CN102665243B

CN102665243B - 一种超高速无线局域网中的信道聚合方法

Info

Publication number: CN102665243B
Application number: CN201210094145.3A
Authority: CN
Inventors: 夏玮玮; 林劲涛; 沈连丰; 胡静; 宋铁成; 李俊超; 鲍楠
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: CN102665243A

Abstract

本发明公开了超高速无线局域网中一种基于等待的信道聚合方法，包括4个过程：信道监视过程在运行时不断监视主信道及辅信道，获得实时的信道网络分配矢量（NAV,NetworkAllocationVector）信息及信道负载信息。当设备有帧需要发送时，在主信道使用竞争退避过程竞争主信道接入权限。在获得主信道接入权限后，设备根据NAV信息、信道负载信息以及从媒介访问控制子层（MAC,MediaAccessControl）帧中获得服务质量（QoS,QualityofService）信息运行判决过程，即按照一定的判决规则判决是否等待辅信道。最后，设备根据判决结果，使用多信道接入过程指示物理层接入信道。

Description

一种超高速无线局域网中的信道聚合方法

技术领域

本发明综合考虑业务的服务质量（QoS, Quality of Service）要求、信道负载及网络分配矢量（NAV, Network Allocation Vector）信息，衡量信道聚合时等待辅助信道对于QoS以及传输速率的影响，提出了超高速无线局域网中的一种信道聚合方法，属于无线通信领域。

背景技术

随着新型互联网应用对于传输速率要求的提高，传统的使用单一20MHz信道的无线局域网标准越来越无法适应新兴高速率应用的需求。通过使用更高效的物理层传输技术，可以使得无线局域网的传输速率不断提高。然而，在一定的信噪比情况下，传输速率最高只能逼近香农极限，因此，要获得更高的传输速率，必须使用更大的带宽。

通过同时利用多个信道进行传输，信道聚合能够提高传输带宽，同时保证对于非聚合用户的兼容。随着各国逐渐开放5GHz信道用于超高速无线局域网，可使用的不交叠信道数量大大增加，也就使得信道聚合的实用性提高。然而按照目前的聚合方法，聚合用户接入多个信道的概率较低，使得信道聚合的效果较差，在网络负载较重的地区，甚至无法接入信道，严重影响了QoS。

本方法要解决的问题是：如何综合考虑业务的QoS要求，信道负载及NAV信息，衡量信道聚合时等待辅助信道对于QoS以及传输速率的影响，设计超高速无线局域网中的一种高效的信道聚合方法，使得聚合用户能够聚合更多的信道，从而提高传输速率，同时保证QoS以及与非聚合用户的兼容。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供超高速无线局域网中的一种信道聚合方法。本方法可以最大化系统吞吐量，并保证QoS以及与非聚合用户的兼容。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了超高速无线局域网中的一种信道聚合方法，该方法在建立网络时，就已经指定一条主信道及若干条可以用于聚合的辅信道，设备在运行时使用信道监视过程不断监视主信道及辅信道，当设备有帧需要发送时，在主信道使用竞争退避过程竞争主信道接入权限，在获得主信道接入权限后，启用判决过程，判断是否等待辅信道，最后，设备根据判决结果，使用多信道接入过程接入信道，该方法具体包括如下步骤：

1）信道监视过程：启动时，与网络中的接入点AP交互，得到信道负载信息，用以初始化本设备的信道负载寄存器；运行中，不断监视信道，获得实时的信道网络分配矢量NAV信息及信道负载信息；

2）竞争退避过程：设备等待主信道空闲分布式协调功能帧间间隔DIFS，然后随机选择一个退避时钟，只要主信道空闲，则该退避时钟在每个时隙递减；若主信道忙碌，则暂停递减过程，当退避时钟递减为零时，设备获得主信道的接入权限；

3）判决过程：设备根据NAV信息、信道负载信息以及从媒介访问控制子层MAC帧中获得服务质量QoS信息按照一定的判决规则判决是否等待辅信道；

4）多信道接入过程：设备根据辅信道的空闲情况，按照可用辅信道的判定规则判定可用辅信道，指示物理层在主信道及可用辅信道上进行传输。

所述的NAV信息用于描述当前时刻信道上传输的帧还需要多少时间才能结束，在信道监视过程中，若信道上有新的帧开始传输，解调该帧的帧头，用帧头中的帧长度信息及帧速率计算帧持续时间，更新该信道的NAV寄存器；若信道上无新的帧开始传输，则在每个时隙将NAV寄存器中的值递减，直到递减为零。

信道负载信息用于描述信道的拥挤程度，为信道单位时间内传输的帧个数，在信道监视过程中，统计单位时间内信道上传输的帧个数，用以更新信道负载寄存器。

所述的判决规则如下：从NAV中得到辅助信道x离传输结束的剩余时间表示为T _x,left，判断在当前的信道拥挤程度下，等待T _x,left时间是否能满足QoS对于时延及传输速率的要求，若不满足，则不等待；若满足，再判断等待T _x,left时间后，通过接入更多信道带来的速率提升，用R _x,gain表示，是否大于由于碰撞及信道被别的设备占据所带来的速率损失用R _x,lose表示，若R _x,gain<R _x,lose，则不等待；反之，则等待。

多信道接入过程中可用辅信道的判定规则如下：在当前时刻，若辅信道x为空闲且持续空闲的时间超过点协调功能帧间间隔PIFS，则辅信道x为可用辅信道；否则，为不可用辅信道。

速率提升由以下因素造成：由于等待，聚合用户可以聚合更多的辅助信道，而越多的信道能够得到更高的速率。速率损失由以下因素造成：由于等待，主信道或辅信道可能被别的用户占据，从而失去这一帧的传输权力；由于聚合更多的信道，带来更大的碰撞概率。这些可以由信道负载，即帧的到达率计算出统计意义上的速率损失。当信道负载较重时，帧的到达率较高，计算出的速率损失较大，通过等待得到的速率提升不易超过速率损失，因此，聚合用户有更高的概率不等待；当信道负载较轻时，帧的到达率较低，计算出的速率损失较小，通过等待得到的速率提升容易超过速率损失，因此，聚合用户有更高的概率等待辅信道。

有益效果：本发明充分利用有限的频谱资源，在保证传输业务的QoS以及与非聚合用户的兼容性的情况下，尽可能提高聚合用户的吞吐量。所述方法综合考虑业务的QoS要求，信道负载及NAV信息，衡量信道聚合时等待辅助信道对于QoS以及传输速率的影响，通过选择性地等待辅助信道空闲，使得聚合用户能够聚合更多的信道，从而提高聚合用户的吞吐量。

附图说明

图1是方法的总体流程示意图。

图2是信道监控过程的流程图。

图3是设备发送一帧的流程图。

图4是判决过程的流程图。

具体实施方式

1）信道监视过程：启动时，与网络中的接入点AP（Access Point）交互，得到信道负载信息，用以初始化本设备的信道负载寄存器；运行中，不断监视信道，获得实时的信道网络分配矢量NAV（ Network Allocation Vector）信息及信道负载信息；

2）竞争退避过程：设备等待主信道空闲分布式协调功能帧间间隔DIFS（DCF Inter-frame Space），然后随机选择一个退避时钟，只要主信道空闲，则该退避时钟在每个时隙递减；若主信道忙碌，则暂停递减过程，当退避时钟递减为零时，设备获得主信道的接入权限；

3）判决过程：设备根据NAV信息、信道负载信息以及从媒介访问控制子层MAC（ Media Access Control）帧中获得服务质量QoS（Quality of Service）信息按照一定的判决规则判决是否等待辅信道；

4）多信道接入过程：设备根据辅信道的空闲情况，在当前时刻，若辅信道x为空闲且持续空闲的时间超过点协调功能帧间间隔PIFS，则辅信道x为可用辅信道；否则，为不可用辅信道。指示物理层在主信道及可用辅信道上进行传输。

下面将参照附图对本发明进行说明。

如图1所示，本发明提出的方法包括4个过程。在建立网络时，就已经指定一条主信道及若干条可以用于聚合的辅信道。

在一个无线局域网的基本服务集（BSS, Basic Service Set）中，AP是处于持续运行状态；而设备（STA, Station）由于电池等原因，并不会时时刻刻都接入BSS。AP负担建立BSS的任务。在AP开启时，并不存在其他设备，此时，将AP的NAV寄存器和信道负载寄存器都初始化为0。在运行中，随着STA的接入，信道不再空闲，AP需要不断监视信道。若信道上有新的帧开始传输，解调该帧的帧头，用帧头中的帧长度信息及帧速率计算帧持续时间，更新该信道的NAV寄存器，同时，在每个时隙将NAV寄存器中的非零值递减。信道负载寄存器需要周期性的更新。统计单位时间内信道上传输的帧个数，周期性地将其存入信道负载寄存器的对应元素中。

STA在启动无线局域网时接入BSS，需要首先与AP交互，得到AP中的NAV寄存器和信道负载寄存器信息；在运行过程中，与AP类似，不断监视信道，在每个时隙将NAV寄存器中的值递减，若信道上有新的帧开始传输，解调该帧的帧头，用帧头中的帧长度信息及帧速率计算帧持续时间，更新该信道的NAV寄存器；统计单位时间内信道上传输的帧个数，将其存入信道负载寄存器的对应元素中。

这样，AP及STA都可以保证NAV寄存器和信道负载寄存器均反映当前的信道运行的实时情况。信道监视过程的流程图如图2所示。

如图3所示，当设备有帧需要发送时，在主信道使用竞争退避过程竞争主信道接入权限。设备等待主信道空闲DIFS时间，然后随机选择一个退避时钟。只要主信道空闲，则该退避时钟在每个时隙递减；若主信道忙碌，则暂停递减过程。当退避时钟递减为零时，设备获得主信道的接入权限。在获得主信道接入权限后，启用判决过程，设备根据NAV信息、信道负载信息以及从MAC帧中获得QoS信息按照一定的判决规则判决是否等待辅信道。最后，设备根据判决结果，使用多信道接入过程接入信道。设备根据辅信道的空闲情况，使用如下规则判定可用辅信道：在当前时刻，若辅信道x为空闲且持续空闲的时间超过PIFS时间，则辅信道x为可用辅信道；否则，为不可用辅信道。根据可用辅信道判决结果，指示物理层在主信道及可用辅信道上进行传输。

其中，在判决过程中的判决规则如图4所示并简述如下：从NAV中得到辅助信道x离传输结束的剩余时间T _x,left。将剩余时间按降序排序，将排序结束后得到等待时间记为

其中n为辅助信道数量，进行如下步骤：

（1）令i=1。

（2）判断在当前的信道拥挤程度下，若等待时间，是否还能满足QoS对于时延及传输速率的要求，若不满足，则跳转到第（3）步。若满足，再判断等待

时间后，通过接入更多信道带来的速率提升（用

表示），是否大于由于碰撞及信道被别的设备占据所带来的速率损失（用

表示）。若，则跳转到第（3）步；反之，跳转到第（4）步。

（3）若i=n，则跳转到第（5）步；若i<n，则i=i+1，跳转到第（2）步。

（4）输出判决信息：等待且等待时间长度为

。结束判决流程。

（5）输出判决信息：不等待。结束判决流程。

步骤（2）中等待带来的传输速率提升及损失可以由信道负载计算得到。速率提升由以下因素造成：由于等待，聚合用户可以聚合更多的辅助信道，而越多的信道能够得到更高的速率。速率损失由以下因素造成：由于等待，主信道或辅信道可能被别的用户占据，从而失去这一帧的传输权力；由于聚合更多的信道，带来更大的碰撞概率。这些可以由信道负载，即帧的到达率计算出统计意义上的速率损失。当信道负载较重时，帧的到达率较高，计算出的速率损失较大，通过等待得到的速率提升不易超过速率损失，因此，聚合用户有更高的概率不等待；当信道负载较轻时，帧的到达率较低，计算出的速率损失较小，通过等待得到的速率提升容易超过速率损失，因此，聚合用户有更高的概率等待辅信道。

Claims

1.一种超高速无线局域网中的信道聚合方法，其特征在于：该方法在建立网络时，就已经指定一条主信道及若干条可以用于聚合的辅信道，设备在运行时使用信道监视过程不断监视主信道及辅信道，当设备有帧需要发送时，在主信道使用竞争退避过程竞争主信道接入权限，在获得主信道接入权限后，启用判决过程，判断是否等待辅信道，最后，设备根据判决结果，使用多信道接入过程接入信道，该方法具体包括如下步骤：

4）多信道接入过程：设备根据辅信道的空闲情况，按照可用辅信道的判定规则判定可用辅信道，指示物理层在主信道及可用辅信道上进行传输；

所述的NAV信息用于描述当前时刻信道上传输的帧还需要多少时间才能结束，在信道监视过程中，若信道上有新的帧开始传输，解调该帧的帧头，用帧头中的帧长度信息及帧速率计算帧持续时间，更新该信道的NAV寄存器；若信道上无新的帧开始传输，则在每个时隙将NAV寄存器中的值递减，直到递减为零；

信道负载信息用于描述信道的拥挤程度，为信道单位时间内传输的帧个数，在信道监视过程中，统计单位时间内信道上传输的帧个数，用以更新信道负载寄存器；

所述的判决规则如下：从NAV中得到辅助信道x离传输结束的剩余时间表示为T_x,left，判断在当前的信道拥挤程度下，等待T_x,left时间是否能满足QoS对于时延及传输速率的要求，若不满足，则不等待；若满足，再判断等待T_x,left时间后，通过接入更多信道带来的速率提升，用R_x,gain表示，是否大于由于碰撞及信道被别的设备占据所带来的速率损失用R_x,lose表示，若R_x,gain<R_x,lose，则不等待；反之，则等待。

2.根据权利要求1中所述的超高速无线局域网中的信道聚合方法，其特征在于：多信道接入过程中可用辅信道的判定规则如下：在当前时刻，若辅信道x为空闲且持续空闲的时间超过点协调功能帧间间隔PIFS，则辅信道x为可用辅信道；否则，为不可用辅信道。