CN103355008A - 用于使用多个接入点公平的网络回程吞吐量聚集的方法和单一无线站 - Google Patents

Abstract

用于根据多个接点回程来管理站吞吐量的方法和单个无线站。该方法包括：每个站使用单个无线接口将站连接到一个或多个接入点（AP₁,AP₂,AP₃）；和根据先前接收或请求的吞吐量

通过确定站（k）到一个接入点（AP_i）的吞吐量请求T_ik来调度吞吐量；和计算相应的工作周期f_ik，在此期间所述站（k）需要将所述接入点（AP_i）连接来接收所述请求的吞吐量T_ik。该单个无线站被设置用于执行所述方法的调度和参数估计，以及通信装置被设置用于根据所获得的调度将站（k）连接到接入点（AP_i）。

Description

用于使用多个接入点公平的网络回程吞吐量聚集的方法和单一无线站

技术领域

在第一个方面，本发明一般地涉及一种根据无线多个接入点回程来管理站吞吐量的方法，包括每个站使用单一无线接口和调度那里的吞吐量，更具体地说，涉及一种包括通过考虑先前接收到或请求的吞吐量执行所述调度的方法，用于计算连接到每一个接入点的时间。

本发明的方法提供公平的无线LAN回程聚集。

本发明的第二方面涉及一种设置用于实施第一方面的方法的单个无线站。

现有技术

在城市环境中，住宅用户有可能看到多个高质量范围内的802.11接入点[1]，通常连接到宽带连接。由于802.11WLAN中的速度通常是一个数量级高于标准的宽带连接，人们可以使用单一的802.11无线卡，通过虚拟化所述卡和以TDMA方式在接入点上循环来聚集范围内的多个接入点回程的带宽。

在这种情况下，使用如FatVAP[2]的聚集方案，其中站贪婪地最大化个人的吞吐量，可能会导致严重的不公平情形。公平是重要的，因为它会影响个人用户的性能，并降低其对商业环境的适用性。例如，站处于只有一个AP的地区的不幸运的位置，可以看到其吞吐量大大低于其他共享同一AP的各站的吞吐量，即使这些站可从其他AP得到空闲带宽。这在此处被称为拓扑不公平（topology unfairness）。即使在这些不同的情况下提供公平吞吐量的分配是关键的，以保持所有用户获得一定水平的服务。如果没有某种形式的公平，严重降低系统的感知价值，用户将不会参与。

其他不公平的情况也是存在的。例如，使用具有许多TCP流量的应用程序的站，如P2P，可能会严重影响运行其他单流应用程序的站的性能，如Web下载。这种情况被称为流量分配不公平，可能会导致一些站获得的吞吐量比在不共享时的少得多。

不公平的另一个例子可能会出现在这样的场景中，不同的套餐的客户共享宽带连接。举例来说，高速的宽带客户（即支付超过缓慢的宽带用户），要获得更大的份额的空闲回程容量。如果这不是强制的，客户可能会倾向于购买更慢（及更便宜）的宽带连接和免费在邻居的备用带宽上搭乘。这是一个典型的“公地悲剧”（tragedy of the commons）的例子：人们往往过度开采共享资源，最大限度地减少他们的贡献（他们的宽带收缩速度），最终蚕食共享资源。此外，这消除激励ISP部署共享系统，因为它威胁其商业模式。从今以后，这种计费将被称为不公平。

上面的公平的情况下可以对不同的多AP聚合方案的可部署性产生巨大的影响，所述方案包括：a)以社区为基础的共享方案（例如FON[3]，Wi-SH[4]），b)电信管理共享计划，住宅的Wi-Fi网关订阅该服务的所有用户之间共享，和c）商业AP聚合场景（例如机场热点）。此外，现有的聚合方案如FatVAP[2]和VirtualWiFi[5]没有被设计带有公平性，因此不能直接施加到上述的场景。

接着，不同种类的不公平，就本发明中所理解，均以就上面提到的公知的方案中描述的，参照图1和图2，考虑图3中所描绘的场景，其示出了多AP回程聚合,其中，单无线802.11站同时连接到一个或多个接入点（AP）。在这种情况下，多个AP的AP回程带宽在所述站之间共享。

拓扑不公平：考虑在图1（a）所示的实验（此处所描述的所有测试和验证，在真实的场景中进行实验），站A，B共享3个接入点，每一个有5Mbps的回程。从各站到三个接入点的无线速度为20Mbps。但是，因为其位置，站B在范围内只有两个AP，而A站可以可靠地连接到所有AP。聚合的AP回程的公平分配，向每个站分配回程容量的一半，即7.5Mbps-。使用[2]中的吞吐量最大化方案，站B得到5Mbps，几乎为站A吞吐量的一半，A站由于其更好的位置(图1(b))获得超过9Mbps的吞吐量。

流动分布不公平：现在考虑在图2中的实验（a），在站A和B连接到5Mbps回程的两个AP。站和接入点之间的无线速度为20Mbps。站B在每AP启动一个下载，每个使用单个TCP流量。另一方面，站A在每个AP启动一个下载，但每个用10个TCP流量。实验设置，以保证流不受端至端连接限制，即瓶颈是在AP回程中。在这种情况下，AP回程的公平分配，将导致各站接收5Mbps。然而，如果站旨在最大化其个别的总吞吐量，而不会考虑到公平如在[2]中所述，结果是带宽的总的不公平分配，站A接收几乎9Mbps，大部分的聚合带宽，而站B接收不到1Mbps（图2（b））。计费不公平的情况下，可以显示类似的情况。

图1和图2中清楚地说明需要为多AP回程聚合方案提供公平的机制。然而，重要的是取得公平的一些概念的一致，因为每个人可以有不同的设计含义和权衡。

近年来的Wi-Fi社区已经引起了研究社会和无线行业的注意，由于在居民区WLAN的摄取。在这个方向上，[3，4，18]提出了允许社区成员共享他们的WLAN AP的回程带宽。其中，Wi-Sh[4]讨论了共享资源可能出现的公平问题。但是，它并没有考虑使用多个AP来聚集他们的回程带宽。

[19，20]已探索回程带宽聚集，站通过以太网（）连接到他们家的AP和使用WLAN连接到远程的AP。然而，他们没有通过Wi-Fi连接到多个AP，所以它们可以聚合的AP的数量受到在所述站可用的物理接口（以太网和Wi-Fi）的数量的限制。

通过单一的无线连接到多个AP的想法第一次出现在VirtualWiFi[5]中。作者依靠WLAN标准省电模式（PS）在不同的Wi-Fi节点之间时分切换。Wi-Fi节点之间切换对于应用程序是透明的，但以较高的时间成本（30-600毫秒）。事实上，VirtualWiFi执行驱动卡上的代码顶部与用于连接的MAC实例。

在单个无线AP回程聚集问题中，最接近的工作是FatVAP[2]。作者介绍选择花费在每个AP上的时间百分比的调度程序，以最大化每站的聚合吞吐量。然而，它有一个有限的重点[2]，因为它没有解决跨站的不公平，只考虑（严格）连接一个以上的AP站。此外，为了考虑到基于优先级的每站公平，本地的吞吐量最大化的方法[2]不能被扩展。

在其他工作中，[21]介绍了一种支持WLAN接入点之间的无缝交接。在[15]中，已经采用标准的解决方案来增加单一站观察到的聚合吞吐量，关于该设计在[2，5，21]中。然而，这些作品不考虑公平的问题。

相似链接[22]通过多个无线链路处理最小化上行链路总传输时间的问题。然而，该解决方案需要接入点之间合作，802.11接入点以相同的无线电频率和无线链路上自定义的TCP协议发送和接收。

几个工具已被设计来估计沿网络路径的可用带宽。然而，这些工具通常沿路径发送有源探头和/或需要在发送者和接收者的合作执行[23，24]。

几乎没有对可用带宽的ADSL的非合作估计进行研究。最值得注意的是ABwProbe[25]和FAB-Probe[26]依靠ADSL下行链路容量的不对称性来发送不同大小的TCP ACK数据包和从TCP客户端接收小型TCP RST数据包。由于TCP RST是以固定的长度，因此他们不能估计从客户端侧的可用带宽。

此外，采用不同级别的精确度，已经研究了无线容量的估计（例如，见[2,27]）。

发明内容

需要提供现有技术的替代方案，覆盖其中发现的缺口，特别是那些在上面命名为最接近的作品FatVAP[2]，其中包括提供有关调度。

为此，在第一方面，本发明提供一种用于根据无线多个接入点回程来管理站吞吐量的方法，包括使用单一无线接口/每站和调度那里的吞吐量。

与已知的提议相反，特别是不同于[2]，本发明的第一方面的方法的特征在于，它适用于将站通过所述单一无线接口连接到一个或多个接入点和包括基于以前接收的或请求的吞吐量，通过确定站至接入点的吞吐量请求T_ik来执行所述调度；和计算相应的工作周期，在所述工作周期期间所述站需要连接到所述接入点以接收所述请求的吞吐量T_ik。

根据每一个实施例，该方法包括通过下面的表达式：f_ik=T_ik/ω_ik计算所述工作周期f_ik，在所述工作周期期间所述站连接到所述接入点以接收所述请求的吞吐量T_ik，其中ω_ik是无线容量，所述站在所述无线容量可以从所述接入点接收。

对于实施例，本发明的第一方面的方法包括：估计用于计算所提到的工作周期所需的几个参数，或校正参数，如权利要求12至21所描述的，并且有关几个实施例的详细内容在随后的部分描述。

本发明的第一方面的方法的其它实施例由权利要求3至11公开，并且在所述后继部分描述。

本发明的第二方面涉及一种用于根据多个无线接入点的回程管理站吞吐量的单一无线站，它包括：处理装置，根据本发明的第一方面的方法实施执行所述调度的算法和参数估计；和通信装置，根据所获得的调度将站连接到至少一个接入点。

术语“单一无线站”不能过于严格地理解，因为它指的是：站真的只有一个无线接口，和另外站有一个以上的无线接口但只使用其中一个连接到接入点，如以上参照本发明的第一方面的方法的解释。“单一无线站”的另一个例子是具有一个以上无线电的接入点，但仅使用其中之一将客户端连接到覆盖范围的接入点，如上面参照本发明的第一方面的方法所解释的。

接下来，本发明的第二方面的单一无线站和第一方面的方法所使用的单一无线站也将被称为THEMIS，因为这是由实施本发明所述站的发明人建立的原型的名称。

THEMIS公平地聚集几个接入点的回程带宽，并已在受控的情况下被广泛地评估，如将要在后部分所示，结果明确表明，它提供了在用户之间公平分配可用的回程带宽。

与[2]相比，THEMIS公平地聚合不同THEMIS站之间的AP回程带宽，而不管它们的位置、链路质量和范围内的AP数量。此外，THEMIS能够适应不同的公平目标，以容纳本发明中所讨论的不同场景，并且它在完全分布式的方式实现。最后，相比于[2，5]，改进了单无线多AP TDMA接入的THEMIS实施，在选择站连接到不同的AP的时间量时，减少了频率切换的开销和提高了精度。这将带来的结果是：更有效的操作和增加的吞吐量。

实验评价，这将在后面描述，已经证明在实际场景中THEMIS的鲁棒性，受控的MAC竞争、自适应的PHY速率和性能异常。

关于带宽估计，与[25]和[26]相反，由于它们使用TCP RST数据包，这些都是固定长度的，它们不能估计来自客户端的可用带宽，THEMIS允许这样的客户端/侧的带宽估计。

附图说明

根据下面的实施例的详细描述，参照附图将更充分地理解前面的和其他的优点和特征（其中一些已经在背景技术部分描述过），其必须以说明性的和非限制性的方式考虑，其中：

图1示出了上述实验的有关拓扑结构的不公平的部署（a）和不公平结果（b），其中，用户具有不同的AP连接，使用[2]的方案；

图2示出了上述实验有关流量分布不公平的部署（a）和不公平的结果（b），其中，用户具有不同的流数，也使用[2]的方案；

图3示出了多AP聚合方案；

图4根据本发明的方法的一个实施例，示出了时分访问多个AP，用于单一无线站，或THEMIS分别在不同的频率与所述AP进行通信；

图5显示了THEMIS根据AP_i发送到任何站的数据包来估计AP回程的利用率，和THEMIS根据在饱和状态下AP发送的两个连续收到的数据包来估计无线容量;

图6示出了根据本发明的方法的实施例由所述单个无线站执行的队列管理；

图7是根据本发明的第一方面的方法的实施例，由四个波显示在三个站执行的AP回程利用率的估计的图，在AP测量实际速率；

图8由三个波显示，由根据本发明方法的实施例执行的估计获得的无线容量，表示为THEMIS、根据[2]的估计和预期的无线容量；

图9示出根据本发明的第一方面的实施例获得的具有一个站A的工作周期演化，其中站A与三个AP关联；

图10示出了本发明的第一方面的方法的实施例的部署（a）和有关吞吐量聚集的结果（b），其中两个站连接到三个AP;

图11示出根据本发明的第一方面的实施例，在两个站分享部分重叠组的AP，其中B站不能获得由站A获得的吞吐量，其中(a)示出安排部署和(b)示出所获得吞吐量聚集方面的结果；

图12公开了对于图1（a）所示的相同的部署，使用THEMIS的回程带宽的公平共享结果；

图13显示了测试平台部署，接入点和工作站已部署在三层楼，底层（在左边），夹层楼（在中间），一楼（在右边）。每个圆圈代表一个AP，而站被放置接入点附近，每AP一个站。有关的一些实验中，只有站A，B和C，示出在图中。障碍，如存在于所有AP链路之间的墙壁和桌子;

图14示出了在图13的测试平台部署下的无线链路的质量评估的结果；

图15示出了图13的住宅类部署中的拓扑不公平的评估，使用吞吐量最大化算法运行测试，如FatVAp[2](a)和THEMIS(b)中；

图16参照图13的部署示出了一个测试，具有三种类型的不公平：站A使用P2P流量，B站位于不幸运的位置（1200秒后开始），站C是低优先级站（后2400S开始）。

具体实施例

使用单一无线WLAN卡聚集多个802.11接入点（AP）回程已经被视为绕过回程容量限制的一种方式。然而，目前的AP汇聚解决方案，贪婪地最大限度地发挥个人站吞吐量而没有兼顾公平考虑。这会导致吞吐量分布极不公平，它可以阻止用户参与，从而极大地限制商业部署能力。在这里此问题推动了产生THEMIS的动机，单个无线电站（按照本发明的第二方面）以公平的和分布式方式执行多AP回程聚集，而不需要在网络中发生任何变化。THEMIS是在商用硬件上实现，广泛通过控制实验测试评估，并在跨越3层楼的多层建筑的部署中得到验证。

为了解决上面描述的不公平情况，接下来将介绍有关本发明所理解的公平性要求。首先，它必须确保在所述站的总接收的吞吐量水平上取得公平，而不是个别的流或数据包水平的公平（每站公平）。其次，要确保具有更好订阅计划的用户（例如速度更快的宽带连接）比具有更便宜的订阅计划的用户获得更大份额的聚集AP回程带宽。因此，在上面的例子中，应当获得的吞吐量与他们的优先级（加权公平）成比例。第三，公平应当在所有共享的接入点执行，而不只是在单个AP的水平上执行，以确保公平的全局吞吐量分配（整个AP公平）。第四，提供一个公平的方案，它是在网络利用方面是有效率和在公平性和吞吐量（有效公平性）之间达到良好的平衡。最后，提供一个公平的方案，它是稳定的并具有良好的收敛性能（稳定的公平性）。此外，为了促进广泛采用，在现有的网络基础设施的影响减至最低。

使用现有的网络技术无法实现上述要求，有不同的原因。比如，在基础设施模式中，802.11不提供每个站的公平性，因为它的下行链路行为主要由其FIFO数据包级调度程序控制[6]。另一方面，TCP只在竞争的下行链路流量中提供基于每个流的公平，这实际上是流量分配不公平的原因[7]。即使在单个AP的水平上设法实施某种公平机制（例如改变FIFO的行为，或引进一些聪明的基于时间的调度程序[8]），如果在接入点中没有使用明确的信号，这也不会获得整个AP公平。

本发明的公平性选择

在无线系统中，众所周知的是，公平和吞吐量常常是矛盾的[9]。例如，假设这样一种情况：两个站正在共享无线介质，它们的无线速度是10:1的比率。吞吐量的优化配置将只允许快速站传输，因为专用于缓慢站的每个时隙以低速被浪费，失去了快速传输的机会。在另一个极端，最大最小公平分配（例如，一个最大化所有站的吞吐量的最小值）平衡两个站传输的吞吐量。这允许缓慢站发送大部分时间，导致性能异常[9]，大大降低了全局的吞吐量。

比例公平存在于两个极端的中间，在公平与效率之间提供良好的妥协（例如，在[10]中）。它也取得了收敛性和稳定性方面的良好的权衡，如[11]中所示。最后，它允许加权公平的制定。加权比例公平性符合高效、稳定和加权的要求。

为了遵守其他两个要求（每站和整个AP公平），依赖如在[2]中的现有规划是不可能的。事实上，[2]采用背包调度程序，最大限度地提高个人站的吞吐量，并没有考虑整个站上聚集吞吐量是如何划分的。其结果是，需要一个需要考虑到这个问题的新的规划。接下来，将对其进行描述。

回想一下在图3中所示的方案。设S为站的集合和A为AP的集合。T_ik表示从AP_i发送到站k的吞吐量。

表示K站所收到的总吞吐量。U（·）是可微的、严格凹的递增函数，它代表在每个站的、作为接收到的吞吐量的函数的效用。公平性问题建模为：

其中，ω_ik是无线容量（需要指出，如果站k不连接到AP_i，ω_ik=0），该站k可以从AP_i接收的容量，考虑到从连接到那个AP的其他客户端的干扰，b_i是AP_i的回程容量。

为简单起见，考虑到目前的住宅流量严重偏向下载，制定只考虑下行流量。然而，可设计为上行链路业务的等效设计。

方程（2）是AP回程容量约束，并确保穿越API回程的总流量不超过回程容量b_i。方程（3）对应于台站k的无线容量约束，和保证站k所收到的总流量不超过其无线接口的总容量。最后（4）促使值T_ik为正。

要注意的是，存在不包括在设计中的附加约束，对应于AP的无线容量约束，即

此约束确保在AP_i处不超过无线接口的最大容量。然而，它已被解析验证：仅在客户端被无线电严重限制的极端情况下可能违反该约束。由于THEMIS，通过阻止站连接到AP（如果它们的信噪比（SNR）是非常低的）避免这种情况的发生。这是有道理的，因为多AP聚集方案仅在WLAN的速度大于AP回程的速度的情况下是有用的。

最后，选择加权比例公平效用函数U(y_k)=K_k·logy_k，其中，K_k表示第k个用户的相对优先级（例如，值与第k个用户拥有的AP回程带宽线性相关）。如果所有用户具有相同的优先级，那么采用K_k=1。

分解和解释：

如在[11]中所述，上述优化问题的解决方案，可以通过使用梯度下降算法的原始对偶公司获得。由此，推导出下面最佳的速率更新规则：

$T_{\mathrm{ik}}=\widehat{T_{\mathrm{ik}}}+\mathrm{\α}(U^{\′}\left(y_k\right)-p_i-q_{\mathrm{ik}}),---\left(5\right)$

其中，

是所述算法的前面步骤的带宽请求，U'(y_k)是以站y_k接收的当前吞吐量评价的效用函数的导数，而α是速率更新算法的步长（当使用比例公平性时，为了减少振荡，如[12]所建议的，使用α=α'yk，α'是新的步长）。数量p_i和q_ikpi是分别对应于约束条件（2）和（3）的价格，计算如下：

其中，

是所述算法的先前步骤中获得的价格，δ和γ是空的价格更新算法的步长。为了提高网络利用率，并如[12]所建议的，价格步长通过链路容量进行归一化以利于良好的链接。最后，λ，μ＜＝1是拥塞阈值和(x)⁺=max(x,0)。

式（6）中的价格的p_i表示APi的回程上的拥塞水平，它是可用带宽的线性函数，同样，式（7）中的q_ik表示从站k到APi的无线链路上的拥塞水平，它是在所述站的可用卡时间的函数（该卡不被用于发送或接收的时间）。随着拥塞增加，相应的价格将增加，根据式（5）和站K到AP_i的吞吐量需求T_ik减小。

值λ和μ是拥塞阈值，即分别为利用AP_i回程的使用水平和站k的无线电的无线接口，将触发算法拥塞控制。当发生这种情况时，价格p_i和q_ik增加，促使各个路径的吞吐量请求减少（拥塞阈值的值代表性能阈值：对于网络利用率，越接近1越好，但对于所述算法的短期公平性越接近1越糟糕）。

为了分布式解决式（1）中的优化问题，每个站必须定期获得用于其链接的价格（6）和（7），然后按照式（5）更新其速率。然而，在各站本地实施该算法而不与所述接入点和/或其他站共享信息，具有以下挑战：

·一旦在站k获得式(5)中的值T_ik，就需要在AP_i执行这些速率。

·为了计算式(6)和（7）中的价格的pi和q_ik，每个站k需要获得bi和T_ij的值，j≠k，这在站k不是直接可用的。此外，每个站k需要精确知道每个AP_i的无线容量ω_ik。

·单一无线电台必须管理与多个独立于无线电频率的AP的通信。而且，它必须高效地做到这一点，并使用符合标准的兼容802.11。

在真实系统中应对上述挑战，需要精心的设计和实施，下面的实施例将对其进行描述。

如前面部分所说明的，本发明第二方面的单一无线电台站已在名为THEMIS的原型中实施。THEMIS是基于一个单一的广播无线电台了MadWiFi0.9.4驱动程序[13]和的Click模块化路由器1.6.0[14]，其连接到多个AP和聚集它们的回程带宽。如在图4中所示，THEMIS在使用时分多址（TDMA）的不同无线电频率独立发送至AP。一旦连接到一个AP，THEMIS根据802.11DCF协议发送和接收流量。花在AP_i的时间量表示为工作周期f_i。THEMIS执行标准的TDMA周期的固定时间T被称为无线周期。THEMIS将利用空闲的工作周期执行其他操作，如AP扫描或节能。

下面来描述THEMIS的组件。

调度程序：

让我们考虑一个运行式（1）中的优化算法的THEMIS站，并且计算到AP_i的请求速率，式（5）中的T_ik。原则上，为了收集来自APi的带宽T_ik，站K需要在工作周期f_ik=T_ik/ω_ik期间连接到AP_i，其中，w_ik是从AP_i到站K的无线容量。通过减少花费在AP_i的时间，工作周期有效充当测量仪，其限制可以从AP接收的带宽量。因此，TCP流调整其传输速率，以满足所述请求T_ik。

有些情况下，站K在工作周期f_ik不接收预期的流量T_ik。这种差异的原因是多方面的：无线的损失、AP队列拥塞、无线链接中的CSMA竞争延迟，等。校正因子H_ik=T_ik/x_ik被引入来解释预期接收的流量和在选定的工作周期f_ik期间从AP_i通过站k接收的实际流量之间的偏差。

其结果是，热辐射成像系统连接到,THEMIS连接到APi，因为

$f_{\mathrm{ik}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ik}}\frac{T_{\mathrm{ik}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ik}}}+c_i,---\left(8\right)$

其中，σ_ik是校正因子，c_i是从一个AP切换到下一个的开销。注意施加校正因子后，可能发生校正的工作周期超过所允许的时间，违反了站k的无线容量约束，即

在这种情况下，所述无线周期按比例分配如下：

-在第一步骤中，对其高估的那些站的工作周期减少，即调整后的工作周期f'_ik被重新计算，如下所示：

-一旦调整后，如果所要求的工作周期超过卡的容量，即Σ_if'_ik>1，然后它们被归一化处理f″_ik=f″_ik/Σ_if′_ik。如果，另一方面，有空闲时间f_sp＝1-Σ_if′_ik，它在需要增加其工作周期(σ_ik>1)的链接之间分配，与它们的需要成比例，如下

-每个站使用结果值f''_ik。

估计量：

对于给定的AP_i计算在站k式(8)中的工作周期f_ik和式(6)和式(7)中的价格p_i和q_ik更新需要以下信息：

-AP_i回程的利用率

-无线容量ω_ik，其确定无线链路的最大传输速率。

-AP回程容量b_i，其测量AP_i回程能够发送流量的最大速度。

一个获取这些值的简单方法是引入新的信号，来在AP和站之间交换信息。然而，这会引入额外的开销，而且也将需要修改或更换现有的AP的安装基础。为了避免这个问题，THEMIS在本地估计这些值。应当指出，重要的是在所述估计上实现高的精度，因为错误的估计会影响调度程序的性能。这是一个很难的问题，因为：

-AP回程：AP回程与其它站共享，APi利用率β_i和容量b_i的任何测量必须在站k用于AP_i的有限时间片f_ik·T内完成。

-无线链路：一个AP的无线容量必须在AP饱和传输时测定。这不能保证，因为无线链路通常不是端对端通信的瓶颈。

下面，描述THEMIS如何估计这些值。

AP回程的利用率

AP回程的利用率β_i的估计依赖于事实：由802.11AP发送的每一帧携带标头中的MAC序列号（SN）。SN是一个模块4095整数，每次发送一个新的帧，其由AP递增，它独立于目的地。THEMIS站听由AP_i发送的流量，并保存其SN。通过对SN计数，THEMIS站知道遍历AP_i回程的数据包的量（这里，假定大部分的802.11数据流量遍历AP回程，因为当使用802.11基础设施模式时，往往如此）。应当注意，这样计数对于数据包丢失和断开期间是健壮的，只要所述站不错过超过4095成功的帧（重发的帧不增加SN），其中平均802.11帧大小对应于秒，数量级大于THEMIS的TDMA周期（提高估计的准确性，THEMIS工作在混杂模式，从而解释了数据包被发送到其他THEMIS的信息）。

正式地，与图5相关，SN′₁[First]和SN′_M[Last]分别表示在一个时间窗口期间M·T通过API发送任何站的第一个和最后一个数据包的MAC序列号，其中M是一个等于或大于1的整数。然后，THEMIS推导M·T时间内从AP_i发送的数据包的数量：

$N^i=\left({\mathrm{SN}}_M^i\right[\mathrm{Last}]-{\mathrm{SN}}_1^i[\mathrm{First}\left]\right)\mathrm{mod}4095$

E[L_i]表示连接到AP_i时在站K接收所有数据包上的在IP层的每个数据包的平均比特长度。作出合理的假设：即E[L_i]不改变从AP_i的连接和断开连接时间之间。最后，API回程利用率的计算公式为：

${\mathrm{\β}}_i=\frac{E\left[L_i\right]\·N^i}{M\·T}.---\left(9\right)$

无线容量

THEMIS通过当AP饱和传输时测量指向其的帧的数据包分散来计算无线容量。为了检测饱和期间，站k运行时间检测无线信道占用，即，在两个连续接收到数据包之间该信道是忙的时间的百分比。这些统计数据从特定的802.11基带寄存器（由NIC卡暴露）收集。如果所述占用高于某一阈值（在作者的实施中为80％），它为那个对定义处于饱和的AP和存储第二数据包的包长度和所述数据包之间的离差。然后，参照图5，ω_ik导出整个窗口测量M·T的平均：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ik}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^M{B}_j}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^M{T}_{j,\mathrm{SAT}}^i},---\left(10\right)$

其中B_j为从AP_i发送到站k饱和的包长度的总和，

是第j个站连接到AP_i当站k在饱和模式接收时的离差的总和。必须注意，ω_ik考虑到现有的干扰，以及依赖于AP和站点的当前PHY速率、信号质量、和测定期间的性能异常[9]。

AP回程容量：

一些互联网服务可以用来估计AP回程容量b_i，其中一些还可通过ISP提供给他们的客户。一般从服务器下载耦合到脚本的文件。该脚本检测客户端何时完成下载，并确定b_i。

服务器报告可能会受到通过相同的AP_i回程发送到其它站的数据包的交叉流量率（最终）的妨碍。THEMIS连接到容量服务器，但不依赖服务器上的报告，计算在连接到容量服务器的连接时间期间通过利用率β_i达到的峰值：

$b_i=\underset{l=\mathrm{1,2},...L}{\max \stackrel{\‾}{{\mathrm{\β}}_i\left[l\right]}},$

其中，L表示在1/（MHT）速率测试过程中的测量数量，和βi[l]表示第l个计算后β_i[l]的平滑平均值。

多个AP管理器

为了在THEMIS中提供高效的TDMA实施，顶部的单个无线接口的无线驱动程序是虚拟化的，即，它显示为与它们各自的AP相关联的独立的虚拟站（VSTA_i）。每个VSTA_i是负责管理与AP_i的数据通信和相关程序，如关联、验证和扫描。为了防止TDMA操作的过程中的损耗，每个THEMIS站k使用802.11省电（PS）功能如下在图6中示出：

-在有效工作周期，VSTA1根据802.11协议交换流量，而在PS模式下其他VSTA_s处于休眠。在PS时间期间，AP1和站只能缓冲数据包[2，5，15]。

-当工作周期到期时，VSTA₁发送帧通知AP₁其进入PS模式。一旦收到MAC ACK，VSTA₁和AP₁V开始缓冲预定到彼此的数据包。

-THEMIS向VSTA₂分配卡的控制和切换到AP₂射频。

-VSTA₂发送帧到AP₂，表明它准备发送/接收流量，并等待MAC ACK。

该过程继续进行，直到该站循环通过所有VSTA。空闲的工作周期可用于其他操作，如扫描或睡眠状态（参见图4）。该站然后重新启动TDMA周期。

为了尽量最小化式（8）中的切换成本ci，THEMIS实现了MAC/PHY水平的细粒度定时，使用以下技术：

-THEMIS引入了每个AP的MAC虚拟队列。当THEMIS在选择一其它的AP时，这允许缓冲在MAC虚拟队列中的数据包。

-THEMIS有效地管理一（1）数据包的硬件缓冲（所有VSTA通用）以在MAC虚拟队列中快速切换。这是一项具有挑战性的任务，因为短的H/W队列导致负面影响吞吐量的低效率（在硬件队列中的数据包必须在分配给VSTA的工作周期结束前发送。这会导致相对于由THEMIS调度施加的预期工作周期的结束的延迟。有效管理硬件缓存大小，最大限度地减少任何额外的延迟时间）。

-为了切换PS状态，THEMIS利用MAC虚拟队列顶部上的待处理数据的报头上的MAC PS位。THEMIS恢复到在极少数没有数据包待传输情况下的探针的经典使用(如[2,5]中所完成的)。

由于上面描述的技术，THEMIS产生约1.2-1.5毫秒的切换成本，其中大部分（约800微秒）花费在硬件无线信道换向。这种有限的开销，大大小于[2，5]，减少切换过程中的抖动增加了系统的稳定性。即使站在饱和模式下传输，这也能够实现由调度程序分配的工作周期的细粒度的选择，这对于TCP流量是特别重要的。

MAC实现的顶部上，THEMIS使用流映射器分配从上层到特定VSTA的新TCP流量。它可用于更复杂的流映射器，但最后采用[2]中基于比例的映射器：分配到APi的流量r_ik数量保持从每个AP可获得的带宽比例，

$r_{\mathrm{ik}}=\frac{f_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ik}}}{{\mathrm{\Σ}}_j{f}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{jk}}}$

最后，THEMIS实现了反向NAT模块，i），确保数据包带有正确的源IP地址离开所述站（即那个对应即将离开的VSTA，由AP分配），及ii）为应用程序显示一致的（虚设的）IP地址，为更高的层提供IP透明度。

THEMIS估计量的评价：

首先，验证THEMIS所使用的估计量的精度。它开始研究一个测试中回程利用率β_i的估计，在该测试中，三个THEMIS站使用3Mbps线路下载HTTP文件。站使用100毫秒的周期上的25毫秒的固定连接时间连接到AP。站不同步，并且它们在独立的时间连接到相应的AP。因此，站只能观察到一小部分发送到其它站的流量负荷。此外，由于无线性质，它们可能不接收发送到其它站的一些数据包，丢失信息，如（9）中估计量所需要的序列号SN和包长度L_i。

在此配置中，在每个THEMIS站的整个时间上的回程利用率的估计与在AP测得的实际速率比较。结果显示：所有站获得非常精确的估计，如在图7中所示。

接下来，评估THEMIS的无线容量估计量。在测试中，THEMIS站连接到具有在100毫秒的周期上的25毫秒工作周期的AP，并执行从不同的Internet服务器下载几个HTTP。图8中示出了在4分钟期间的w_ik的估计量。THEMIS估计量给出由下行链路Iperf测试（来自设置在AP的同一LAN中的服务器）报告的速度的很好近似（大约13.7Mbps）。

[2,16]中还提出ω_ik的估计量。然而，这些估计是基于从802.11站发送数据包所需要的时间，因此它们更好地代表上行链路速度，而不是下行链路速度。这可能会导致下行链路的无线容量的估计的严重错误。作为例子，图8示出对于相同情况在[2]中的估计量的性能，可以看出，低估了无线容量。事实上，高的下行链路速度将在传输上行链路中的数据包之前导致很长的空气时间，转变为低（和错误）的下行链路的无线容量估计。

系统评价：

已经通过不同的测试对THEMIS的系统实施进行了评估。对于每一个案例，它们1800秒的五个测试已经运行，并绘出获得的平均结果。这样的配置被选择，以验证在时间和在不同的测试结果是稳定的。为了实现独立的测试，站被配置，使得THEMIS估计量在每次测试后复位。对于传输层，它利用带有SACK的Linux标准TCP Reno，和延迟的ACK选项启用，用tcLinux流量整形器模拟AP回程能力。除非另有说明：i）它使用iperf打开每个AP的TCP流量，ii)在每个台站k的AP回程容量是已知的，而ADSLs使用率{β_ik}，和THEMIS站k的无线容量{ω_ik}通过无线容量估计量来估计。

THEMIS参数：

选择合适的无线时期表示一个复杂的权衡。一方面，AP之间的切换引入开销，因此选择长的无线期间是更有效的。然而，长时间会影响TCP性能，因为它们人为地增加了端到端的延迟。另一方面，短周期减少从PS模式下的AP的断开时间，并阻止TCP暂停，但更低效。作为良好的平衡，选择100毫秒的无线周期T。调度程序和估计量每20·T=2秒更新。也被施加：连接到每个AP的时间至少等于切换成本加2毫秒（即给出了最小工作周期f_i≥0.03）。

基于广泛的模拟已选择α(5),δ(6)和γ(7)的值，这些值在收敛性和稳定性之间提供了很好的权衡。类似地，对于AP回程和无线容量的拥塞阈值分别选择λ=0.95和μ=0.95。这些参数的更详细的敏感性分析落在本发明的范围以外。

连接到一个AP的两站：

首先考虑配置，两个站被连接到相同的AP（802.11传统运作）。在测试中，考虑两个站以约w₁=20-22Mbps的下行链路无线速率从AP接收流量，并且被连接到b₁=7Mbps的AP回程（这是AP回程容量，因此TCP流量实际可用的速度可能较低。事实上，由于TCP的锯齿行为，不是在瓶颈的所有可用带宽可以在任何时候使用。每通道带宽利用率可以提高在每一个AP上建立一个以上的TCP连接）。也可以考虑站A的每个AP打开一个TCP流，而站B的每个AP打开10个TCP流。

结果概括于下表中：

	站A	站B
			802.11遗留	0.45Mbps	6.24Mbps
THEMIS	3.15Mbps(f＝0.19)	3.40Mbps(f＝0.15)

由于传统802.11，站B使用具有平均接收6.24Mbps的吞吐量的大部分回程容量，而站A饿死在0.45Mbps，在吞吐量大于13倍小于站A。另一方面的，每个THEMIS站在每个AP上连接卡时间的有限百分比以收集所要求的带宽T_1k。其结果是，站B比站A打开更多的流，连接更短的时间，即它们的时间14％对19％，然后只是整个无线时期几毫秒。事实上，站B平均需要更少的时间，以达到从AP的带宽，因为它较少受到每个流的TCP的锯齿形行为的影响。其结果是，站A和B获得类似的吞吐量（3.15Mbps对3.40Mbps），和6.55Mbps的网络利用率，而不是6.69Mbps，THEMIS拥塞控制的结果。下表中可以观察到两个站连接到一个AP的结果。

一个站连接到多个AP：

在这些测试中，效率根据连接到多个AP的一个THEMIS站的网络利用率进行评估。首先，考虑这种情况，吞吐量并不限于任何连接上的无线卡速度，即预期的结果完全利用可用的AP的回程容量。

考虑站A与三个AP相关联，在下行链路的无线速率约w₁=w₂=w₃=20Mbps的，并且分别连接到b₁=5Mbps,b₂=1Mbps和b₃=10Mbps的AP回程，具有16Mbps的总带宽。因为它是在图9中所示，工作周期收敛到稳定的值范围。THEMIS的大部分时间都花在网络的最佳路径（通过AP₃）和较少的时间最坏的网络路径（通过AP₂）。这导致15.05Mbps的总的聚集吞吐量，这是这将导致网络聚集容量的94％的平均使用，如从设定λ=0.95预期的。

然后，考虑方案，THEMIS站连接到两个接入点，并且受一个链路上的无线速度限制。在测试中，THEMIS站在AP₁上测量w₁=20.74Mbps的下行链路的无线容量，在AP₂上测量w₂=2.73Mbps的下行链路的无线容量，和被连接到每个5Mbps的AP回程，路径2上的无线瓶颈。

结果总结于下表：

已经考虑两个设置：第一，理想的情况下，AP回程容量被正确估计在5Mbps，第二，最现实的情况，无线限制的路径（路径2）的AP回程容量估计值瓶颈是无线容量b₂=w₂=2.73Mbps。

在第一种情况下，THEMIS在具有较高的无线速度路径上花费f₁=0.25，获得4.74Mbps的吞吐量。剩下的时间花费在无线链路限制的路径(f₂=0.71)，达到2.43Mbps的吞吐量（用于聚合的7.17Mbps）。要注意的是，THEMIS使用少的时间（(f=1-0.25-0.71=0.04)检测卡时间拥塞，如（7）中所示。

在第二种情况下，在路径2中获得的吞吐量稍微降低至2.21Mbps，和2.43-2.21=0.21Mbps的路径的子利用。事实上，一个较小的（和错误的）AP的回程容量估计会导致所述链路上的较高的AP回程价格p₂，这反过来根据（5）导致所述站在该连接上请求较少的吞吐量。这转变成较小的工作周期f₂=0.67，而不是0.74,从而减少了这条路径上的带宽。

在这两个试验中，THEMIS使得高效使用网络：总的吞吐量高于100％的时间连接到AP₁（至多为5Mbps）或AP₂（至多为w₂=2.73Mbps）得到的吞吐量。

多站连接到多个AP：

当不同的工作站连接到多个AP，对公正性和网络的利用效率进行评估。首先，分析三个THEMIS站的情况，在图10（a）中的方案，三个AP的回程速度分别是：b₁=7Mbps,b₂=3Mbps和b₃=2Mbps，总的集合容量为12Mbps。假定没有站受到无线链路限制，每一个台站有望获得平均集合速度接近12/3=4Mbps，即使所述站共用不同的数目的AP。

这显示在图10（b）中：三站获得公平份额的集合AP回程速度，站A、B和C分别为平均3.80Mbps、3.89Mbps和3.75Mbps，总吞吐量为11.44Mbps，再次为大约总的可用容量的95％。

然后考虑图11（a）中的方案，站B与站A共享两个AP回程，有线速度分别为5Mbps和1Mbps。站A也可以连接到回程速度为10Mbps的第三个AP(AP₃)。那么，站B可以最多达到6Mbps的速度，绝不可能达到AP₃回程的10Mbps速度。

图11（b）的结果示出总的聚合TCP吞吐量：站A上为9.88Mbps(f₁=0.08,f₂=0.05和f₃=0.47),和B站上为5.09Mbps(f₁=0.28,f₂=0.09)。站A做出公平的决定，尽可能减少连接到共享AP的时间量。

具有不均匀数目的TCP流的站：

在这里，回忆图1（a）所示的流量分布的不公平事例，两个站共享两个5Mbps的回程的AP，并使用不均匀数目的TCP流。图12显示THEMIS能够保证每个站公平共享的聚合的回程容量。

具有不同优先级的站：

考虑与以前同样的方案，现在站A和站B发生漫游和共享两个5Mbps的AP回程。考虑站A的用户比站B的用户拥有更高的优先级。为了便于说明，假定THEMIS适用使用K_A=4和K_B=1的加权比例公平。因此，预期A站获得总带宽的K_A/(K_A+K_B)=0.8，而站B获得剩余的K_B/(K_A+K_B)=0.2。实验表明，THEMIS站获得：站A的7.64Mbps的吞吐量和站B的2.0Mbps的吞吐量。

真实场景中的THEMIS：

为了测试THEMIS的可扩展性，部署一个实际的测试平台，跨越三层楼的高层建筑。该网络由具有对应的WLAN AP的10个商业ADSL和10THEMIS站，即每一行的业主。9条ADSL线路的标称容量为3Mbps和1条的标称容量为1Mbps。AP按每80平方米分布以模仿普通住宅公寓大小（见图13），并被设置为独立的2.4GHz ISM段的无线电频率（频道优化不在本发明的范围内）。

在引导阶段，基于802.11AP指向标的SNR的被动分析选择AP。站在射程内扫描AP，认证和关联AP，从最高SNR到较小的SNR的。THEMIS需要最小信噪比（SNR）为10dB，以保证以1Mbps的PHY基本速率稳定接收。在每一个测试中，每个THEMIS站中自动速率选择是有效的，在每一个无线上行链路上具有Minstrel速率选择算法[17]的独立实例。

特性描述：

测定网络中的每个链路的容量（即ADSL和10H10无线链路）。研究结果发现，3Mbps的线路提供2.65Mbps恒定的最大速度，1Mbps线路提供0.89Mbps的速度。关于无线链路，除了10个“家”链接（站位于AP附近），每个无线链路测得的SNR小于30dB。

然后，流量从通过802.3LAN连接到AP的服务器产生，每次启动一个AP站链接，每一次测试的时间为5分钟。计算每个链路的平均吞吐量和标准偏差。然后，根据平均吞吐量，每个站以递减顺序重新排列10个链路。

结果报告在图14中。每个站均可以以高于10Mbps的速度从至少3个AP接入点（最多5个）接收TCP流量。结果表明，可以聚集至少三个AP的低速回程的带宽。

位置的影响：

为了显示位置的影响，进行一个测试，其中两个站（如图13中所示的站A和站B）最初共享同一组AP，并都位于离开它的“家”AP几米。对于此测试，使用三个连接到3Mbps线路的AP，因此，该站A和站B共享的总回程容量为2.65×3=7.95Mbps。因此，公平共享总的带宽，每站为7.95/2=3.975Mbps。在2400秒期间，两个站在每个AP执行几个HTTP下载。经过1200秒的测试后，站B移动到第二位置，从此位置它只能连接到前两个AP。由于IP移动性不在我们的试验台执行，站B的所有的连接都将被丢弃，在新的位置再次开始。作为站B移动的结果，网络的拓扑结构改变和站作观察到不均匀的AP回程容量。

如分别在图15中（a）和图15（b）中所示，测试运行使用如FatVAP[2]中的吞吐量最大化算法和使用THEMIS。结果表明，对于两个站（它们均以类似的速度连接至三个AP），当网络的拓扑结构是类似的，使用吞吐量最大化的结果是为两个站具有类似的长期性能，但不能保证短期公平。此外，该拓扑结构发生变化时，站B显然是由于其新的不幸运的位置获得2.8Mbps，而站A获得4.8Mbps。

另一方面，THEMIS保证在两种拓扑结构公平共享回程容量，向各站提供3.5Mbps。必须注意，当站B移动到新的位置时，由于较低的信号强度PHY速率迅速降低，THEMIS快速收敛到回程容量公平分配。另外请注意，因为公平机制依赖于拥塞阈值λ和μ，所以网络利用率稍低于最佳情况。

综合操作

通过不同的部署已显示,THEMIS能够处理聚集AP回程带宽时出现的三种类型的不公平。然而，在现实生活中的情况下，这些不公平可发生在同一时间。因此，进行测试，在存在P2P站（站A）、处于不幸运位置的站（站B）和低优先级站（站C）下评估THEMIS。站的位置在图13中示出。对于此测试，已使用三个AP，每个具有3Mbps回程。P2P和低优先级的工作站连接到三个AP，而处于不幸运位置的站连接到两个AP。假定低优先级站拥有1Mbps ADSL，而其他站拥有3Mbps ADSL线路，权重被设置为K_A=K_B=3和K_C=1。在这样的实验中，公平的制度应该能够的根据用户的优先级按比例分配带宽。

在测试开始，站A开始从三个AP下载P2P流量。经过1200秒后，站B开始从其连接到两个AP进行多个HTTP下载。最后，再过1200秒后，站C也开始从AP下载HTTP流量。

使用吞吐量最大化算法的结果显示在图16（a）中。值得注意的是，站A，由于通过P2P应用程序打开的大量TCP流量的，获得大部分的回程容量，阻止站B获得其公平共享带宽。此外，当站C开始下载时，没有优先级的用户进一步降低通过站B获得的吞吐量，引入不公平计费。最后，由于B站和C达到类似的吞吐量，尽管站B位于不幸运的位置，所述流量分配不公平控制拓扑不公平。

使用THEMIS的结果在图16（b）中显示。当位于不幸运的位置的站B在1200秒后开始其下载时，因为性能异常[9]，在共享AP上站A测得的无线容量下降。然而，该系统能够快速适应：具有较低无线容量的无线链路获得更高的无线价格q_ik，因此获得更小的吞吐量需求T_ik和专用的工作周期f_ik。对于两个站A和B，较小的工作周期意味：同时被连接到相同的AP的可能性减小，从而性能异常发生的概率下降。结论是，THEMIS向两个站提供公平共享聚合带宽，同时提供回程带宽的高使用。最后，当站C开始下载时，优先级被保留，站A和B获得较大份额的回程容量。

在上述实验中，AP是现成的路由器，运行Linux的DD-WRTv24固件。所述站是Linux笔记本电脑，配备了单一无线电基于Atheros的无线网卡。对于网络中的每个AP和工作站，无线多媒体扩展（WME）和RTS/CTS握手被禁用。任何非标准兼容的802.11特征也被禁用，H/W队列采用802.11最佳工作参数设立。

已经显示：公平是多AP聚集方案成功的关键因素。如果不公平，严重降低系统的感知价值，消除了激励用户参与和供应商部署的积极性。这实际上使得该方案不可实行。为了实现公平，现有的最大限度地提高单个用户的吞吐量的多AP聚集系统不能扩展。因此，需要对系统进行完整的重新设计，这已通过本发明完成，特别是通过THEMIS，用商品硬件实现的单一无线电站在多AP聚集情况下是公平的。THEMIS使用标准802.11在所述站的本地操作，而不需要对网络进行任何改变。这使得THEMIS准备好被部署。事实上，主要的宽带服务供应商在商业试验中正在使用THEMIS。

对于这里没有描述的几个实施例，THEMIS扩展到包括构想中的上行链路流量、在TCP性能上TDMA可能具有的影响和权衡通过适当的修正/补偿机制克服，THEMIS用来设计更省电的接入网络，THEMIS被杠杆化来执行高效率大规模的蜂窝数据卸载，这似乎是未来几年的一个困难的挑战。

本发明的优点：

THEMIS已经在一组广泛的测试中被评估。调查结果表明：

-上述估计是准确的，站不需要从网络请求信息。

-THEMIS实现了公平共享的站间总的网络容量，同时有效地利用聚合的网络容量。

在不脱离本发明的范围情况下，本领域技术人员可以对所述的实施例做出改变和修改，本发明的范围由所附权利要求书限定。

缩略语

ADSL非对称数字用户线

UMTS通用移动通信系统

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Claims (23)

1.一种用于根据无线多个接入点回程来管理站吞吐量的方法，包括每个站使用单一无线接口和调度那里的吞吐量，其中该方法的特征在于，它适用于将站通过所述单一无线接口连接到一个或多个接入点(AP₁,AP₂,AP₃)，其中，所述方法包括：基于以前接收的或请求的吞吐量

通过确定站（k）至接入点(AP_i)的吞吐量请求T_ik来执行所述调度；和计算相应的工作周期f_ik，在所述工作周期期间所述站(k)需要连接到所述接入点(AP_i)以接收所述请求的吞吐量T_ik。

2.如权利要求1所述的方法，包括通过下面的表达式：f_ik=T_ik/ω_ik计算所述工作周期f_ik，在所述工作周期期间所述站(k)连接到所述接入点(AP_i)以接收所述请求的吞吐量T_ik，其中ω_ik是无线容量，所述站（k）在所述无线容量可以从所述接入点(AP_i)接收。

3.如权利要求1或2所述的方法，包括：在所述工作周期f_ik期间将所述站（k）通过所述单一无线接口连接到所述接入点(AP_i)。

4.如权利要求3所述的方法，包含执行所述调度，包括所述工作周期f_ik计算，在所述计算的工作周期f_ik期间将所述站(k)分别连接到多个接入点(AP₁,AP₂,AP₃)，和通过所述单一无线接口以使用时分多址TDMA的不同无线频率实现所述连接。

5.如权利要求4所述的方法，包括：一旦所述站（k）连接到所述接入点(AP₁,AP₂,AP₃)中的一个接入点(AP_i)，就根据802.11DCF协议发送和接收流量。

6.如前述权利要求中任一项中所述的方法，其中，所述调度也通过执行下面表达式的优化算法实现：

其中，y_k＝Σ_i∈AT_ik表示通过所述站(k)接收的总吞吐量，和U(yk)是一个函数，其代表根据所接收的吞吐量在站(k)的效用。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述以前接收的或请求的吞吐量

通过下面的表达式或最佳速率更新规则计算：

$T_{\mathrm{ik}}=\widehat{T_{\mathrm{ik}}}+\mathrm{\α}(U^{\′}\left(y_k\right)-p_i-q_{\mathrm{ik}}),$

其中：

U’(yk)是U(yk)的导数，

α是所述最佳速率更新规则的步长，

p_i代表接入点回程(AP_i)上的拥塞水平的价格，和

q_ik表示从站(k)到接入点(AP_i)的无线链路上的拥塞水平的价格。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述价格p_i对应于接入点的回程容量约束，回程容量约束确保通过接入点(AP_i)回程的总流量不超过所述接入点(AP_i)的回程容量b_i，它由下面表达式定义：

其中S是站的集合和A是接入点的集合。

9.如权利要求8所述的方法，其中，价格p_i根据下面表达式计算或更新：

其中是在优化算法的前一步骤中得到的价格，δ为价格更新的步长，λ≤1是拥塞阈值，和(x)⁺＝max(x,0)。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中，所述价格q_ik对应于所述站(k)无线容量约束，所述无线容量约束保证所述站(k)接收到的总流量不超过其无线接口的总容量，并被定义为如下表达式：

11.如权利要求10所述的方法，其中，价格q_ik根据下面表达式计算或更新：

其中

所述优化算法的前一步骤中得到的价格，γ是价格更新的步长，μ≤1是拥塞阈值，和(x)⁺＝max(x,0)。

12.如前述权利要求中任一项中所述的方法，包括通过应用校正系数σ_ik=T_ik/x_ik校正预期接收流量的吞吐量T_ik与实际的流量x_ik之间的偏差，所述实际的流量是所述站（k）在所述选定的工作周期f_ik期间从所述接入点(AP_i)接收的流量，和将所述站(k)在校正工作周期连接到所述接入点(AP_i)：

$f_{\mathrm{ik}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ik}}\frac{T_{\mathrm{ik}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ik}}}+c_i$

其中c_i是从一个接入点切换到下一个接入点的开销。

13.如权利要求12所述的方法，包括，对于未校正的或校正的工作周期f_ik的计算和价格p_i和q_ik的计算或更新，估算下面的参数：

-所述接入点(AP_i)回程的使用率β_i＝Σ_k∈ST_ik;

-所述无线容量ω_ik，其确定无线链路的最大传输速率;和

-所述回程容量b_i，其测量接入点(AP_i)回程可以发送流量的最大速度。

14.如权利要求13所述的方法，包括在所述站(k)本地执行所述估计。

15.如权利要求14所述的方法，包括通过执行下面的动作估计所述使用率β_i：

-监听由所述接入点(AP_i)发送到任何站的流量，并存储所述流量帧或数据包的标头MAC序列号或SN;

-计数所存储的SN以获知在确定的时间内通过所述接入点(AP_i)回程的数据包的量。

16.如权利要求14所述的方法，包括：通过如下的表达式执行所述SN计数：

$N^i=\left({\mathrm{SN}}_M^i\right[\mathrm{Last}]-{\mathrm{SN}}_1^i[\mathrm{First}\left]\right)\mathrm{mod}4095$

其中，

和

分别是所述接入点(AP_i)在时间窗口期间M·T发送到任何站的第一个和最后一个数据包的MAC序列号，其中，M是等于或大于1的整数，而mod4095是802.11模块4095。

17.如权利要求16所述的方法，包括计算所述使用率，根据：

${\mathrm{\β}}_i=\frac{E\left[L_i\right]\·N^i}{M\·T}$

其中，E[Li]是当所述站(k)连接到所述接入点(AP_i)时，由所述站(k)接收到的所有的数据包上的在IP层上的每个数据包的平均位长度。

18.如权利要求14，15或16所述的方法，包括：通过计算当所述接入点(AP_i)在饱和状态下传送时指向其的帧的数据包离差来估算所述无线容量ω_ik。

19.如权利要求18所述的方法，包括，为了检测饱和周期，所述站（k）运行时间感测在两个连续的接收到的数据包之间的无线信道占用或所述信道繁忙的时间百分比，如果所述占用在某一阈值以上，所述方法包括为所述两个连续的数据包定义接入点(AP_i)为处于饱和状态，并存储第二个数据包的数据包长度和所述两个数据包之间的离差。

20.如权利要求19所述的方法，包括通过在测量窗口M·T上对其平均来对所述无线容量ω_ik进行估算：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ik}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^M{B}_j}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^M{T}_{j,\mathrm{SAT}}^i}$

其中B_j为在饱和状态下从接入点(AP_i)发送到所述站(k)的数据包长度的总和，当所述站(k)处于饱和模式下接收时在第j站连接到所述接入点(AP_i)期间的离差的总和。

21.如权利要求14至20中任一项所述的方法，其特征在于，包括通过将所述单一无线接口连接到容量服务器估算所述回程容量b_i，并计算在连接到所述容量服务器期间使用率β_i达到的峰值，如下

$b_i=\underset{l=\mathrm{1,2},...L}{\max \stackrel{\‾}{{\mathrm{\β}}_i\left[l\right]}}$

其中，L表示在1/（M·T）速率测试过程中测量的数量，

表示第l次计算后β_i[l]的平滑平均值。

22.如从属于权利要求4的权利要求4到21中任一项所述的方法，包括：在所述单一无线接口的顶部上虚拟化无线驱动程序，使得它显示为与相应的所述接入点(AP₁,AP₂,AP₃)相关联的独立虚拟站VSTA_i，并使用每个VSTAi负责管理与所述接入点(AP_i)的数据通信和相关的程序，所述工作周期或校正工作周期f_ik被计算用于每个所述虚拟站到所述接入点(AP₁,AP₂,AP₃)的相应的(AP_i)的连接。

23.一种用于根据多个无线接入点的回程管理站吞吐量的单一无线站，其特征在于，它包括：处理装置，其根据前述权利要求中任一项所述的方法实施执行所述调度的算法和参数估计；和通信装置，其根据所获得的调度将站（k）连接到至少一个接入点(AP_i)。

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