者，确定各QSTA的视频探测业务的分配带宽；为各QSTA的视频业务分别分配初次分配带宽，该初次分配带宽为该视频业务的带宽申请值和该视频业务的保证带宽中的较小者；

再次分配步骤：将系统上行可用带宽减去各QSTA的语音业务的固定带宽、视频探测业务的分配带宽和视频业务的初次分配带宽，得到第一剩余带宽；选择出视频业务的初次分配带宽不小于该视频业务的带宽申请值的QSTA作为第一组QSTA，并将第一组QSTA中的各QSTA的视频业务的初次分配带宽作为该视频业务的最终分配带宽；选择出视频业务的初次分配带宽小于视频业务的带宽申请值的QSTA作为第二组QSTA，根据第二组QSTA中各QSTA的权重与第一剩余带宽的乘积，计算并确定第二组QSTA中各QSTA的再次分配带宽，并将第二组QSTA中各QSTA的视频业务的带宽申请值和两次分配带宽中的较小者，作为第二组QSTA中各QSTA视频业务的最终分配带宽，其中所述两次分配带宽是该QSTA的初次分配带宽与再次分配带宽之和；

最后分配步骤：将系统上行可用带宽减去各QSTA的语音业务的固定带宽、视频探测业务的分配带宽和视频业务的最终分配带宽，得到第二剩余带宽；将所述第二剩余带宽平均分配给申请了尽力而为业务的QSTA，作为各QSTA的尽力而为业务的带宽。

2.如权利要求1所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，还包括：所述QAP分别向各QSTA下发轮询帧，所述轮询帧中携带有所述QAP为该QSTA的各业务所分配的带宽。

3.如权利要求2所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，

所述轮询帧的MAC帧头的服务质量QoS控制域为8个字节，其中每2个字节对应于一种业务类型，并在该2个字节中携带有该2个字节所对应的业务类型信息以及为该业务类型的业务所分配的带宽。

4.如权利要求3所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，还包括：各个QSTA提取QAP下发的轮询帧中所携带的各业务所分配的带宽，并在各业务所分配的带宽内将各业务上行发送至QAP。

5.如权利要求4所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，还包括：如果所有QSTA在各自业务所分配的带宽内将各自业务的数据发送完毕后本超帧周期还未结束，QAP提前发送控制帧CF-End以提前结束本超帧周期。

6.如权利要求1所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，

在每个超帧周期中，各个QSTA在其所发送的视频业务、视频探测业务或尽力而为业务的最后一个数据帧中，将自身缓存中该业务的剩余数据量作为该业务在下一超帧周期的带宽申请值，携带在该数据帧的MAC帧头的QoS控制域中发送给QAP。

7.如权利要求1所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，所述QSTA视频探测业务的保证带宽和视频业务的保证带宽是该QSTA所签订的服务水平协议中所规定的。

8.如权利要求1所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，所述系统上行可用带宽等于WLAN系统带宽与一比例系数的乘积，所述比例系数小于1。

9.如权利要求1所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，所述第二组QSTA中各QSTA的权重等于该QSTA的保证带宽与第二组QSTA中所有QSTA的保证带宽之和的比值。

10.如权利要求1所述的无线局域网上行带宽动态分配方法，其特征在于，所述超帧周期为10240微秒。

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