CN103067985A

CN103067985A - 基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法

Info

Publication number: CN103067985A
Application number: CN2011103226311A
Authority: CN
Inventors: 徐丽娟; 单联海; 胡宏林
Original assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Current assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: CN103067985B

Abstract

本发明提供一种基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，包括：步骤一，AP监听自身管理下的STA可通信的信道是否空闲，若为空闲信道，则开始对空闲信道进行控制，获取空闲信道的数目、信噪比、及信号干扰比；步骤二，AP根据信噪比和信号干扰比计算出信道质量权值，并根据信道质量权值的大小确定空闲信道的优先级；步骤三，AP对自身管理下的STA进行轮询，获取STA的本地优先级队列中存在的业务类型；步骤四，AP对STA中存在的业务进行优先级划分；步骤五，AP按照业务优先级和信道优先级通过二分法为STA自适应分配空闲信道。本发明既平衡了网络中的业务量，又为高优先级业务提供了更多更好的信道资源，保障了业务的QoS，提高了系统的吞吐量。

Description

基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法

技术领域

本发明属于无线局域网通信技术领域，涉及一种信道绑定与分配方法，具体涉及一种基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法。

背景技术

无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网作为一种实现无线IP接入的典型形式，具有移动计算、架构组网灵活快捷、维护所需费用较低和可扩展性好等优势，这些优势使WLAN应用日益广泛，加速了无线局域网的发展，并且在下一代移动通信系统中将占据重要地位。目前，IEEE802.11已成为无线局域网的主流标准。2009年，进行了对IEEE802.11-2007标准的增补，命名为IEEE802.11n-2009，其中规定了采用多天线技术、信道绑定以及帧聚合等技术，在40MHz的信道带宽下，2.4GHz和5GHz频带实现高达600Mbps的传输率。随着WLAN的不断发展应用，此后IEEE工作组又提出了一系列标准，深化加强了802.11系列协议。2008年开始针对802.11a进行了增补，提出了在6GHz频段以下要达到超高吞吐量的802.11ac标准，并预计在2012年完成；其指出要定义新的物理层和MAC层的WLAN标准，以达到最少1Gbps的多点吞吐量和不少于500Mbps的链路吞吐量，并且在低于6GHz载波频率工作下实现能向后兼容现存的5GHz频段的设备。

超高速无线局域网在未来具有广阔的商业前景。由于其具有极高的数据速率，可支持笔记本电脑、手机等无线终端通过无线局域网实现高速上网。目前手机用户或笔记本电脑用户通过移动通信网上网，会有数据速度低、费用昂贵、不能支持实时业务等缺点。若通过超高速无线局域网接入互联网，手机和笔记本电脑用户将可享受到流畅的上网、观看网络视频、通过互联网进行实时视频通话。超高速无线局域网技术也将成为物联网中传感器网络的汇聚传输网，为数字家庭、数字城市、数字地球等未来社会信息化建设发挥重大的作用。

为了支持新一代超高速无线局域网传输，需要在关键技术方面取得一系列的突破。提高无线局域网吞吐量的关键技术之一就是采用信道绑定技术。通过信道绑定，一个更宽的信道被多个用户共享，提高了信道容量，有利于传输突发业务，更提高了网络的吞吐量，同时还减缓了邻道干扰。传统的信道绑定技术主要是把空闲的信道绑定成单一频段给某一个用户进行传输，没有考虑到业务的优先级或者业务量的大小，保证了吞吐量但却没有考虑终端公平性和QoS，不能充分有效的利用有限的网络资源。

增加网络容量的最直接办法就是增加通信带宽。传统的无线技术主要是在几个20MHz频宽信道中的一个上传送数据。802.11n网络利用信道绑定的技术来合并两个相邻的20MHz信道，从而通信带宽增加了一倍。802.11n中的40MHz信道包括两个绑定在一起的20MHz信道。当使用40MHz绑定信道时，802.11n利用每个20MHz在顶端及底端保留的少量信道，可以降低相邻信道的干扰。当使用40MHz信道时，低信道的顶部及高信道的底部不必保留以避免干扰。802.11ac草案中也指出802.11ac物理层可以支持2个或4个或更多个20MHz信道绑定为更宽的带宽进行数据传输。

但是这些信道绑定技术着重于提高吞吐量而没有考虑QoS，针对不同的业务采用相同的信道绑定技术，把整个信道作为单一的网络资源分配给某一个用户或者某一类业务，就有可能在带宽不足时，不能保证高优先级业务的服务质量，在带宽充足时又可能浪费无线资源。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，该方法可以根据不同优先级的业务类型和不同的信道质量权值对多个可用信道自适应的进行信道绑定和分配，进而提高高速局域网的吞吐量，降低业务传输延时以保证QoS。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法。

一种基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，包括：

步骤一，AP监听自身管理下的STA可通信的信道是否空闲，若为空闲信道，则开始对空闲信道进行控制，获取空闲信道的数目、信噪比、及信号干扰比；

步骤二，AP根据空闲信道的信噪比和信号干扰比计算出空闲信道的信道质量权值，并根据信道质量权值的大小确定空闲信道的优先级；

步骤三，AP对自身管理下的STA进行轮询，获取STA的本地优先级队列中存在的业务类型；

步骤四，AP对STA中存在的业务进行优先级划分；

步骤五，AP按照业务优先级和信道优先级通过二分法为STA自适应分配空闲信道进行数据传输。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤一中，AP监听空闲信道的过程为：AP通过发送Beacon信标帧与自身管理下的STA进行信息交互，获得空闲信道的控制权以及空闲信道的信噪比和信号干扰比。

作为本发明的另一种优选方案，所述信道质量权值为W_chq＝F(SNR，SIR)，其中F为SNR与SIR的函数，SNR为空闲信道的信噪比，SIR为空闲信道的信号干扰比。

作为本发明的再一种优选方案，步骤三中，若AP在规定时间内没有收到STA的回复，则默认没回复的STA无数据发送。

作为本发明的再一种优选方案，步骤四中，AP对业务的优先级划分方式为：在超高速无线局域网中，使用802.11e流量种类的概念，将业务分为8种流量类别，即8种优先级；8种流量类别映射到4种访问类别；每种访问类别对应不同的参数进行信道竞争和回退过程。

作为本发明的再一种优选方案，步骤五中，AP自适应分配空闲信道的方法为：设AP获得的空闲信道的数目为m，STA的业务对应4种访问类别，若4种访问类别均有数据要发送，则自适应分配过程为；首先将m个空闲信道按照信道质量权值优先级从高到低排列，对第一优先级访问类别分配排列后的总空闲信道中前1/2数量的信道，第二优先级访问类别分配排列后的剩余空闲信道中前1/2数量的信道，再均分最后剩下的空闲信道依序给第三优先级访问类别和第四优先级访问类别。

作为本发明的再一种优选方案，步骤五中，AP自适应分配空闲信道的方法为：设AP获得的空闲信道的数目为m，STA的业务对应4种访问类别，若4种访问类别中只有3种访问类别有数据要发送，则自适应分配过程为；首先将m个空闲信道按照信道质量权值优先级从高到低排列，对第一优先级访问类别分配排列后的总空闲信道中前1/2数量的信道，第二优先级访问类别分配排列后的剩余空闲信道中前1/2数量的信道，最后剩下的空闲信道分配给第三优先级访问类别。

作为本发明的再一种优选方案，步骤五中，AP自适应分配空闲信道的方法为：设AP获得的空闲信道的数目为m，STA的业务对应4种访问类别，若4种访问类别中只有2种访问类别有数据要发送，则自适应分配过程为；首先将m个空闲信道按照信道质量权值优先级从高到低排列，对第一优先级访问类别分配排列后的总空闲信道中前1/2数量的信道，剩余空闲信道分配给第二优先级访问类别。

如上所述，本发明所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，具有以下有益效果：既平衡了网络中的业务量，保证了不同优先级业务都能接入信道，具有终端公平性，又为高优先级业务提供了更多更好的信道资源，业务的QoS得到了保障，提高了系统的吞吐量。

附图说明

图1为本发明所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法的应用场景示意图。

图2为本发明所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法的流程示意图。

图3为实施例一所述的四种访问类别中都有数据存在的情况下的信道绑定与分配流程示意图。

图4为实施例二所述的四种访问类别中只有3种访问类别有数据存在的情况下的信道绑定与分配流程示意图。

图5为实施例三所述的四种访问类别中只有2种访问类别有数据存在的情况下的信道绑定与分配流程示意图。

图6为实施例四所述的四种访问类别中只有1种访问类别有数据存在的情况下的信道绑定与分配流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供了一种基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，属于无线局域网通信领域，主要应用于业务类型丰富、吞吐量需求高的超高速无线局域网中。本发明的适用场景定位于具有AP基础设施的WLAN网络架构下。WLAN中的STA或者AP支持信道绑定并可进行多路并行传输。通过本发明所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，可以实现针对业务的不同优先级以及信道的不同信道质量权值，对高优先级业务尽量绑定和分配数量多且信道质量权值优先级高的信道。

本发明考虑了业务的不同优先级，既保证了高优先级业务有较好的性能(如：低时延、高吞吐量等)，又保障了低优先级业务的服务；并且网络中的节点都能有机会接入信道，保证了一定的终端公平性，提高了系统的总体性能。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，该方法应用在有AP的基础设施无线局域网(WLAN)中，具体应用场景如图1所示，其中每一个STA都具有支持信道绑定和多路传输的能力。

图1中，BSS表示一个基本服务集，BSS由一个无线访问点AP以及与AP通信相连的若干个无线工作站STA构成，STA之间的通信通过AP控制和协调。AP接入点设备的基本作用：负责无线通信管理工作，例如：给无线节点分配无线信道的使用权；实现无线通信与有线通信的转换；起到与有线局域网网桥和路由器相似的作用。

在有基础设施的WLAN中，由AP充当CAS(channel Assignment server，信道分配服务器)执行信道分配算法，即由AP对信道进行统一调配。

本实施例中的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法的实现过程如图2所示，包括以下步骤：

1)AP监听自身管理下的STA可通信的信道是否空闲，若信道空闲间隔超过PIFS(PointCoordination function interframe space，点协调功能帧间间隔)，则定义为空闲信道；AP开始对空闲信道进行控制，获取空闲信道的数目、信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)、及信号干扰比(Signal to Interference Ratio，SIR)。

AP监听空闲信道的步骤为：AP通过发送Beacon信标帧给自身管理下的STA，就网络识别、网络管理参数等信息进行交互，获得空闲信道的控制权以及空闲信道的信噪比(SNR)和信号干扰比(SIR)。

2)AP根据空闲信道的信噪比(SNR)和信号干扰比(SIR)计算出空闲信道的信道质量权值W_chq＝F(SNR，SIR)，并根据信道质量权值的大小确定空闲信道的优先级顺序；信道质量权值W_chq定义为SNR与SIR的函数，SNR与SIR越高，空闲信道的信道质量权值W_chq越高，对应的空闲信道的优先级也越高。

3)AP对无线节点(即STA)进行轮询，STA在接收到AP的轮询消息后，进行回复，如有数据发送，则在回复帧中进行确认并告知AP本地优先级队列中存在的业务类型，若没有数据发送，则不回复。若AP在规定时间内没有收到STA的回复，则默认没回复的STA无数据发送。

4)AP对业务进行优先级划分，具体划分过程为：在802.11e中引入流量种类的概念，将业务分为8种流量类别(Traffic Category，TC)，即8种优先级；8种流量类别(TC)对应4种访问类别(Access Category，AC)；每种访问类别(Access Category，AC)对应不同的参数(Designation)进行信道竞争和回退过程，对应关系如表1所示。

表1：802.11e中优先级和AC的对应关系

Priority(优先级从低到高)	Access Category(AC)	Designation
			1	AC_BK	Background
2	AC_BK	Background
			0	AC_BE	Best Effort
3	AC_BE	Best Effort
			4	AC_VI	Video
5	AC_VI	Video
			6	AC_VO	Voice
7	AC_VO	Voice

5)AP按照业务优先级和信道质量权值优先级通过二分法为各无线节点(STA)自适应分配空闲信道进行数据传输。

假设同一个STA内有4个发送队列，每个发送队列对应一种访问类别，正好为四种访问类别(也称接入类别)，根据表1可得知，优先级从高到低的访问类别依次是AC_VO(Voice)，AC_VI(Video)，AC_BE(Best Effort)，AC_BK(Background)。每个发送队列对应一个信道访问优先级。

如图3所示，在四种访问类别都有数据存在(即都有数据要发送)的情况下，按照信道质量权值优先级从高到低，对第一优先级访问类别(AC)分配总空闲信道中前1/2数量的信道，第二优先级访问类别(AC)再分配剩余空闲信道的前1/2数量的信道，再均分最后剩下的空闲信道依序给第三优先级访问类别(AC)和第四优先级访问类别(AC)；对最后均分的空闲信道，在信道数较少的情况下，优先传输优先级高的访问类别(AC)中的数据。当有若干AC发送队列无数据发送的情况下，还是按AC优先级从高到低，信道优先级从高到低，通过上述方法进行信道分配。所以对应4种不同的访问类别(AC)，可以分配到空闲信道数范围如表2所示。

表2：4种访问类别存在数据可获取的信道数范围

Access Category(AC)	可分配的信道数范围
		AC_VO	m/2～m
AC_VI	m/4～m/2
		AC_BE	m/8～m/4
AC_BK	0～m/8

本发明中由AP对不同优先级的业务绑定和分配不同数量的信道，高优先级业务得到更多的信道，低优先级也能得到一定的信道；而且高优先级业务分配高优先级信道。本发明所述的这种类似二分法的信道绑定和分配方法，既平衡了网络中的业务量，保证了不同优先级业务都能接入信道，又为高优先级业务提供了更多更好的信道资源，提供了更好的QoS保障。

本发明所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法不仅保证了信道的吞吐量，还有效地区分了业务优先级和信道质量权值优先级，保证了业务的QoS，且充分合理的利用了网络资源，提高了系统的总体性能。

本发明主要用于有基础设施的超高速WLAN中，在使用信道绑定技术提高系统吞吐量的过程中，考虑了不同业务的QoS，采用了不同的信道绑定和分配技术。本发明所述方法在AP的控制下，区分不同业务优先级和不同信道质量权值，自适应分配信道，在保证吞吐量的同时保障了业务的QoS。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：所述基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法的步骤5)中，四种访问类别中只有3种访问类别有数据存在(即只有3种AC发送队列要发送数据)，如图4所示，按照信道质量权值优先级从高到低，对第一优先级访问类别(AC)分配总空闲信道中前1/2数量的信道，第二优先级访问类别(AC)再分配剩余空闲信道的前1/2数量的信道，最后剩下的空闲信道依序给第三优先级访问类别(AC)，在信道数较少的情况下，优先传输优先级高的访问类别(AC)中的数据。所以对应不同的访问类别(AC)，可以分配到空闲信道数范围如表3所示。

表3：3种访问类别存在数据可获取的信道数范围

Access Category(AC)	可分配的信道数范围
		AC_VO	m/2～m
AC_VI	m/4～m/2
		AC_BE	0～m/4

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于：所述基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法的步骤5)中，四种访问类别中只有2种访问类别有数据存在(即只有2种AC发送队列要发送数据)，如图5所示，按照信道质量权值优先级从高到低，对第一优先级访问类别(AC)分配总空闲信道中前1/2数量的信道，剩余的空闲信道给第二优先级访问类别(AC)，在信道数较少的情况下，优先传输优先级高的访问类别(AC)中的数据。所以对应不同的访问类别(AC)，可以分配到空闲信道数范围如表4所示。

表4：2种访问类别存在数据可获取的信道数范围

Access Category(AC)	可分配的信道数范围
		AC_VO	m/2～m
AC_VI	0～m/2

实施例四

本实施例与实施例一的区别在于：所述基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法的步骤5)中，四种访问类别中只有1种访问类别有数据存在(即只有1种AC发送队列要发送数据)，如图6所示，按照信道质量权值优先级从高到低，对第一优先级访问类别(AC)分配全部空闲信道。所以对应不同的访问类别(AC)，可以分配到空闲信道数范围如表5所示。

表5：1种访问类别存在数据可获取的信道数范围

Access Category(AC)	可分配的信道数范围
		AC_VO	m

本发明根据不同优先级的业务类型，不同的信道质量权值，对多个可用信道自适应的进行信道绑定和分配，在此基础上，提高高速局域网吞吐量，降低业务传输延时以保证QoS，最终达到了合理利用网络资源和提高系统性能的目的。

本发明所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法既保证了不同优先级的业务都有机会接入信道，具有终端公平性，又为高优先级业务提供了QoS保证，提高吞吐量的同时提高系统性能。

所以，本发明所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，其特征在于，该方法包括：

步骤二，AP根据空闲信道的信噪比和信号干扰比计算出空闲信道的信道质量权值，并根据信道质量权值的大小确定空闲信道的优先级顺序；

步骤四，AP对STA中存在的业务进行优先级划分；

2.根据权利要求1所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，其特征在于：所述步骤一中，AP监听空闲信道的过程为：AP通过发送Beacon信标帧与自身管理下的STA进行信息交互，获得空闲信道的控制权以及空闲信道的信噪比和信号干扰比。

3.根据权利要求1所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，其特征在于：所述信道质量权值为W_chq＝F(SNR，SIR)，其中F为SNR与SIR的函数，SNR为空闲信道的信噪比，SIR为空闲信道的信号干扰比。

4.根据权利要求3所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，其特征在于：步骤三中，若AP在规定时间内没有收到STA的回复，则默认没回复的STA无数据发送。

5.根据权利要求1所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，其特征在于：步骤四中，AP对业务的优先级划分方式为：在超高速无线局域网中，使用802.11e流量种类的概念，将业务分为8种流量类别，即8种优先级；8种流量类别映射到4种访问类别；每种访问类别对应不同的参数进行信道竞争和回退过程。

6.根据权利要求5所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，其特征在于，步骤五中，AP自适应分配空闲信道的方法为：设AP获得的空闲信道的数目为m，STA的业务对应4种访问类别，若4种访问类别均有数据要发送，则自适应分配过程为；首先将m个空闲信道按照信道质量权值优先级从高到低排列，对第一优先级访问类别分配排列后的总空闲信道中前1/2数量的信道，第二优先级访问类别分配排列后的剩余空闲信道中前1/2数量的信道，再均分最后剩下的空闲信道依序给第三优先级访问类别和第四优先级访问类别。

7.根据权利要求5所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，其特征在于，步骤五中，AP自适应分配空闲信道的方法为：设AP获得的空闲信道的数目为m，STA的业务对应4种访问类别，若4种访问类别中只有3种访问类别有数据要发送，则自适应分配过程为；首先将m个空闲信道按照信道质量权值优先级从高到低排列，对第一优先级访问类别分配排列后的总空闲信道中前1/2数量的信道，第二优先级访问类别分配排列后的剩余空闲信道中前1/2数量的信道，最后剩下的空闲信道分配给第三优先级访问类别。

8.根据权利要求5所述的基于信道质量的超高速无线局域网信道绑定与分配方法，其特征在于，步骤五中，AP自适应分配空闲信道的方法为：设AP获得的空闲信道的数目为m，STA的业务对应4种访问类别，若4种访问类别中只有2种访问类别有数据要发送，则自适应分配过程为；首先将m个空闲信道按照信道质量权值优先级从高到低排列，对第一优先级访问类别分配排列后的总空闲信道中前1/2数量的信道，剩余空闲信道分配给第二优先级访问类别。