CN102197699B - 介质访问控制中松弛确定性回退方法的传输时隙选择 - Google Patents

Abstract

在IEEE 802.11WLAN网络的背景下，对共享的(介质访问控制MAC)随机访问的松弛确定性回退(R-DEB)增强方法。针对所有可用的候选资源时隙，计算用于反映过去的使用/占用等级并且推断将来另一并发装置使用概率的繁忙指数。该方法假设使用资源时隙的子集用于传输，并且通过利用繁忙指数最低的当前未使用的候选资源来替换经常冲突的资源时隙而更新该集合。使用针对纯信道评定(CCA)的所有资源的被动探听/偷听用于资源监控目的。

Description

介质访问控制中松弛确定性回退方法的传输时隙选择

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年10与23日提交的标题为“Selection of TriggeringEvents/Elements for Relaxed Deterministic Back-off Method”的申请EP08305713.3的优先权，其在此整体合并于此。

技术领域

本发明涉及无线通信，具体地，涉及用于为多媒体应用的分散的无线接入控制方法选择触发事件(在此也称为元素)的方法。

背景技术

如在此使用的，“/”表示对于相同或相似的组件或结构的可替换名称。即，“/”可作为在此使用的“或”的含义。单播传送在单一发送器/传送器与单一接收器之间进行。广播传送在单一发送器/传送器与该传送器接收范围内所有接收器之间进行。多播传送在单一发送器/传送器与该传送器接收范围内的接收器子集之间进行，其中所述传送器接收范围内的接收器子集可为整个集合。即，多播可包括广播并且因此是比在此使用的广播更加宽泛的术语。以分组或帧的形式传送数据/内容。如在此使用的，站可为节点或客户端装置，其可为移动终端或移动装置，诸如，但不限于，计算机、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)或双模智能电话。

移动计算装置上的语音和视频应用的普及引起了对关于介质访问控制(MAC)协议的性能的关注，介质访问控制(MAC)协议负责向多个通信站分配共享介质资源，并且解决当两个或更多站同时访问介质时发生的冲突。在当前IEEE 802.11无线LAN中，MAC协议层的分布式协调功能(DCF)针对基本信道访问使用二进制指数回退(BEB)算法。BEB算法通过使共享通信介质的站之间的介质访问的定时随机化来减轻网络冲突的问题。然而，如实际经验和理论分析二者所说明的，BEB算法具有一些缺点。首先，针对传输尝试的冲突概率随着网络中活动的站的数目以指数增加，其严重削弱了大规模网络中的网络吞吐量。其次，介质访问延迟没有界限(bound)并且抖动可变，其可能不适于多媒体应用。第三，站之间的介质访问机会不公平。即，给定的站可获得对通信介质的访问并且得到长时间的服务。这导致其它站必须极大地推迟它们对介质的访问。此外，产生了在传输失败时使用加倍的争用窗口表现出向这些成功的站给予更多的传输机会。

本申请人通过使用在先前专利申请PCT申请序列号PCT/US2007/014607和PCT/US2007/014608中的循环(round robin)调度的形式在基于争用的网络中引入了降低或消除争用的构思。该构思在其中存在集中式控制器或协调器的基于争用的网络中运行良好，所述集中式控制器或协调器可为全局知识存储库并且以相等地重要程度散布并分布全局知识，以便协调网络的节点或站的活动。

为了克服上述的问题，在EPO申请NO.08300154.5-2416中描述了一种可替换的回退方法-松弛(relaxed)DEB(R-DEB)。R-DEB方法以两种方式改善DEB算法。首先，R-DEB方法将回退窗口固定到预定义值。其次，R-DEB方法通过当回退时隙计数器从最大值向最小值向下计数时允许多个传输机会，来改变帧传输触发条件。在触发集合的选择期间在R-DEB算法中引入随机化。这以网络效率轻微降低的代价增强了对于物理感应误差的鲁棒性并且增加了管理灵活性。R-DEB方法后向兼容于传统IEEE 802.11标准。帧和分组为数据单元。即，可以以分组或帧或任何其它方便的格式对数据进行封装。如在此使用的，使用帧来指示以用于传输的格式封装的数据/内容。

在EPO申请NO.08300154.5-2416中，引入了R-DEB方法以便克服针对DEB算法提出的例如后向兼容性以及依赖性的问题。R-DEB以尽可能确定的方式选择回退时隙计数以便避免网络冲突，并且R-DEB也向该过程引入随机性以便保留作为例如BEB(二进制指数回退)的随机回退算法的特征的灵活性以及部署便利性。从而，R-DEB在网络效率和灵活性之间做出妥协，并且可被视为DEB算法和BEB算法的结合。R-DEB算法的初始动机为在保持后向兼容于之前的标准的同时，针对视频传输系统适配确定性回退。

R-DEB如下操作。当站将其回退时隙计数slot(n)重置到固定数M(注意到这里n为时间线(timeline)上的变量)时回退轮次开始。一旦站/节点/客户端通过物理载波感测过程确定共享介质对于一时间时隙空闲，则站/节点/客户端将其回退时隙计数减少一。如果这个新的时隙计数满足传输触发事件/条件，或者换言之，时隙计数等于触发集合Q_T的元素之一，例如，slot(n)＝k，则站/节点/客户端将得到发起数据传输的机会(从而“触发传输”)。如果此时没有要发送的帧，则站/节点/客户端放弃该机会并且继续减少其时隙计数。传输的结果确定元素k是否应该在触发集合中保留。成功的传输允许该元素在触发集合中保留，而不成功的传输将以概率p触发以来自区间[0，M]的新元素k’替换旧元素k的元素替换过程。由于k’的选择可能影响R-DEB的性能，所以明显地，合适的选择方法应该被设计为选择k’作为新元素用于插入触发集合Q_T。在EPO申请NO.08300154.5-2416中，描述了选择k的随机选择方法。

随机选择方法包括两个主要部分，针对每个选择尝试的随机选择以及在失败的传输尝试时的p持续回退。每当站想要从区间[0，M]中选择并且向其触发集合Q_T插入新元素时，该站随机地从区间[0，M]中可得的、当前不在其触发集合Q_T中的整数中选择值。可替换地，站保持过去的选择以及那些选择的结果的历史。采用后一种方法的站将选择具有较小的不成功传输尝试的那些值。例如，如果在当选择值k作为Q_T的元素的最近时段期间，站遭遇了比其它选择更多的网络冲突，则站将重新选择具有低概率的k作为触发元素/值。从而，连同在使用从0到M的每个整数作为传输触发时在过去的时段T期间失败的传输的数目，可能已经保持了针对该整数的表格、柱状图、矩阵或其它手段。然后，站将选择具有与在过去时段T期间失败的尝试的数目成负比例的概率的整数。例如，如果r(k)表示针对整数k的记录，则站将选择具有通过以下计算的概率q_k的k作为Q_T的新元素，

$q_k=\frac{r\left(k\right)}{\underset{j\∈Q_T}{\mathrm{\Σ}}r\left(j\right)}---\left(1\right)$

p持续回退机制基于不成功的帧传输的情况。站从触发集合Q_T中删除具有预定概率p的相应的元素k，并且必须选择用于插入触发集合的新元素以便采用上述随机选择方法弥补删除的元素。该过程持续地继续直至选择了产生成功传输的合适元素。

在随机选择方法中，在[0，M]中选择用于插入触发集合的候选整数是基于当在过去时段期间使用该整数用于传输触发时的传输结果的历史。由于用于选择决定的信息局限于本地传输记录，所以该方法简单并且易于实施。在这个意义上，R-DEB方法完全实现了针对无线LAN中多个访问的分布式确定性回退(注意到原始DEB算法依赖于集中式协调器来散布/更新用于每个站的全局信息)。然而，将选择过程限制在本地信息增加了网络冲突的概率。特别地，如果站A和站B所选择的两个元素与共享介质的时间线上的同一时间时隙对应，则当两个站使用用于介质访问的两个元素时，二者将相互冲突。

发明内容

直观地，如果可通过一些合理的手段(例如，被动探听/偷听(overhear))记录使用相同信道的相邻站的传输结果，则每个站将在多个候选项中选择具有与其它站低冲突概率的合适的元素时具有增强的置信度。在此描述一种提供针对R-DEB触发集合Q_T的智能选择的方法。在本发明的方法中，每次选择新触发元素变得必要时，站将基于该站能够记录的历史传输记录来评估每个候选元素的冲突概率，并且该站将为触发集合选择那些具有低冲突概率的元素。将由持续载波感测在线完成每个元素的历史记录。

现在将引入改善R-DEB性能的新方法。此新方法提供触发集合Q_T的智能选择。与随机选择算法相比较，此新方法通过合理地选择倾向于给出低网络冲突概率的元素用于插入触发集合来进一步减少网络冲突的概率。通过评估由使用相同信道的相邻站发起的传输结果的历史记录，移动站可从其它站之中辨别低冲突概率的元素，并且从而其可做出更好的选择决定。该构思是选择那些在最近的回退轮次期间其它站很少/几乎不使用的元素，这降低了在后续的回退轮次中的网络传输冲突概率。注意到EPO申请NO.08300154.5-2416中，虽然随机选择算法采用历史信息来确定触发集合，但该历史局限于本地信息(该站自身发起的传输尝试的结果)。然而，本发明的方法中，历史信息覆盖共享介质上发生的所有网络活动(可偷听到并且这样记录)以便给出考虑的网络中拥塞等级的更准确的简档。在此将此新方法命名为智能选择算法。

描述了一种方法以及装置，包括：为来自互补触发集合的多个候选事件之一更新历史记录，为每个所述候选事件确定繁忙指数，响应该繁忙指数确定选择概率，以及响应所述选择概率在互补触发集合中选择多个候选事件之一用于插入触发集合。

附图说明

当连同附图阅读时从以下详细描述中最好地了解本发明。附图包括以下简易描述的图，其中图中的相同数字表示近似元素：

图1A和1B一起为本发明的事件触发选择方法的流程图。

图2为本发明示范性实施例的框图。

具体实施方式

为了方便阐述，表示在区间[0，M]内的Q_T的互补集合(complementaryset)。即，表示这些没有被选择插入到触发集合Q_T的元素。本发明的智能选择算法的主要任务是通过评估集合中每个元素的历史记录，执行本发明的智能选择方法的站从集合中选择那些看上去不太可能或不经常被其它站在后续的回退轮次中使用的元素。换言之，对于集合中的每个元素k，本发明的该方法预测当使用k来触发数据传输时的冲突概率，并且最终将选择那些具有低概率的元素。

本发明的智能选择方法建立在这样的假设上，如果在过去若干回退轮次期间没有大量使用中的元素，则在后续回退轮次中仍将不使用它具有高概率。此假设跟随有观察R-DEB算法中的两个因素。第一，所有站共享为M的相同回退循环。术语M在此表示区间[0，M]的限制。即，M定义每个站的回退循环周期。第二，每个站执行持续的载波感测以便更新其回退时隙计数。这两个因素保留站之间相对时隙计数关系并且使得R-DEB以以下方式运行：从共享介质的观点，介质在每M个时间时隙被各站循环地复用。循环中的每个时间时隙假定由具有与该时间时隙对应的触发集合中一个元素的固定的一组站使用。直观地，针对互补触发集合中的元素k，如果历史记录指示每个循环中与k对应的时间时隙很少被使用，则自然推断出网络中很少有使用该时间时隙的站，或者在该时间时隙中几乎没有业务量出现。从而，选择k用于插入触发集合将产生低概率网络冲突。此观察支持本发明的智能选择方法。

典型地，本发明的智能选择方法包括三个单独组件：

1)在线介质状态记录，其中站感测该介质并且针对每个回退轮次为中每个元素记录介质状态。

2)繁忙指数(busy index)计算，其中针对中每个元素从介质状态记录导出繁忙指数，该繁忙指数指示在后续回退轮次中的对应时间时隙处介质状态变得繁忙的估算程度。

3)元素选择，其中站基于计算的繁忙指数来确定要选择插入触发集合的最佳元素。

下文中如下描述每个组件。

在线记录过程随着网络演进(evolve)针对集合中每个元素记录介质状态。随着时间流逝，每个站的时隙计数从M循环到0。考虑到每个回退循环中站的时隙计数的值，站的时隙计数以值M开始，并且在每个空闲时间时隙，其递减一直至其到达零。在到达零时，它再次被重置到最大值M。随着时隙计数减少，可能遇到一个或更多触发元素。如在此描述的，从区间[0，M]选择那些元素。在每个时间时隙，例如当slot_i(n)＝k时，站i利用在物理层提供的纯信道评定(clear channel assessment，CCA)机制来执行载波感测，以便确定共享介质在此时间时隙是否繁忙。将载波感测的结果添加到为的每个元素记录介质状态的表格或列表。例如，可能需要一个站针对中每个元素来记录最近L个循环的介质状态，并且构建这样的表格：

其中每一行表示在L个循环上中的元素的介质状态，而每一列给出一个循环内全部元素的介质状态。表格中的单元例如以1(繁忙)或0(空闲)指示介质状态。应该注意，可在不丢失一般性的情况下将这两个状态反转。从而，通过此表格，站确定在最近的L个回退循环期间中的元素的介质状态。

共享介质的广播特性促进了被动记录过程。针对每个时间时隙，所有站需要做的是根据介质感测结果减少/冻结其时隙计数，以及及时地向表格添加那些结果。由于R-DEB算法需要持续的载波感测执行以便同步分布式时隙计数的改变，可与感测过程一起执行更新历史表格，并且从而将不会招致使用R-DEB方法的系统的额外开销。

应该高效率地管理历史表格(或柱状图)并且每个时间时隙应该对其进行更新。例如，站可通过多队列来存储表格，每个队列与一个元素(表格中的一行)对应。位置指示符(indicator)用于队列以跟踪队列中最近插入的记录的位置，这加速了查询以及向队列中插入新记录。可使用本领域已知的任何其它多个数据结构。

所有历史记录被用作推导繁忙指数(BI)的基础，该繁忙指数表达了共享介质在与所考虑的元素对应的时间时隙处变得繁忙的置信度。对于中的元素k，表示r_-1、r_-2...、r_-L作为当在过去L个回退循环期间时隙计数等于k时的介质状态，则通过一些函数F为元素k估算/计算/确定繁忙指数：

BI(k)＝F(r_-1，r_-2，...r_-L)

应该谨慎设计函数F以便给出历史记录的准确的简档。给定了记录r_-1，r_-2...，r_-L，F应给出反映在后续回退轮次中与k对应的时间时隙处介质状态的估算或预测的值(繁忙指数)。由于肯定的(positive)历史记录比非肯定的记录更可能在将来的回退轮次中优先选择繁忙状态，F看上去是与记录r_-1、r_-2...、r_-L的单调递增函数。即

F(r_-1，r_-2，...，r_-j＝1，...，r_-L)＞F(r_-1，r_-2，...，r_-j＝0，...，r_-L)，对于任何j

例如，可选择F为

$F=\frac{\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{-i}}{L}$

以计算繁忙指数。或者作为更通用的形式，F可被表达为：

$\left\{\begin{array}{c}F=\mathrm{\α}\·r_{-1}+\mathrm{\β}\·r_{-2}+\mathrm{\γ}\·r_{-3}+\·\·\·\\ 1=\mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}+\·\·\·\end{array}\right.$

一旦估算/计算/确定了集合中每个元素的繁忙指数，则从集合选择最适合的元素用于插入触发集合Q_T。一种方式中，将选择那些具有最低繁忙指数的元素作为触发集合的候选项，并且如果存在平局(tie)将应用随机选择方法。此方式简单并且直接，但具有这样的风险，当多个站之间同时发生元素选择时，很可能这些站所选择的元素与共享介质的同一时间时隙对应。这是真实的，由于在理想条件下，对于与同一时间时隙对应的元素，每个站计算的繁忙指数应该相同。从而，每个站所选择的具有最低繁忙指数的元素，可能导致高概率地相互冲突。

为了减少多个站选择元素冲突的风险，作为另一种方式，随机化选择过程。即，以下式给出要选择用于插入触发集合的、互补触发集合中的元素k的概率：

$q\left(k\right)=\frac{{\mathrm{BI}\left(k\right)}^{-1}}{\underset{i\∈{\tilde{Q}}_T}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{BI}\left(i\right)}^{-1}}$

在这种方式中，相比那些具有较高繁忙指数的元素，将以更高的概率选择那些具有较低繁忙指数的元素用于插入触发集合。通过引入随机化，可减少站之间触发元素冲突的概率。仍然可能存在产生适合于选择过程的概率q(k)的其它函数。

图1A与1B一起为在站/移动终端/移动装置/节点/客户端实施的本发明的事件触发选择方法的流程图。在105初始化时隙计数。当通信介质(例如，信道)为空闲时，时隙计数在100递减。在115，执行测试以便确定时隙计数是否等于触发事件。如果时隙计数等于触发事件则在120执行测试以便确定是否存在要发送的数据/内容(将数据/内容格式化为帧或分组或任何其它便利的结构)。如果存在要发送的帧，则在125发起数据/内容传输(例如，作为帧)尝试。在130执行测试以便确定是否数据/内容传输成功。如果数据传输成功，则在140执行测试以便确定时隙计数是否为区间的最小值(例如，零)。如果时隙计数处于区间的最小值，则在105继续处理。如果时隙计数不是处于区间的最小值，则在110继续处理。如果在120没有要发送的数据/内容(帧)，则在140继续处理。如果时隙计数不等于触发事件，则在135更新当前时隙计数的历史记录。

如果在130尝试的数据/内容传输不成功，则在145生成随机数。在150执行测试以便确定该随机数是否大于p，其中p为失败的传输将造成从互补触发集合中选择新触发事件/元素的阈值/概率。如果随机数小于或等于p，则在155为候选元素/事件估算/计算/确定繁忙指数。在160为候选元素/事件估算/计算/确定选择概率。在165选择响应于选择概率的元素/事件。在140继续处理。

图2为本发明示范性实施例的框图。该框图在物理层与网络层之间并且因此在MAC层上。物理介质经由物理/纯信道评定(PHY/CCA)模块205与本发明连接。PHY/CCA模块为用于触发候选事件/元素模块210的历史记录器提供输入，该历史记录器记录通信介质在每个时间时隙的采样状态以便更新为那些在事件/元素集合中但不在触发集合中的元素/事件更新信道利用记录。PHY/CCA 205也向作为处理接收的帧(数据/内容)的模块的帧(数据/内容)接收模块215提供输入。触发集合管理实体模块220从用于触发候选事件/元素模块210的历史记录器以及帧(数据/内容)接收模块215接收输入。触发集合管理实体模块220负责为本发明的方法确定并且保持合适的触发集合。一旦检测到失败的传输尝试，则采用本发明的智能选择方法。触发集合管理实体模块向回退计数器管理实体模块225提供输入，回退计数器管理实体模块225响应于介质的状态(纯信道评定状态)控制回退时隙计数器的减少与重置。回退计数器管理实体模块225向PHY/CCA模块205提供输入。帧(数据/内容)接收模块215还向管理数据/内容缓冲器的数据缓冲和管理实体模块提供输入。数据缓冲和管理实体模块235与网络层联系并且还向处理用于传输的数据/内容的帧传输模块230提供输入。帧传输模块230向回退计数器管理实体模块225提供输入。

应该了解的是本发明可以由例如服务器内、中间装置(例如无线接入点或无线路由器)或移动装置内的各种形式的硬件(例如，ASIC芯片)、软件、固件、专用处理器、或其组合来实施。优选地，作为硬件与软件的结合来实施本发明。此外，最好作为在程序存储装置上有形体现的应用程序来实施该软件。应用程序可被上载到包括任何合适架构的机器并由该机器执行。优选地，在具有例如一个或更多中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)、以及(多个)输入/输出(I/O)接口之类的硬件的计算机平台上实施该机器。该计算机平台还包括操作系统以及微指令码。在此描述的各种处理与功能可以是经由操作系统执行的微指令码的部分或应用程序的部分(或其结合)。另外，例如附加数据储存装置和打印装置之类的各种其它外围装置可连接至该计算机平台。

应该进一步了解的是，因为优选地在软件中实施附图中描述的一些组成系统组件和方法步骤，所以系统组件(或处理步骤)之间的实际连接可能根据本发明编程的方式而不同。给定在此的教示，有关技术领域技术人员将能够预料本发明的这些以及类似的实施或配置。

Claims (5)

1.一种用于节点在分散的无线接入控制系统中为多媒体应用选择传输触发事件的方法，所述方法包括：

通过所述节点为处于互补触发集合中的要被插入到触发集合的多个候选事件之一更新历史记录，所述历史记录的更新是通过载波感测执行的，其中所述历史记录对通信介质在每个时间时隙处的状态进行记录；

通过所述节点对每个所述候选事件进行繁忙指数的第一确定，其中所述繁忙指数指示在后续回退轮次中的对应时间时隙处通信介质变得繁忙的估算程度；

响应所述繁忙指数通过所述节点对选择概率进行第二确定；以及

响应所述选择概率，通过所述节点在所述互补触发集合中选择所述多个候选事件之一用于插入到所述触发集合。

2.如权利要求1所述的方法，其中在检测到失败数据传输尝试时执行第一确定动作。

3.如权利要求2所述的方法，在检测到失败数据传输尝试时执行第一确定动作之前，所述方法还包括：

计算随机数；以及

将所述随机数与阈值相比较，其中所述阈值是所述失败数据传输尝试导致选择动作被执行的概率。

4.一种在分散的无线接入控制系统中为多媒体应用选择传输触发事件的装置，包括：

用于为处于互补触发集合中的要被插入到触发集合的多个候选事件之一更新历史记录的部件，所述历史记录的更新是通过载波感测执行的，其中所述历史记录对通信介质在每个时间时隙处的状态进行记录；

用于对每个所述候选事件进行繁忙指数的第一确定部件，其中所述繁忙指数指示在后续回退轮次中的对应时间时隙处通信介质变得繁忙的估算程度；

用于响应所述繁忙指数对选择概率进行第二确定的部件；以及

用于响应所述选择概率在所述互补触发集合中选择所述多个候选事件之一用于插入到所述触发集合的部件。

5.如权利要求4所述的装置，其中，由触发集合管理实体模块执行第一确定动作和第二确定动作以及选择动作。