CN102668430A

CN102668430A - Wlan 数据速率适配方法

Info

Publication number: CN102668430A
Application number: CN2010800434195A
Authority: CN
Inventors: 刘巍; 隋诚; 张军彪; 于劲飞
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: InterDigital CE Patent Holdings SAS
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: US20120243523A1; EP2484035A1; KR20120091021A; EP2484035B1; WO2011039053A1; KR101773634B1; CN102668430B; JP2013506370A; JP5684266B2; EP2302828A1; US9270408B2

Abstract

一种发射器与接收器之间通过一信道进行通信的方法。所述发射器能够以多个数据速率传输数据包，每个数据速率在通信性能方面适配于各个信道条件。所述方法在发射器侧包括：当检测到信道条件恶化消失时，从在所述恶化消失之前稳定使用的一组稳定数据速率中挑选一数据速率传输数据包，所选的数据速率大于所述恶化消失之前的最后数据速率。

Description

WLAN 数据速率适配方法

技术领域

本发明总体上涉及无线通信领域，具体而言，本发明涉及无线局域网（WLAN）在具有稳定信道条件的网络环境下的数据速率适配（adaption）方法。

背景技术

WLAN是这样一种网络系统，其有线局域网的一部分由无线系统构成，其中无线基站可以通过接入点桥接至骨干网络。

用于WLAN数据通信的IEEE802.11标准提供了多速率功能，其中发射器可以根据信道条件的质量从多个可选数据速率中选择任意一个速率传输数据包。即，IEEE802.11标准的物理层（PHY）支持发射器通过（例如根据接收器对于接收到的数据包的信号强度的反馈）动态地选择合适的调制技术进行多速率传输。这进而允许无线网络接口卡（WNIC）将传输速率适配于无线信道条件。

下面的表格显示了IEEE802.11标准中使用的调制和编码方案（MCS）。从该表格中可以看出，通过采用各自的MCS将每个传输速率适配至各个无线信道条件。如果无线信道条件无法支持一个给定的MCS，则将采用另外的MCS以获得较高处理量。

表格1

虽然IEEE802.11标准包括了用于802.11MAC协议的规格书和面向RF的PHY参数，其没有定义任何具体的数据速率适配方案或者速率控制算法（RCA）。这个方面由设备制造商自行决定如何改进。已经提出了数种用于IEEE802.11标准的数据速率适配方法。下面将简要介绍一些已知的RCA。

1.ARF和Onoe算法

ARF（自动速率回退）针对于WaveLAN-II 802.11WNIC开发。根据ARF，每个发射器在以给定速率连续进行预定数量的传输之后将尝试使用较高传输速率并且在连续两次失败之后转回低于当前使用速率的速率。

ARF算法的优势在于能够应用于较小设备并且在无线信道质量频繁变化的条件下具有较好性能。但是，虽然比较容易部署在实际应用环境中，ARF算法在无线链路具有由环境变化造成的数据包丢失的很大波动的情况下性能较差。例如，在家庭环境，人们更倾向于坐着享受无线应用带来的快乐，而不会频繁走动。而在这种情况下，ARF可能经常或在固定时间段内将数据包传输速率从最优值增加至另外一个值。这个程序将会花费很多时间来尝试许多实际上终将失败的传输速率。

与ARF采用相同思路的Onoe算法是一种基于信用（credit）的RCA，其中用信用来评价当前数据包传输速率下的性能（类似评分系统）。所述信用的数值由固定期间（例如1000ms）内的连续传输、错误传输以及累积的重传的数量决定。如果在某个速率下小于10%的数据包需要重传，Onoe算法将持续增加其信用点直至到达阈值（例如10）。在此时刻，当前传输速率将增加至下一个可用的较高速率并且将信用评分归零并重复该过程。相似的逻辑用于对失败的数据包传输/重传尝试降低信用评分并移动至较低比特率。

虽然能够减轻信道条件的波动的影响，Onoe算法相对比较保守。即，一旦Onoe算法探测到传输速率不起作用，其将在10秒钟内尝试再次逐级提高速率。并且，如果由于某种原因无线信道条件恶化，在大多数情况下Onoe算法将浪费大约9秒钟以逐级降低速率。假设传输速率由于偶然干扰从24Mbps降低至5.5Mbps，根据计算，Onoe算法将在干扰消失之后用60秒钟时间恢复至先前的24Mbps速率，这对于实际应用而言是巨大的资源消耗。

2．AARF和AMRR（自适应多速率重试）算法

如上所述，ARF每10个连续数据包将尝试采用较高速率，这将导致增加的重传尝试的次数，并且如果信道条件相对稳定则会降低应用处理量。为了克服上述缺点，提出了一种称为AARF（自动ARF）的方案来增加用于判断何时增加当前速率（例如从10到40或者80）的阈值。AARF是ARF的扩展，其中每当该算法试图增加数据包传输速率但是随后的数据包失败时晋级参数（step up parameter）加倍。这样就可以在信道条件未剧烈波动的条件下极大地增加处理量。

AARF算法的一个弱点是，即使信道条件支持此速率，该算法也将需要更多时间晋级到最优传输速率。这是因为丢包到处都存在，AARF将会放大偶然丢包，这将导致较长的适应时间。

与AARF类似，AMRR算法也利用二进制指数技术来适配用于改变传输速率参数的数值的采样周期的长度（阈值）。结合到Madwifi802.11驱动器的AMRR实施与AARF相同的算法原理。因此，AMRR具有与AARF相同的弱点。

3．SampleRate算法

SampleRate算法基于性能历史确定传输速率。在此算法中，发射器保留连续失败数量、连续传输数量和总传输时间以及该传输速率的目的地的记录。基于评估窗口机制除去不适用的速率。

如果出现四个连续失败，SampleRate算法就停止采用一个传输速率。因此当通过一个链路上开始发送数据包时，SampleRate将减小传输速率直至找到能够发送数据包的传输速率。SampleRate算法每十个数据包从可能比当前比特率更佳的一组比特率中随机挑选一个传输速率并利用该传输速率发送数据包。为了计算每个传输速率的平均传输时间，SampleRate利用来自无线卡的反馈计算每个数据包的传输需要多长时间。SampleRate利用数据包长度、传输速率和重试次数计算每个数据包所用传输时间。

特别是在经常发生丢包的信道环境下SampleRate可以获得较好性能。与某些其他现有的RCAs相比，SampleRate可以更快地适应无线信道条件波动。但是根据该算法的原理，可以知道SampleRate实际上是通过概率方式获得最优传输速率。因此，SampleRate将会花费较长时间才能达到最优传输速率，特别是在干扰消失后从由偶然干扰造成的较低速率恢复到先前的较高速率的情况下更是如此。

结论是，包括上述RCA在内的传统数据速率适配方法具有共同的缺点，即数据速率很容易降低但很难恢复。

图1是示出了现有RCA的调节过程的示意图。如图1中的线101所示，当发生偶然的无线干扰时，RCA将通过逐级降低传输速率至较低值而迅速地进行响应。但是，在干扰消失后，RCA将花费较多时间才能将传输速率恢复至干扰产生前的水平，如图1中的线102所示。例如，根据上述Onoe算法，在绝大多数情况下，当信道条件由于干扰而变差时，只需要5个数据包的传输失败时间（包括重试时间）数据包传输速率就能从24Mbps降低至11Mbps。但是在干扰消失之后的两道信道条件下，传输速率恢复至24Mbps将需要大概50秒钟。

上述共同的缺点产生的主要原因是，全部现有RCA都假设无线网络将在一种信道条件由于各种干扰而频繁变化的环境中运转。但是，如果考虑在相对较稳定的环境中工作的专用网络（例如家庭WLAN），就需要一种更高效的数据传输速率适配方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种发射器与接收器之间通过一信道进行通信的方法。所述发射器能够以多个数据速率传输数据包，每个数据速率在通信性能方面适配于各个信道条件。所述方法在发射器侧包括：当检测到信道条件恶化消失时，从在所述恶化消失之前稳定使用的一组稳定数据速率中挑选一数据速率传输数据包，所选的数据速率大于所述恶化消失之前的最后数据速率。

根据本发明的另一个方面，提供了一种多速率WLAN中的数据速率适配方法。在所述WLAN中，发射器能够以多个数据速率向接收器传输数据包，每个数据速率在通信性能方面适配于各个信道条件。所述方法在发射器侧包括：当检测到信道条件恶化消失时，从在所述恶化消失之前稳定使用的一组稳定数据速率中挑选一数据速率传输数据包，所选的数据速率大于所述恶化消失之前的最后数据速率。

附图说明

通过下面结合附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明，本发明的上述和其他方面、特征和优点将变得易于理解，其中：

图1是现有数据速率适配方法的调节过程的示意图；

图2是根据本发明实施方式的数据速率适配方法原理的示意图；

图3是根据本发明实施方式的数据速率适配方法的示意图；

图4是根据本发明实施方式的判断干扰消失的过程的流程图；和

图5（a）、5（b）和5（c）是当无线接收器工作在各种条件下而无线发射器采用根据本发明实施方式的方法时的通信性能的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明的实施方式进行说明。为了说明的目的，对具体结构和细节进行了阐述以使本发明得到更透彻的理解。但是，本领域普通技术人员可以理解，本发明的实施并不必须按照所述细节进行。

1．应用环境

WLAN可以应用于室内和室外环境中。室内环境（例如家庭、办公楼、医院和教室中）通常具有比室外环境更稳定的信道条件。

例如，在办公楼中，作为接收器的无线基站（或任何具有无线性能的设备）通常在房间的固定位置工作，而不在室内频繁移动。上述无线基站可以是笔记本、PDA（个人数字助理）或其他手持设备。在这种情况下，无线基站的无线信道条件是稳定的并且不会频繁变化。当然，无线信道条件可能由于（例如由无线基站的移动或室内的其他大的移动物体造成的）某些偶然干扰而恶化。但是信道质量只是在较短时间内受到干扰的影响，在这种干扰消失之后将不会发生大的变化。在这种情况下，作为发射器的无线接入点在数据速率适配方面具有稳定的信道条件。

根据本发明实施方式的数据速率适配方法优选用于上述网络环境。

2.基本途径

如上所述，传统数据速率适配方法的问题是，在干扰消失之后需要较长时间才能恢复数据速率。考虑到此问题，本发明的实施方式提出的方案是，在干扰消失后将发射器的数据速率直接适配至干扰消失之前稳定使用的数据速率。根据本发明的实施方式，降低了数据速率适配的过渡时间，从而改善了WLAN的处理量性能。

图2是根据本发明实施方式的数据速率适配方法原理的示意图。

如图2所示，当判断发生了偶然干扰时，将如图2中的线201所示对发射器的数据传输速率进行适配，这与图1所示现有技术类似。这种适配将保证干扰发生时不会引入很多的丢包。但是根据本发明的实施方式，当干扰消失时，数据速率直接适配至干扰消失之前稳定使用的先前稳定数据速率，如图2中的线202所示。与图2中的线203所示的现有技术的适配相比，根据本发明实施方式的适配方法将以较短过渡时间恢复至稳定传输速率。本发明可以并入现有RCA中以进一步改善WLAN的处理量性能。

3.详细工作流程

图3是根据本发明实施方式的数据速率适配方法的示意图。

如图3所示，在正常信道条件下，发射器采用图中的线301所示的最大数据速率。当发生干扰时，数据速率将通过逐步地向下尝试如图中的线302、303和304所示的传输速率并最终设置为线305所示的速率而适配于干扰下的信道条件。根据本发明的实施方式，如果干扰消失，将数据速率从速率305直接调节至速率306，速率306等于先前稳定速率，本实施方式中为速率302。从图3中可以看出，根据本发明的实施方式，传输速率适配所用过渡时间较短，从而处理量性能将得到改善。

在本发明的实施方式中，引入了术语“稳定速率”。图3中，分别由线301、302和305表示的数据速率是稳定速率，而由线303和304表示的数据速率不是稳定速率，可以称为“过渡速率”。

下面，将对如何定义“稳定速率”进行说明。可以选择数个参数（例如此速率下连续传输的数据包数量和总传输时间）来定义稳定速率。例如，当选择连续传输数据包数量，则可采用STABLE_RATE_THRESHOLD代表传输数据包数量阈值。可以将连续传输数据包数量等于或大于STABLE_RATE_THRESHOLD的传输速率定义为稳定速率。相反，可以将连续传输数据包数量小于STABLE_RATE_THRESHOLD的传输速率定义为过渡速率。

类似的，在选择总传输时间的情况下，可以设置阈值来定义稳定速率和过渡速率。

本领域普通技术人员可以理解，也可以选择其他标准来确定稳定速率。稳定速率和过渡速率的定义可以区分开无线信道条件的长期和短期波动。

如上所述，在干扰消失之后，将传输速率直接适配为等于两个先前稳定速率301和302中的302。

先前稳定速率是干扰消失之前的稳定速率但是不包括进行适配的当前速率。根据本发明的实施方式，可以采用预定标准确定选择哪一个先前稳定速率之一进行适配。例如，保守而言，可以选择全部先前稳定速率中的最小值进行适配，本实施例即是这种情况。另外的实施例中，可以选择全部先前稳定速率中的最大值。在这种情况下，数据速率306等于稳定速率301。

本领域普通技术人员可以理解，当将速率设置为先前稳定速率之后，根据信道条件的质量进行进行传输速率适配。下面将参考图5对此方面进行详细说明。

如上所述，根据本发明实施方式的方法可以集成在现有RCA中，因此可以根据采用的RCA确定稳定速率。下面将以本方法与Onoe速率控制算法一起使用为例对如何确定稳定速率的和选择用于适配的先前稳定速率进行说明。

本实施例的要点在于：

（1）如果在一个速率上没有连续传输数据包，则不将此速率标记为稳定速率。

（2）如果在一个速率上连续传输的数据包的数量小于10，则不将此速率标记为稳定速率。

（3）如果在一个速率上的传输时间小于1秒，则不将此速率标记为稳定速率。此点的基础在于Onoe将不计算1秒时间间隔内的信用。

（4）可以将其他情况的速率标记为稳定速率。

（5）从全部先前稳定速率中选择最小的速率进行速率适配。

在此实施方式中，考虑到无线信道的波动特性，可以保守地选择先前稳定速率中的最小速率进行适配。但是对于大多数具有较快速率降低和较慢速率升高特征的RCA而言，也可以选择先前稳定速率中的最大速率进行适配，这可以根据实际的应用场合来确定。

在速率选择的实施过程中，提出了一种称为RateUsed的表数据结构，其包括可以使用的全部稳定数据速率。该表用于记录全部先前稳定速率，从中可以选择一个速率用于适配。所述速率表如下：

优选地，可以采用一个定时器来定期地清除上述表中的“陈旧的”统计信息。

下面，将说明用于确定“干扰消失”的指示符选择的实施方式。

有几种方案可以用来判断干扰消失。在一个实施方式中，传输的数据包丢失或重试计数可用作判断干扰消失的指示符。假设可以观察到明显的数据包丢失和平均传输重试，其在偶然干扰出现时导致传输速率迅速降低至较低数值，在此较低传输速率下数据包丢失和平均传输重试将保持在合理值。因此，如果干扰消失并且无线信道质量可以支持较高传输速率，则可以考虑数据包丢失率和平均重试计数将极大地降低。

考虑一种相对激进的标准来判断干扰消失，如果检测到某个数量的连续数据包成功传输而无重试，可以判断干扰消失。此处，提出用于判断的参数INTERFERENCE_PACKET_THRESHOLD。如果成功传输而无重试的连续数据包的数量超过参数INTERFERENCE_PACKET_THRESHOLD，可以根据本发明的实施方式将传输速率直接调节至“先前稳定速率”。

由于无线信道的波动特征，上述判断误差消失的标准有一点激进或者不充分。换言之，在很多情况下，即使误差消失，成功传输而无重试的连续数据包的数量也无法达到所述阈值。考虑到这一点，在某种情况下可以利用另一种标准，其中通过信息处理或统计方法作为联系同时采用数据包丢失或平均重试计数。

更精确的复合指示符可以采用更多标准，例如数据包丢失率、重试计数、RSSI（接收信号强度指示符）或SNR（信噪比）值。例如，可以采用数据包丢失率或平均重试计数以及测量的SNR或RSSI作为第二判断。在这种情况下，可以设计测试窗口来计算平均数据包丢失率或重试计数和RSSI/SNR，与通常的RCA操作类似。当然，在这种情况下，优选地要是适当选择测试窗口的长度。但是，需要指出，本发明的实施方式不需要较大的测试窗口。根据交互信息理论，在长采样周期上进行长期估计实际上并无帮助。所述交互信息指示两个随机变量的相互依赖性，即一个随机变量能够告知另一个随机变量多少信息。在给定时间的传输成功/失败将被作为随机变量以计算用于不同时间的两个事件的相同信息。实验显示过大的测试窗口并无效果，而且甚至给出错误的估计结果。因此，如果数据包丢失率或平均重试计数低于参数INTERFERENCE_SECOND_THRESHOLD，在适当的窗口长度内还可以利用某些其他辅助标准来确定随机干扰是否消失。

图4是根据本发明实施方式的判断干扰消失的过程的流程图。在图4中，“noErrorNumber”用于表示没有重试的连续数据包传输的数量。如上所述，虽然有些激进，但可以通过此标准判断干扰消失，如图4中步骤S401所示。如果步骤S401的判断结果是“否”，可以采用PLR（固定窗口尺寸内的数据包丢失率）和SNR/RSSI的结合作为第二标准。如图4中步骤S402和S403所示，如果PLR小于一阈值并且SNR/RSSI大于阈值ASSISTANT_THRESHOLD，也可以判断出干扰消失。

可选择地，也可以采用现有RCA中的判断干扰消失的方法。例如，根据Onoe算法，如果当前传输速率具有10个或更多的信用则增加传输速率。类似的标准也可以用于本发明的实施方式中。

在802.11n中，接收器侧的推荐MCS（调制和编码方案）可以由接收器反馈至发射器，这是指示接收器侧信道条件的更精确的方法。

以上说明了用于判断干扰消失的几种方法。所有这些方法都有激进地增加传输速率的风险。但是，考虑到大多数RCA在速率不适合的情况下都会迅速降低传输速率，根据本发明实施方案的方法总体上必将增强处理量性能。

以上对根据本发明实施方式的数据速率适配方法进行了解释。此方法优选用于较稳定的信道环境下，实际上室内应用的大多数情况都是如此。

下面将结合附图5对无线发射器采用根据本发明实施方式的方法的情况下无线接收器在各种条件下运转时的通信性能进行说明。假设无线接收器不断移动，从而导致无线信道的质量不断波动。

在第一种情况下，接收器从房间A移动至无线信道条件比房价A差的房间B，根据本发明实施方式的速率适配方法，在干扰消失之后，无线发射器将采用先前稳定速率，其有可能高于房间B内的信道条件所支持的适当速率。在这种情况下，发射器的传输速率将由于较高数据包丢失率而迅速降低，如图5（a）所示。已知的是，只用很短的事件就能够降低速率。因此在这种情况下很快就能获得实际的稳定速率。从图5（a）可以看出，虽然这种情况下处理量性能可能受到一点影响，但通常而言由于过渡时间非常短，性能降低的程度是可以接受的。

第二种情况与第一种情况相反，其中接收器从房间B移动至无线信道条件比房间B好的房间A。根据本发明实施方式的速率适配方法，在发射器将传输速率直接适配至所述先前稳定速率之后，将从所述先前稳定速率开始根据无线信道条件继续调节传输速率。如图5（b）所示，由于信道条件变好，传输速率将被调节至高于所述先前稳定速率的值。可以理解，与传统方案相比，本发明的方法可以极大地改善处理量性能。

在室内应用中极少出现的特殊的第三种情况下，不存在稳定的环境。在这种情况下，只有检测到稳定信道条件，无线发射器才会根据本发明的方法直接适配先前稳定速率。在极端情况下，如果做出了错误判断并且将速率调节至先前稳定速率，惟一的结果就是会引入某些速率波动。在这种情况下只对处理量性能造成很小的负面影响。

根据上述分析可以看出，根据本发明实施方式的方法在绝大多数室内无线应用中可以极大地改善处理量性能。

虽然结合附图对本发明的实施方式进行了说明，但可以理解，本发明并不局限于所述实施方式，本领域普通技术人员根据本发明的范围和原理可以实现各种变化和修改。所有这些变化和修改都处于由所附权利要求书限定的本发明的范围内。

Claims

1.一种发射器与接收器之间通过一信道进行通信的方法，其中所述发射器能够以多个数据速率传输数据包，每个数据速率在通信性能方面适配于各个信道条件，其特征在于，所述方法在发射器侧包括：

当检测到信道条件恶化消失时，从在所述恶化消失之前稳定使用的一组稳定数据速率中挑选一数据速率传输数据包，所选的数据速率大于所述恶化消失之前的最后数据速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述稳定速率上连续传输的数据包的数量等于或大于预定值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述稳定速率上总的连续传输时间等于或大于预定值。

4.根据权利要求1－3中任一所述的方法，还包括以所述一组稳定数据速率中的最小速率传输数据包。

5.根据权利要求1－3中任一所述的方法，还包括以所述一组稳定数据速率中的最大速率传输数据包。

6.根据权利要求1－3中任一所述的方法，还包括在表中记录在所述恶化消失之前所述一组稳定数据速率。

7.根据权利要求1所述的方法，其中根据传输的数据包丢失率和/或接收器接收到的信号的强度和SNR检测所述恶化的消失。

8.一种多速率WLAN中的数据速率适配方法，在所述WLAN中，发射器能够以多个数据速率向接收器传输数据包，每个数据速率在通信性能方面适配于各个信道条件，其特征在于，所述方法在发射器侧包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述稳定速率上连续传输的数据包的数量等于或大于预定值。

10.根据权利要求8所述的方法，其中在所述稳定速率上总的连续传输时间等于或大于预定值。

11.根据权利要求8－10中任一所述的方法，还包括以所述一组稳定数据速率中的最小速率传输数据包。

12.根据权利要求8－10中任一所述的方法，还包括以所述一组稳定数据速率中的最大速率传输数据包。

13.根据权利要求8－10中任一所述的方法，还包括在表中记录在所述恶化消失之前所述一组稳定数据速率。

14.根据权利要求8－13中任一所述的方法，其中所述发射器是无线接入点，所述解释器是无线基站。