CN102137453A - 无线局域网中基于资源预约的QoS MAC协议 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在无线局域网Ad Hoc模式下联合EDCA的分布式资源预约的MAC协议。该协议包括步骤：1)节点预约信道；2)节点进行接入控制的判决。节点通过两次握手机制来预约TXOP，被预约的TXOP用来传输高优先级的业务。一旦一个TXOP预约成功，节点就不需要竞争接入信道了。同时在预约的基础上增加了接入控制算法，从而保证了预约成功的每个高优先级业务的服务质量。每个节点对于业务的接入控制都是在本节点内部进行的，而不是由控制中心节点完成，因此，实现了完全分布式的接入控制算法，适用于无线局域网的Ad Hoc模式。

Description

无线局域网中基于资源预约的QoS MAC协议

技术领域

本发明属于移动通信领域，对无线局域网MAC协议标准IEEE 802.11e中增强型分布式协调访问机制(Enhanced Distribution Coordinate Access，EDCA)进行了改进，称为联合EDCA的分布式资源预约协议(EDCA/Distributed ResourceReservation，EDCA/DRR)。通过加入资源预约和接入控制的方式来更好的提供服务质量(QoS)的支持，解决了IEEE 802.11e不能真正实现保障QoS的问题。

背景资料

随着无线局域网的迅速发展，无线局域网上的多媒体应用层出不穷，无线局域网已逐步从单一的数据传送网向包含了数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。这些不同的应用需要有不同的QoS要求，QoS通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率来衡量。各种应用对服务质量的需求在迅速增长，同时用户对于有效、鲁棒的服务质量保障的需求也越来越突出。早期的QoS研究主要针对有线网络，在网络层以上提供服务质量保障，如综合服务/资源预约(IntServ/RSVP)、区分服务(DiffServ)、多协议标签交换(MPLS)、流量工程(TrafficEngineering)、约束路由(CBR)、子网带宽管理(SBM)等。但是由于无线链路带宽资源有限和传输的高误码率等特性，使得无线信道的质量相对于有线信道来说要差得多，并且随着环境的变化而变化。无线信道的特性，使得它很难提供QoS保障，上述的QoS机制并不能直接应用于无线局域网网络中。

根据存在的问题，IEEE802.11组织专门制定了802.11e标准，其主要通过区分业务来提供QoS支持。区分业务技术(EDCA)虽然改善了对实时业务(高优先级业务)的服务质量，但是一旦网络存在多个高优先级业务，此时就无法保障多个高优先级业务的QoS。因此，如何在提供业务区分的同时又保障各个高优先级业务的QoS成为无线局域网提供QoS的一个关键问题。

增强型分布式协调访问机制(EDCA)是对原802.11标准中分布式协调功能DCF的扩展，也是基于竞争的方式来访问信道。它定义了四种访问类型(AccessCategory，AC)，使用8种用户优先级(Priority)来接入无线媒体，为不同的业务类型提供不同的业务等级，使得那些实时业务有较高的优先级接入信道。IEEE802.11e标准提供了四种不同的访问类型(背景流、语音、视频、尽力而为的数据)及其所对应的八个优先级。在每一个支持QoS的无线站点(QSTA)内同时有8个发送队列，对应的有八个随机退避的状态机，将这一对发送队列和与之对应的随机退避状态机称为一个虚拟内部站点，这样，每个QSTA内有8个虚拟内部站点，通过设置EDCA参数来竞争获得发送机会(Transmission Opportunity，TXOP)。在EDCA中，为每个AC类别配置了不同的EDCA参数集：最小竞争窗口(CWmin[AC])，最大竞争窗口(CWmax[AC])，发送机会限制(TXOP[AC])，仲裁帧间间隔(AIFS[AC])。

EDCA机制的缺点是：由于它是基于竞争机制的，要实现保证服务质量难度比较大；另外，EDCA中没有接入控制方案，根本无法调节网络状态，也就难以提供QoS保障。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种无线局域网中联合EDCA的分布式资源预约协议(EDCA/DRR)。

本发明的技术解决方案是：发明一种联合EDCA的分布式资源预约协议。该协议主要包括以下步骤：

1)节点预约信道

2)节点进行接入控制的判决

上述步骤1)通过添加业务流(ADDTS)请求消息和ADDTS应答消息的发送和接收两次握手机制，从而实现了对信道的预约。发送方广播添加业务流(ADDTS)请求消息，该请求消息包含TSPEC(传输规格，包含平均速率，帧大小，业务开始时刻(SST)和业务间隔(SI))。所有接收到该ADDTS请求消息的节点缓存发送者的SST和SI信息，并且调度这个新的业务流。这就确保没有节点在没有预约TXOP的情况下开始传输，因而避免了碰撞。为了确保所有的节点有着相同的调度，所有的邻居必须单播ADDTS应答消息给发送方以表示它接收了该ADDTS请求消息。

上述步骤2)是根据节点内部的接入控制算法对请求预约的业务进行接入管理，接入控制算法过程为：

第一步：计算SI。为了计算SI，调度器(每个节点内部)计算每个业务流的最大SI，然后取其中最小的一个作为当前SI。

第二步：计算TXOP。首先，调度器计算在SI时间内以平均速率到达的帧数Ni，然后计算TXOP持续时间，即取以Pi速率传输Ni个帧的时间。

$N_i=\frac{\mathrm{SI}*p_i}{L_i},---\left(1\right)$

其中Pi指平均速率，Li指帧的平均长度。

$\mathrm{TXOP}=\max (\frac{N_i*L_i}{R_i}+O,\frac{M}{R_i}+O),---\left(2\right)$

其中Ri指物理层的平均传输速率，M指物理层的最大可允许的帧大小，O代表MAC层和PHY层的开销。

第三步：将所有TXOP求和，如果满足(3)

${\mathrm{TXOP}}_{k+1}+\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TXOP}}_i\≤\mathrm{SI}-T_{\mathrm{cp}},---\left(3\right)$

则该业务准许接入，否则不予接入。

与现有的无线局域网中的接入控制算法相比，本发明的接入控制算法是完全分布式的，用于无线局域网的Ad Hoc模式。每个节点对于业务的接入控制都是在本节点内部进行的，而不是让控制中心去完成；与现有的无线局域网中的资源预约协议相比，本发明的资源预约机制具有接入控制功能，允许节点通过预约TXOP来传输具有严格QoS要求的业务。一旦一个TXOP预约成功，节点就不需要竞争接入信道了；本发明的协议与802.11标准兼容，并且建立在使用最广泛的EDCA基础上，加上调度算法采用802.11e标准中的参考调度算法，因此该协议和802.11e标准结合起来并不十分复杂，而且该机制只需要在软件部分进行修改，并不需要额外的硬件支持。

附图说明

图1是整个协议模块之间的关系

图2是调度TXOP的一个例子

图3是接入控制模块原理

图4是TXOP的帧交换过程

图5是发送端操作

图6是接收端操作

具体实施方式

整个协议软件模块分为分类标记模块、MAC模块、调度模块、MAC层上层模块和测量模块，参见图1，其中主要模块是分类标记模块、MAC模块和调度模块。

分类标记模块的功能是给每一个业务流进行分类及标记。只有从上层传来的数据在交给MAC层之前是需要进行标记的，而上行数据即从MAC层交给上层的数据是直接交付的，不需要进行标记。标记的主要作用是区分数据流的优先级，是高优先级还是低优先级。如果是低优先级，则不进行调度和接入控制，按照EDCA的机制处理。如果是高优先级，则要交给调度模块。

MAC模块的功能是执行数据的发送和接收。如果采用EDCA，则还要执行CSMA/CA机制。

测量模块和链路层模块位于IEEE 802.11e的外层，链路层是MAC层和上层之间的一个接口；通过测量模块可以进行协议参数统计(吞吐量、时延)，从而进行性能分析和评估。

调度模块的功能是进行TXOP的预约、接入控制以及调度TXOP，是最核心的一个模块。

调度和接入控制机制的具体步骤如下：

A.一个新的业务在源节点内部首先进行接入控制处理，以判断是否准许接入。一旦准许接入，调度一个TXOP，参见图2。

接入控制流程如下：

参见图3，当源节点应用层产生业务流时，经过分类标记模块时，该模块会判定该业务流的优先级，打上tid的标志。如果优先级是最低的，则按照EDCA的机制进行处理；相反，则要交给接入控制模块。当接入控制模块根据算法允许接入该业务流时，则将该业务流交给资源调度模块。相反，则控制模块会要求应用层拒绝接受该业务流。

B.源节点产生ADDTS请求消息，在该消息中包含TSPEC。TSPEC中主要包含帧大小，传输速率，业务间隔SI，和业务开始时间SST。ADDTS请求消息，作为管理帧发送。它的优先级设为AC_MA，该AC队列是新增的一个AC队列，该AC与AC_VO极为类似，唯一的不同点在于它的txop域设为0.因为该消息只发送一次。

C.将此ADDTS请求消息广播给自己的所有邻居。ADDTS请求消息主要在竞争期发送，也可在TXOP的Gap阶段发送，参见图4。

D.邻居记录下来该业务流的SI和SST，并按照A中的接入控制算法，计算出txop的持续时间，加入到自己保存的一个TXOP链表中去。如果它要发送数据，可以预约下一个txop。下一个txop的起始时刻为上一个txop的结束时刻。

E.所有的邻居发送ADDTS应答消息给源节点。ADDTS应答消息主要也在竞争期发送，也可在TXOP的Gap阶段发送。

F.源节点收到ADDTS应答后，记录下每一个邻居节点的信息，直到它收到所有邻居节点发送过来的ADDTS应答消息。

G.源节点在规定的SST的时刻发送数据帧，如果该时刻已经超过了SST，则在下一个SI的同一个TXOP发送。

H.当业务传输结束或是没有数据传输，发送节点广播一个DELTS消息来通知其他站点删除该业务流，并调度其余的业务流。

发送端的具体步骤如下：

参见图5，首先，发送端检查自己的TXOP链表是否为空，如果为空，证明当前没有预约任何TXOP。则发送端就可以设置一个临近的SST为发送时刻，立即发送数据包；相反，如果检查到自己的TXOP链表已经被预约了txop，则设置该业务流的起始时刻为TXOP链表中最后一个被预约的txop的SST加上txop持续时间，也就是在前一个txop的后面紧跟着预约下一个txop，参见图3。

设置好SST后，并将刚才预约的txop的信息(txop持续时间、SST)保存在发送端的txop链表中。然后就可以构造ADDTS请求消息，构造完毕后就可以广播发送出去。发送完ADDTS请求消息后，发送端就要一直处于等待接收ADDTS应答消息状态。只要没有接收到ADDTS应答，发送端就不能发送业务流。而且该应答必须是所有的邻居节点发来的，因为如果不等所有邻居节点都发来应答消息而开始发送，则有可能发生冲突。发送节点可以根据类似于HELLO包来获取邻居节点的信息，从而判断是否收到了所有邻居节点的信息。

当接收到所有的邻居节点发来的应答消息，证明所有的邻居节点都知道了发送端要准备发送数据了，就会在这段时间保持静默。而发送端这时还要检查当前的SST是否超时，如果没有超时，则按照预约的SST发送数据；如果超时了，则要等到下一个SI的当前txop才能发送。这样就能保证不会对其它txop产生影响。业务流向下经过MAC层和物理层发送出去。

接收端的具体操作如下：

参见图6，如果接收节点收到消息，首先判断消息的种类，如果是ADDTS请求消息，则构造ADDTS应答消息，并向原节点发送，最后再计算TXOP，并将新计算的TXOP加入到自己保存的一个TXOP链表中；如果判断收到的消息不是ADDTS请求消息，则直接交给上层处理。

Claims (3)

1.一种无线局域网中基于资源预约的QoS MAC协议，其特征在于：该协议包括以下步骤：

1)节点通过预约请求和预约应答消息来预约信道；

2)节点通过自身内部的接入控制算法来判决是否对业务准许接入。

2.根据权利要求1所述的无线局域网中基于资源预约的QoS MAC协议，其特征在于：所述步骤1)通过ADDTS请求消息和ADDTS应答消息的发送和接收两次握手机制，从而实现了对信道的预约。发送方广播添加业务流(ADDTS)请求消息，该请求消息包含TSPEC(传输规格，包含平均速率，帧大小，业务开始时刻(SST)和业务间隔(SI))。所有接收到该ADDTS请求消息的节点缓存发送者的SST和SI信息，并且调度这个新的业务流。这就确保没有节点在没有预约TXOP的情况下开始传输，因而避免了碰撞。为了确保所有的节点有着相同的调度，所有的邻居必须单播ADDTS应答消息给发送方以表示它接收了该ADDTS请求消息。

3.根据权利要求2所述的无线局域网中基于资源预约的QoS MAC协议，其特征在于：所述步骤2)根据节点内部的接入控制算法对请求预约的业务进行接入管理，接入控制算法过程为：

第一步：计算SI。为了计算SI，调度器(每个节点内部)计算每个业务流的最大SI，然后取其中最小的一个作为当前SI。

第二步：计算TXOP。首先，调度器计算在SI时间内以平均速率到达的帧数Ni，然后计算TXOP持续时间，即取以Pi速率传输Ni个帧的时间。

$N_i=\frac{\mathrm{SI}*p_i}{L_i}---\left(1\right)$

其中Pi指平均速率，Li指帧的平均长度。

$\mathrm{TXOP}=\max (\frac{N_i*L_i}{R_i}+O,\frac{M}{R_i}+O)---\left(2\right)$

其中Ri指物理层的平均传输速率，M指物理层的最大可允许的帧大小，O代表MAC层和PHY层的开销。

第三步：将所有TXOP求和，如果满足(3)

${\mathrm{TXOP}}_{k+1}+\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TXOP}}_i\≤\mathrm{SI}-T_{\mathrm{cp}}---\left(3\right)$

则该业务准许接入，否则不予接入。

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