CN103988542A - 用于在接入点带宽聚合的方法和系统 - Google Patents

Abstract

所述方法包括通过到相应的专用接入点的连接在至少一个无线客户端设备之间提供通信，以及定位和识别多个相邻接入点，其特征在于，所述方法包括以下操作：a）通知，所述专用接入点向其提供通信的所述至少一个无线客户端设备通知预定的缺席时间段;b）在所述预定的缺席时间段，所述专用接入点成为至少第二接入点的客户端;c）接收，所述专用接入点充当客户端，接收与所述至少第二接入点的回程带宽相应的数据，并且将从所述至少第二接入点接收的回程数据聚合到其自身的回程数据;以及d）发送，在所述预定的缺席时间段过后，所述专用接入点将所述聚合的回程带宽数据发送到至少一个无线客户端设备。所述系统适用于实现本发明的方法。

Description

用于在接入点带宽聚合的方法和系统

技术领域

总体上本发明在第一方面涉及用于在接入点带宽聚合的方法，通过使用单个无线接入点的解决方案在所述接入点执行所述带宽聚合，以提高客户端的连接速度。

本发明的第二方面涉及一种用于带宽聚合的单个无线电接入点部署系统，以提高客户端的连接速度。该系统适用于实现第一方面的方法。

背景技术

在过去的十年中，由于新的网络部署如xDSL，光纤到户（FTTH）或电缆，互联网的接入速度已经显著提高。利用这些技术，最普遍的是xDSL，可以为用户提供高达50Mbps的速度，如果电话线的状态良好，该速度接近于DSLAM。然而，现实情况是，在许多地区，互联网的接入速度仍然很低（例如低于5Mbps）。

无线回程带宽聚合已被提议作为提高用户连接速度的方法，该方法对现有网络部署的改动最小，详见Giustiniano等的“公平WLAN回程聚合”（在MobiCom’10论文集中（2010）），或Kandula，S.等的“胖虚拟接入点：聚合接入点的回程容量以最大化吞吐量”（在NSDI'08论文集中（2008））。此外，像FON的商业计划的目标是创建全国性的WiFi共享的社区，为用户在他们离开家时提供连接到互联网的可能性，如果他们接近社区的接入点（AP）。运营有线和蜂窝接入网络的互联网服务提供商（ISP）将WiFi共享看作蜂窝网络流量减荷的机遇，并且回程带宽聚合是在他们改善其回程网络时，用于提高其服务质量的方法。

不过，将学术概念应用到商业部署带来了多个需要考虑的因素。一，整体解决方案的成本必须保持在较低水平。因此，不选择引入额外的硬件或需要高度专业化的设备。第二，该解决方案的部署不能太复杂。然后，解决方案必须尽可能使修改的设备数目最小。

目前的回程带宽聚合解决方案，详见前述，需要无线客户端驱动程序的修改，以使该规划成为可能。每个无线客户端需要提供一个虚拟的无线网卡。这意味着，对于商业部署，会需要修改每一个可能的WiFi客户端的操作系统和无线驱动程序，所述WiFi客户端包括智能手机，平板电脑，笔记本电脑等，作为一个可能的实现，这种方法的成本是绝对不允许的。

需要修改的设备多样性的问题可以通过在例如接入点的很少量的设备集合中部署聚合方案来解决，所述设备集合通常是由互联网服务提供商提供。然而，当前以单个无线电设备进行聚合的方法不意味着能在接入点使用。在接入点引入第二WiFi无线电能提供了一种技术解决方案，但是它增加了由ISP出资的设备的成本，使得所述解决方案不切实际。

现有技术中基于客户端的聚合规划也提出使用TDMA能使单个无线电客户端连接到所有相邻接入点，无论其工作的频率。在100毫秒的周期上，所述无线客户端以循环的方式（在图1中示出），顺序地连接至范围内的所有被选择的接入点。使用标准802.11的省电特性，客户端能够向它所连接的接入点通知其缺席，以使接入点缓冲定向到它的数据包。通过这种方式，客户端执行的聚合表现为：除了该循环周期中当前调度的一个接入点外，在所有接入点中睡眠。

当客户端完成对一个接入点的时间分配，它向所述接入点发送一个数据包，宣布其将要进入省电模式，并且接入点必须缓冲定向到它的数据包。然后所述客户端在所述TDMA周期将所述WiFi卡调谐到下一个接入点的频率，并发送一个数据包，宣布它的存在并接收所有接入点缓冲的数据包。在客户端切换频率的时候，就不能发送/传输数据。这段时间称为切换时间，并且在现有技术中它为1.5ms。

因为回程容量和从客户端到每个接入点的无线链路的容量可能是不同的，基于客户端的聚合系统必须优化专用于每个接入点的时间百分比。Kandula，S.等人提出最大化每个客户的个人吞吐量。与此相反Giustiniano等人表明个人吞吐量的最大化可能会导致严重不公平的吞吐量分布，并且对加权比例公平性做了优化，以实现网络资源利用率和公平性之间的良好折衷。在这两种系统中，从每个接入点获得的吞吐量是由它在TDMA周期中专用于它的时间百分比来控制。请注意，客户端可能能够收集到相邻接入点的所有回程容量，并且有空闲时间，在所述空闲时间所述WiFi卡可以进入省电模式，降低了系统的能耗。

继续发展的唯一途径是开发一种解决方案，所述解决方案可以简单地通过接入点的软件修改，而无需任何客户端支持，来启用所需的功能。本发明提出AGGRAP，单个无线电接入点使得无线回程聚合的商业部署成为可能。AGGRAP能够聚合相邻接入点的未使用的容量，无论他们的无线信道，并将其重定向到现成的客户。

本发明的贡献可以归纳如下：1）它提出了一种可行的和成本效益好的回程带宽聚合解决方案，2）它通过一个单个无线电接入点制定了无线回程带宽聚合的问题，所述无线电接入点对其客户端充当接入点并且对相邻接入点充当客户端，并表明该问题可以映射为允许有相同的优化目标的基于客户端的解决方案，3）它以分析和实验评估了接入点和基于客户端的解决方案的性能权衡，4）它实现了AGGRAP，并表明它能够从邻近回程聚合带宽，并增加不同类型的现成客户端的吞吐量，所述现成客户端，如笔记本电脑或智能手机。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决方案，使得仅仅以无线接入点的修改，且无需额外的无线电硬件，来启用无线网络的回程聚合，以当客户端在参与接入点的范围内时，提高上传和下载的吞吐量。

为此目的，本发明在第一方面提供在接入点中用于带宽聚合的方法，作为在本领域通用的该方法包括通过连接到相应的专用接入点，来提供在至少一个无线客户端设备之间的通信，以及定位和识别多个相邻接入点的通信。

与已知的建议相反并以特有的方式，该方法包括以下操作：

a）通知，所述专用接入点向其提供通信的所述至少一个无线客户端设备通知预定的缺席时间段;

b）在所述预定的缺席时间段，所述专用接入点成为至少第二接入点的客户端;

c）接收，所述专用接入点充当客户端，接收与所述至少第二接入点的回程带宽相应的数据，并且将从所述至少第二接入点接收的回程数据聚合到其自身的回程数据;以及

d）发送，在所述预定的缺席时间段过后，所述专用接入点将所述聚合的回程带宽数据发送到至少一个无线客户端设备。

在一个优选的实施例中，所述专用接入点使用单个无线电接入点方案执行连接和带宽聚合，所述单个无线电接入点方案将在所述通信范围内的至少第二接入点的空闲带宽聚合，而无论它们的工作信道。

在另一个实施例中，紧接在预定的缺席时间段之后，专用无线接入点仅将聚合的回程带宽数据发送到所述至少一个无线客户端设备。

预定的缺席时间段有一个值，该值通过使用网络分配矢量（NAV）来计算，以使所述专用接入点维持与所述至少一个无线客户设备的联系。根据一个实施例，所述值具有最大32毫秒的持续时间。

在另一个实施例中，当其回程带宽利用率超过其容量的80％时，专用无线接入点仅充当所述至少第二接入点的客户端。

然后，所述专用接入点通过信标帧向所述至少第二接入点宣布回程带宽容量，以及它们可以得到的聚合吞吐量，以使其推导出适当的时分多址（TDMA）规划。

在所述专用接入点中，来自所述至少一个无线客户端设备的流量被优先处理，以保证所述回程带宽的空闲容量用作辅助。

最后，根据另一个实施例，所述回程带宽聚合是通过在接入点之间保证相等和公平分享来进行。

本发明的第二方面提供了在接入点用于带宽聚合的系统，该系统在该领域中通用，该系统包括：

至少一个无线客户端设备和专用接入点，所述无线客户端设备向所述专用接入点建立通信;以及

所述至少一个专用接入点具有能定位和识别的多个相邻接入点的连接能力，

在该系统中以特定的方式，所述的专用接入点进一步适于充当正常的接入点，向所述至少一个无线客户端设备提供所述通信;并且适于充当所述多个相邻接入点的至少第二接入点的客户端，以执行所述至少第二接入点的带宽聚合。

根据一个实施例，在接入点之间的通信和在接入点与无线客户端设备之间的通信是通过单个无线电接入点解决方案来建立的。

根据另一实施例，所述单个无线电接入点解决方案是位于所述专用接入点并可以位于不同或相同的所述至少第二接入点的通信信道中。

最后，在所述单个无线电接入点的解决方案中，所述至少一个无线客户端设备在通信过程中保持不变。

附图说明

从下面参考附图的实施例的详细描述，将能更充分地理解前述和其他的优点和特征，所述实施例必须以说明性和非限制性的方式来加以考虑，其中：

图1是无线客户端TDMA聚合周期的一个例子。

图2是无线接入点的TDMA聚合周期的一个例子。

图3是本发明的所述带宽聚合方案的实施例。一个客户端从三个接入点获得聚合带宽，当第二个客户端连接到其接入点，网络拓扑结构发生变化。

图4是具有三个接入点和一个客户端的带宽聚合方案的实施例。

图5显示了对应于每一个回程链路都有叠加无线信道的实施例。

图6是所述中继容量和单跳链路容量之间的对比。

图7是本发明的一个实施例的网络部署的公平性实验。

图8是基于客户端和基于接入点的解决方案的网络结构的实施例。

图9根据一个实施例，示出了有6Mbps本地和6Mbps相邻回程的基于客户端和基于接入点的系统的聚合容量。

图10根据一个实施例，示出了有1Mbps本地回程和10Mbps相邻的回程的基于客户端和基于接入点的系统的聚合容量。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种WiFi回程聚合部署的解决方案。为此，该解决方案满足以下四个要求：

·单个无线电接入点：解决方案必须不增加现有硬件的成本。

·未修改的WiFi客户端：提供对所有类型设备的聚合，它不需要修改现有的WiFi客户端。

·有限的开销：WiFi聚合的目标只有主接入点的近邻，即它不引入中转多于2个无线跳的连接。

·回程连接首先专用于所有者的设备：AGGRAP只聚合来自相邻接入点的未使用带宽。

社区的高层架构，使得其订阅者能够连接到任何参与共享方案的接入点。超越例如FON的传统WiFi共享，在本发明的架构中，不仅有用户连接到参与的接入点，而且还包括其他的接入点，以便使用额外的回程容量。因此，AGGRAP设计为在两种模式之间进行切换：ⅰ）服务其客户端，和ii）充当其他参与接入点的客户端，以提高对其客户端的上行链路/下行链路的吞吐量。在希望辅助的情况下，只有当主接入点回程链路的利用率超过80％时，后一功能才进一步触发。

为实现所述回程带宽聚合的全部潜力，AGGRAP必须能够充当在不同的信道运行的接入点的客户端。由于要求之一是有单个无线电接入点，使得AGGRAP连接到不同频率的接入点成为是挑战，我们在下面的部分来解决所述挑战。

为了使用单个无线电接入点进行带宽聚合而不管邻近接入点的信道，在基于客户端的聚合系统中使用的TDMA周期需要调整以解释接入点功能。AGGRAP必须在其自己的频率上花费合适数量的时间，将在其回程链路上和其相邻接入点（如图2）的那些链路上收集的数据转发到其客户端。

因此，本调度决策稍微复杂一些。此外，本发明需要解决又一个挑战-如果AGGRAP离开它自己的频率，以利用其他接入点的回程链路，它可能会丢失其客户发送的数据包，或者甚至导致它们掉线。所述后一个问题在以前基于客户端的方式中是不存在，因为客户能向自己的接入点表明，他们将要消失一段时间，通常进入省电模式，而接入点应该缓冲用于后续传递的数据包。然而，这样的功能对于接入点是不存在的，接入点在有与他们相连接的客户端时，被认为永远是开启的。本发明通过使用网络分配矢量（NAV）解决了这个问题。

NAV是每个802.11设备具有的计数器，并表示在完成之前先前传输所需要的时间数量。在此之前发送数据包，任何802.11设备估计给定传输速率和数据包长度时发送它将花费的时间，并将该数值写入到数据包的MAC头的持续时间字段。在该范围内的其他设备根据他们收到的数据包的持续时间字段更新其NAV值。这样，直到传输结束，在该范围内都不会有802.11设备去尝试访问该介质。AGGRAP使用该NAV值来将信道保留到其将离开其接入点信道的时间。然后，在离开它的主要工作的信道时，它发送一个包到虚拟MAC地址（如果信道保留信息包被传递到AGGRAP的客户端之一，这个客户端可能在接收所述包结束时开始传输），其持续时间字段等于它将充当所有其他接入点的客户端的时间的数量。所述持续时间字段的最大值≈32ms（15位数字来表示以微秒为单位的持续时间）。

本发明到此解决了前三个需求。为解决第四个需求，它可以确保仅在其回程链路利用了80％以上时，AGGRAP才连接到相邻接入点。为了进一步使其能推导出适当的TDMA规划，AGGRAP通过信标帧宣布回程链路的容量，以及它们可供聚合的吞吐量，即，没有由他们的客户利用的那一部分容量。这两个值都以Mbps报告，并使用加权移动平均来计算，每秒更新一次。为了进一步确保只有空闲回程链路被用于辅助，客户端的流量在接入点处优先。这种优先通过所述MAC地址作为接入点以及客户端的认识来产生。该MAC地址在不同时间用作两个角色（如AGGRAP），被归类为低优先级“客户”和直接给它们不用考虑计算其可供聚合吞吐量的流量。

使用NAV预留信道的作用是使所有的客户端静默，并防止在AGGRAP SSID中丢失数据包。然而，这种效果并不局限于该AGGRAP WLAN，并且也将使在所述范围中使用相同信道的任何相邻网络静默。因此，AGGRAP的聚合可能会降低相邻WLAN的可用空中时间。

基于接入点的聚合对其它网络的影响取决于多种因素，例如包括叠加网络的数量，不同用户的高带宽需求的时间或AGGRAP从其它接入点收集带宽的时间百分比。解决由于静默整个连接区域而产生资源损失的一个方案是在一个SSID内规范通知功能，接入点在一段时间内不能获取所述SSID。其实，WiFi方面已经定义了这个功能，以使得接入点节省能量。在WiFi方面，这就是所谓的缺席通知，并允许802.11设备进行通信传达所计划的掉电时间段。请注意，这样的功能也可以用于调整上行链路业务。

图3根据实施例示出了在一个三户场景中的这种高层设计。在这种特殊情况下，所有三个AGGRAP在彼此的无线范围内。最初，网络以连接到其家里的接入点（AP1）的单个客户端为特征。鉴于流量需求超过回程链路容量，接入点1连接到接入点2和接入点3，以访问多个有线容量。AP1的客户端能够聚合所有3个回程链路的每个3Mbps的容量。在时间点300秒，第二个客户端会在所述网络上出现，并连接到其本地的接入点（AP3）。鉴于这两个客户端需要比他们的回程链路能提供的吞吐量更大的吞吐量，他们使用接入点2作为辅助。该系统能够提供对接入点2的回程容量的公平共享，从而导致每个客户端4.5Mbps的有效吞吐量。

公式：

表1：在基于接入点的聚合系统中的公式化变量定义

表2：在基于接入点的聚合系统中的公式化变量定义到基于客户端的解决方案中的映射

表1和表2示出了用于本发明的基于接入点的聚合系统的公式的不同定义。

直到其客户端使其回程容量饱和，AGGRAP都充当正常的接入点。当AGGRAP的主要客户端使其回程容量饱和，即其利用率超过回程容量的80％或更高，它会扫描可以提供额外的容量的相邻接入点。在所有的有可用回程容量的相邻接入点中，AGGRAP选择出四个信号噪声比（SNR）最好的接入点，因为在[1,7]中已经表明在典型的住宅环境中，客户在有无线通道的4-5个接入点的范围内，这些无线通道可提供超过5Mbps的带宽。AGGRAP在其利用小于70％时，将辅助相邻接入点。我们留下10％的余量，以避免AGGRAP在两种模式之间的摆动。在该时间点，每个AGGRAP需要计算它要将多少时间会花在服务自己的客户端上，以及它将连接多少个接入点和将连接到多长时间。本发明方案提出了这样一个规划，所述规划旨在优化加权比例的公平性，所述方案提供了网络资源利用的公平性和有效性之间的良好折衷。

图4示出了一个实施例，其中三个接入点中只有一个具有需要最大连接速度的客户端。每个接入点连接到的回程链路b_i，并且所述客户端被连接到其归属接入点，该归属接入具有有效吞吐量为ω₁₁的无线信道。AGGRAP₁会尝试从两个相邻的接入点获取容量，并将聚合发送给其客户。AGGRAP₁充当接入点需要的时间百分比，所述接入点能够将所有的回程容量发送给其客户，该时间百分比是：

$f_{11}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{\∀i}{b}_i}{{\mathrm{\ω}}_{11}}---\left(1\right)$

其中b_i是AGGRAP_i的回程带宽，ω_ij是在该处AP_i可以从AP_j接收数据的无线速率，并且ω_ij是AP_i可以将数据传输到其客户端无线速率。ω_ij的值按照Giustiniano等的相同过程来估计。而每个接入点都知道其b_i。请注意，我们认为无线容量是TCP吞吐量，所述TCP吞吐量是客户端使用802.11在100％时间连接到所述接入点时得到的。

需要从相邻接入点获得所需带宽的时间百分比为：

$f_{1j}=\frac{b_i}{{\mathrm{\ω}}_{1j}}---\left(2\right)$

其中ω_1j是无线速度，AGGRAP₁可以与AP_j通信，并且f_1j是AGGRAP₁花费在充当AP_j的客户端上的时间百分比。如果AGGRAP₁有足够的时间来聚合所有的回程带宽，并将其发送给客户。

但是，依赖于所述无线信道的质量和回程链接的容量，AGGRAP并不总是能聚合所有的可用容量。在这些情况下，有必要优化时间分配，以获得在所述接入点中获得加权比例公平的吞吐量分布。如果然后把f_ij分配的问题公式化，可以看出，f_ii（AGGRAP_i花费在充当其客户的接入点上的时间）必须不小于并且还必须考虑到发送所收集的来自其他接入点（即,对于AP是的数据所需的时间。然后满足：

$f_{\mathrm{ii}}=\frac{b_i}{{\mathrm{\ω}}_{1j}}+\underset{\∀j\≠i}{\mathrm{\Σ}}\min (\frac{f_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ii}}},\frac{b_j}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ii}}})$

其中，是传输可以从AP_j获得的所述数据所需要的时间百分比的模型。通过施加的限制仅在AGGGRAP_i具有足够的时间来收集和传输所有的回程数据时有效。在所有其他情况下，可以从AP_j获得的带宽是通过使用所述链接的时间百分比乘以它的容量（f_ijω_ij）给出。此外，

$\begin{array}{c}\underset{\∀j}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{ij}}\≤1\\ f_{\mathrm{ij}}\≤\frac{b_j}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ii}}},\∀j\≠i\end{array}$

有对上述问题没有封闭形式的解。然而，有可能将在AGGRAP处分配f_ii的问题映射为Giustiniano等已经解决了来自客户端的无线回程聚合问题。

图5显示了当所述三个带宽来源都可以使用时，如何分配空中时间数据流。在这种情况下，本发明定义了每个回程链路的叠加无线信道和在给定速率的所述无线信道上传输数据所需的时间百分比。

$f_i^{\′}=\frac{b_i}{{\mathrm{\ω}}_i^{\′}}$

其中b_i为可用回程带宽，ω′_i是叠加信道的无线容量。比较图4和图5，可以看出其中ω′_i＝ω_ii。然而，为了计算需要知道ω′₂。现在ω′₂需要为链接有无线客户端的容量为b₂的回程链路的信道的无线容量建立模型。然后，ω′₂可以使用通过两跳传输大小为P的数据包所需的时间来获得：

$\mathrm{tx}\_\mathrm{time}=\frac{P}{{\mathrm{\ω}}_{12}}+\frac{P}{{\mathrm{\ω}}_{11}}=P\frac{{\mathrm{\ω}}_{11}+{\mathrm{\ω}}_{12}}{{\mathrm{\ω}}_{11}{\mathrm{\ω}}_{12}}$

然后，

${\mathrm{\ω}}_2^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{11}{\mathrm{\ω}}_{12}}{{\mathrm{\ω}}_{11}+{\mathrm{\ω}}_{12}}$

有可能的话，对ω′₃按照相同的过程处理，以减少回程带宽聚合中f′₁，f′₂和f′₃的分配问题，所述f′₁，f′₂和f′₃的分配具有与Giustiniano等相同的约束条件，以保证所有的客户之间公平分配吞吐量。

一旦计算出每个带宽源的时间百分比，有必要将这些值映射到该AGGRAP将会使用（f₁₁，f₁₂和f₁₃）的实际时间百分比。

从前面已经完成的符号的变化可以清楚地看到，f′₁描述了AGGRAP₁将b_i传输给客户段需要的时间，并且不包括它从其可以聚合相邻接入点发送的数据需要的时间。然后，f′₂描述了从b₂到AGGRAP₁和从AGGRAP₁向其客户端传输带宽所需的时间百分比，它代表f₁₂加上f₁₁的一部分。关注将数据从AP₂发送到AP₁的时间百分比，在f₁₂和f′₂之间的映射关系可以从大小为P的数据包花费在以ω₁₁和ω₁₂给定的两个链路上的时间比例可以看出。

然后，

$f_{12}=f_2^{\′}\frac{{\mathrm{\ω}}_{11}}{{\mathrm{\ω}}_{11}+{\mathrm{\ω}}_{12}}$

和

$f_{11}=f_1^{\′}+f_2^{\′}\frac{{\mathrm{\ω}}_{12}}{{\mathrm{\ω}}_{11}+{\mathrm{\ω}}_{12}}+f_3^{\′}\frac{{\mathrm{\ω}}_{13}}{{\mathrm{\ω}}_{11}+{\mathrm{\ω}}_{13}}$

表3示出了用于图4所示的实施例将所有这三个回程链路的容量看成b_i=1Mbps时的f′₁和ω′₁值。可以看出，在从叠加信道转换到实际无线信道后，所获得的用于f_ij的值与能用式（1）和式（2）计算出的值是相同的。

为了求解本实施例，没有必要使用变量的变化，因为AGGRAP能够聚合所有的回程带宽。然而，在AGGRAP需要在相邻接入点中选择最优的时间分配，以提供回程容量公平份额的比例，使用所述叠加无线信道提供了一种方式，将有变量递归定义的问题映射到有已知的解决方案的问题[3,1]中。AGGRAP使用Giustiniano等人所描述的解决方案在AGGRAP中间选择加权比例公平的吞吐量分布，该分布总结在附录中。

	AP1	AP2	AP3
				bi[Mbps]	1	1	1
ωij[Mbps]	ω11＝20	ω12＝10	ω13＝20
				ω′j[Mbps]	ω′1＝20	ω′2＝6.67	ω′3＝6.67
f′1	f′1＝0.05	f′2＝0.15	f′3＝0.15
				fij	f11＝0.05	f12＝0.10	f13＝0.10

表3：在三个“叠加信道”和真实的无线信道之间映射的实例。

实验评估：

本节简要介绍AGGRAP在现成硬件上的实现和其在小规模测试平台上的性能。评估的重点是：i）接入点同时用作客户端服务，同时自身也用作客户端，对性能的影响，ii）如前面所述的问题改写的准确性的评估，iii）在一个真实的环境中AGGRAP性能的提升。实验是在办公环境中使用现成的设备，如笔记本电脑和Android手机进行的。

实现：

AGGRAP在有Linux内核2.6.32和基于802.11的atheros PCI Express卡的台式电脑中实现，所述atheros PCI Express卡由ath9k linux驱动器来控制。兼容无线-2.6.32的ath9k代码具有虚拟化多通道的初步实现。为了能够用TDMA调度同时限制任何性能上的相关损失，修改了所述代码。

·为控制切换前发送的最后一个数据包，所述数据包表明AGGRAP要进入

省电模式，它i）首先停止上层的队列，然后开始切换过程，并且ii）

将硬件队列编号从“4”降低到“1”。编号“4”的队列使其能做无线多

媒体扩展（WME）。

·减小硬件队列长度，以增加切换事件的准确性。

此外，静默机制被实现，通过AGGRAP可以使他们的争夺域静默，以屏蔽从其工作的信道到客户端的消失。按其原设计要求，我们的客户仍然是完全未经修改的，因此允许以笔记本电脑，以及智能手机进行实验。

实验装置：

本发明测试平台包括两个AGGRAP，一个Linksys WRT54GL接入点和充当有线网络上的服务器的三台机器。为了研究在不同的回程容量上AGGRAP对性能的影响，我们使用流量控制（TC）来限制回程链路的速率。为研究不同无线容量的影响，对接入点传输的速率进行了修改。运行Ubuntu8.04（linux内核2.6.24）的戴尔笔记本电脑（latitude D620）被用来连接到AGGRAP，以执行所述吞吐量实验的大部分。此外，Android手机（例如，我们已经测试了HTC的Nexus One和三星Galaxy SII）也测试性连接到AGGRAP，并且获得与所述笔记本电脑同样的性能。下行链路的Iperf TCP连接被用来测量在每种情况下能达到的吞吐量。所有实验均在夜间进行，以避免来自于不属于该测试床的网络的干扰。

单射频多通道虚拟化：

在继续将AGGRAP作为一个整体来做性能评估之前，需要评估所述单个无线电多通道虚拟化是否会带来任何开销，当虚拟接口中的一个工作在接入点模式。为此，在图8（b）中所示的网络中，被部署在其中的一个AGGRAP充当接入点，并充当相邻接入点的客户端。AGGRAP在信道1（2.412千兆赫）充当接入点，此时相邻接入点被设置到信道5（2.432千兆赫）。使用所述网络拓扑，进行第一实验以显示根据时间所投入的百分比在各接口获得的吞吐量的演变。在这个实验中，两个TCP连接被同时启动：i）一个从AGGRAP连接到其客户端，并且ii）一个从邻近的接入点的回程连接到AGGRAP。对所述接入点的回程容量没有施加限制，从而允许单独评估所述WiFi网络。所有接入点在所述最大物理层以802.11g可能的传输速率传输（即54Mbps）。

图6示出了所述实验的结果。“本地吞吐量”，是在AGGRAP和其客户端之间的链接中获得的带宽，“借来的吞吐量”，是AGGRAP使用相邻的接入点能够接收的带宽。图6中标示了“聚合吞吐量”的线是指“本地吞吐量”和“借来的吞吐量”，它表示所述无线网卡总的使用。

图6显示所述接入点服务于其客户端的本地吞吐量随着时间百分比线性增加。这是可以理解的，因为在接入点的回程容量不存在限制。同样，随着在接入点模式的时间百分比的增加，本发明有效地降低了该AP从相邻AP接收流量的时间数量。更重要的是，如果将这两个度量加起来，在不同的实验中，总吞吐量几乎保持不变，这表明从AP切换到客户端的开销是固定的，并且仅以3.2Mbps影响整体的总吞吐量。本发明的实现需要1.5毫秒，以从一个虚拟接口切换到另一个工作在不同频率的虚拟接口。但可以看出，在频率切换和通知相邻AP的数据包发送之后，其从省电模式回来，有一段时间，其中所述网卡不发送任何数据。这个时间段具有6毫秒的平均停留时间，并且这个时间段是由于该驱动器（ath9k）队列和更高的层（mac80211）之间的交互而设计。如可以观察到的，使用周期为100ms的TDMA，切换影响802.11不切换容量的15％。

在现有的从相邻AP到客户端的2跳流程中，可以期望观察到本地和借用的吞吐量是最小的。本发明实现了这种跨网络（在此时独立）的连接，并且改变了所述本地接入点为其客户服务的时间的数量。其结果被绘制成中继吞吐量。事实上，所述线很好地跟踪了最小的本地和借用的吞吐量。

最后，可以观察到，在执行信道切换时，无线卡总的使用达到最多19Mbps。这个值实际上是ω_11-swithing＝0.86×ω_{11-no-swithing}。它示出了信道切换开销的影响。

因此，所述WiFi卡的虚拟化，在不同的频率上同时充当AP和客户端确实导致了在本发明的实施中的预期行为。

有效公式：

在前面的段落中，已经表明，使用改变变量能将基于AP的聚合问题的公式映射为基于客户端的一个问题，然后，应用来自于已经在文献中提出解决方案的最佳方案。

变量的改变：

所述变量改变有助于将新的优化问题映射为已知问题，所述已知问题包括在相邻AP和AGGRAP客户端之间基于在所述通信中的每一跳的无线容量（ω₁₁和ω₁₂）来预测所述两跳连接的容量。然后，

变量的变化来自于对通过每个链路的数据包的传输时间的测量，并且将这些时间相加以找出在这两个链路中的平均容量。在论文中这种假设是完全有效的，但我们需要确认在我们的原型中也是这种情况，并且确认在将所述数据包重传到客户端之前，所述数据包或缓冲区的处理时间不影响ω₂。

为此，对802.11g接入点的所有传输速率测量ω₁₂。这模拟了具有较低无线容量的相邻AP的效果。为了测量ω₁₂，在所述相邻AP和AGGRAP之间，每50秒仅使用一个在客户端模式下的虚拟接口执行5次iperf测试。

AGGRAP也测量在投入到所述AP接口的时间的百分比不同时的中继容量。在这些测试中的每个最大中继容量对应于实验ω'₂。此外，对每个所述实验，测量和计算ω₁₁=22.2Mbps的预期ω'₂。

在没有切换的估计值在执行信道切换时实际上被减小了。而现在

${\mathrm{\ω}}_2^{,}=\frac{{\mathrm{\γ}}^2{\mathrm{\ω}}_{11}{\mathrm{\ω}}_{12}}{\mathrm{\γ}({\mathrm{\ω}}_{11}+{\mathrm{\ω}}_{12})}=\mathrm{\γ}\×\frac{{\mathrm{\ω}}_{11}{\mathrm{\ω}}_{12}}{{\mathrm{\ω}}_{11}+{\mathrm{\ω}}_{12}}$

其中=0.8是考虑到实验和预期的ω'₂之间比率的常数。然后可以看出，变量的变化将AGGRAP的公式映射到基于客户端的回程聚合系统中。

公平性：

将基于AP的聚合问题映射为基于客户端的问题，提供了为同样的目标而进行优化的可能，在文献[1,3]中已经对其进行了探索。然而，在网络的不同点的进行的优化计算对最终结果有一些影响。Kandulaet等人为最大化个人吞吐量，Giustiniano等人为了每个客户端的公平性，对基于客户端的解决方案进行了优化。然而，在基于AP的解决方案中，可以对AP传递给其用户的最大吞吐量或每个AP的公平性进行优化。

考虑在图7中所示的网络的部署。其中laptop1连接到AGGRAP1且laptop2和Android手机连接到AGGRAP3，而且，每个回程的容量为3Mbps。所有接入点都在彼此的范围内具有最大的无线容量（20Mbps），并且客户端使用相同的无线通信容量与其接入点通信。然后，执行一个试验，其中laptop1和Android手机为每一个它们正使用的回程开启5个TCP下行链路流，同时，laptop2为每回程只开启一个TCP下行链路流。可以观察到，AGGRAP1和AGGRAP3对其客户的总和提供相同的带宽，但Android手机获得了AGGRAP3提供的更大份额的4.5Mbps。这是因为，在每个无线链路中获得的吞吐量的控制是在接入点处完成而不是在客户端处完成。并且，AGGRAP3的总容量的共享是通过提供每个流的公平性的TCP拥塞控制来控制。

聚合能力：

为探索AGGRAP的最大聚合能力，采用了示于图8（b）的网络拓扑结构。本地回程容量被设置为3Mbps并且探索最大的带宽是什么，所述带宽可以是从有优选信道的相邻接入点聚合的，相邻接入点在54Mbps的物理速率传输。在这种情况下，AGGRAP提供了到其客户端9.9Mbps的总吞吐量：来自于本地回程的3Mbps和来自于相邻接入点聚合的6.9Mbps。AGGRAP的工作点是将40％的时间投入到从相邻的接入点收集的带宽，而余下的60％服务于其客户端的聚合吞吐量。

客户端与基于AP的带宽聚合：

已经看到在一些实施例中，这些实施例技术上可以使用单个无线电接入点来执行带宽聚合，并且它会对不同类型的WiFi客户端产生益处。但是，多跳无线链路的出现增加了所产生的网络体系结构的复杂性。有必要分析使用AGGRAP的缺点是什么，并量化其潜在的好处，以评估其可行性。

为了易于执行两个系统之间的比较，每个系统最大带宽的分析计算都可以聚合到一个场景中，所述场景可以被粗略计算而解决。所选择的场景是：一个可以看到相邻接入点的客户端，所述相邻接入点有与其本地接入点相同的品质（ω₂=ω₁₂）。图8示出另一种供选择的比较方案的基于客户端和基于接入点的解决方案的网络结构的实施例。

所有的回程相同：

考虑到每个AP被连接到6Mbps的有线回程，即基于客户端的解决方案可以为不同的无线容量提供的吞吐量在图9（a）中绘出。比较图9中这两个图（a和b），可以观察到，基于客户端的解决方案是能够为更宽的无线信道容量充分聚合可用的12Mbps回程链路。

在这些图中示出了这两个系统之间的另一个区别，基于客户端显示出对有较好质量的接入点没有偏好，而所述基于接入点的解决方案被绑定到所述接入点选定的明智决定上。这可以从图9（a）对称，而图9（b）不对称的事实中看出。因此，如果本地接入点的无线容量非常低，不管链接到相邻接入点的信道的质量客户端将至多获得这种容量。

不同回程：

现在，着眼于之前描述的相同场景，回程链路的容量为对其本地回程为1Mbps和对相邻的回程为10Mbps。

图10（a）示出了基于客户端的解决方案的结果，同时图10（b）示出了AGGRAP向客户提供的吞吐量。从比较来自两个系统的结果，我们观察到：

基于客户端的解决方案实现的吞吐量高出0.5Mbps。

当两个无线链路之一坏掉时AGGRAP不能聚合。

基于客户端的解决方案选择相邻的AP来收集带宽。

关于非聚合，当ω₁₂>5Mbps时，AGGRAP对其客户端提供了至少4倍的吞吐量：

在这种情况下，本地回程贡献总容量的9％。然后，相对于相邻的容量，所获得这个容量的好处是最小的。这种情况的结果是，当链接到相邻的AP提供的容量比本地回程更高时，它通过连接到相邻的接入点来获得最大吞吐量。当用户在本地，他们用其本地接入点，并且尽可能多地聚合，而不考虑容量的不平衡。不过，这种情况显示了当用户不在本地时，接入点选择算法的重要性。

进一步降低本地回程的容量，会导致一种情况，即AGGRAP变成相邻接入点的中继。这种情况下本地接入点在客户端和相邻接入点之间，客户端与直接连接到相邻的接入点相比，使用本地接入点作为中继会获得更高的吞吐量。

本发明中，指出了以前的WLAN带宽聚合解决方案的一个根本问题：他们需要修改客户端，这使得其部署成本过高。为解决这些解决方案的潜在问题，本发明提出并实现了一个系统，该系统可以获得基于客户端的解决方案的好处，仅需要修改接入点。这种系统的公式被显示成原问题定义的变化，并提出一种架构（AGGRAP）来实现它。并且，对AGGRAP和基于客户端的解决方案的性能进行了比较，结果显示，虽然聚合带宽的效率较低，所述AGGRAP仍然可以产生显著的吞吐量增加。AGGRAP进一步为各种未修改的WiFi设备（例如笔记本电脑和不同的Android手机）提供了吞吐量增加。

本领域的技术人员，可以在不脱离如在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，在所述的实施例中引入改变和修改。

缩略语

ADSL       非对称数字用户线

AP         接入点

NAV        网络分配矢量

TDMA       时分多址

WIFI       无线互联网络

WLAN       无线局域网

Claims (19)

1.一种用于在接入点带宽聚合的方法，所述方法包括通过与相应的专用接入点的连接在至少一个无线客户端设备之间提供通信，以及定位和识别多个相邻接入点，其特征在于，所述方法包括以下操作：

a）通知，所述专用接入点向其提供通信的所述至少一个无线客户端设备通知预定的缺席时间段;

b）在所述预定的缺席时间段，所述专用接入点成为至少第二接入点的客户端;

c）接收，所述专用接入点充当客户端，接收与所述至少第二接入点的回程带宽相应的数据，并且将从所述至少第二接入点接收的回程数据聚合到其自身的回程数据;以及

d）发送，在所述预定的缺席时间段过后，所述专用接入点将所述聚合的回程带宽数据发送到至少一个无线客户端设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括所述专用接入点使用单个无线电接入点的解决方案执行所述连接和所述带宽的聚合。

3.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，由所述专用接入点执行的所述带宽聚合包括所述至少第二接入点的剩余带宽的聚合。

4.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括不管所涉及的接入点的工作信道，都执行所述带宽聚合。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d）在所述预定的缺席时间段过后立即执行。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述接入点进入通信范围内，执行所述接入点之间的所述连接。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的缺席时间段有一个值，使得所述至少一个无线客户端设备维持与所述专用接入点的关联。

8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述缺席时间段的值通过使用网络分配矢量（NAV）来计算。

9.根据权利要求1，7或8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述缺席时间段的值具有32毫秒的最大持续时间。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述专用接入点的回程带宽利用率超过其容量的80％时，执行所述步骤b）。

11.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于，所述方法包括公布，所述专用的接入点通过信标帧向所述至少第二接入点公布所述回程带宽容量，以及它们可用于聚合的吞吐量，以能够推导出适当的时分多址（TDMA）规划。

12.根据权利要求1或11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将来自于所述专用接入点中的至少一个无线客户端设备的流量划分优先次序，以确保所述回程带宽的剩余容量被用作辅助。

13.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过在所述接入点之间保证相等和公平的共享，来执行所述回程带宽聚合。

14.用于在接入点带宽聚合的系统，所述系统包括：

至少一个无线客户端设备和专用的接入点，所述无线客户端设备向所述接入点建立通信;以及

所述至少一个专用接入点具有能定位和识别的多个相邻接入点的连接能力，

其特征在于，所述专用接入点还适于充当正常的接入点，向所述至少一个无线客户端设备提供所述通信;并且适于充当所述多个相邻接入点的至少第二接入点的客户端，以执行所述至少第二接入点的带宽聚合。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，在接入点之间的通信和在接入点与无线客户端设备之间的通信是通过单个无线电接入点解决方案来建立的。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述单个无线电接入点解决方案位于所述专用接入点内。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，在所述单个无线电接入点解决方案中的每个接入点位于不同的通信信道中。

18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，在所述单个无线电接入点解决方案中的每个接入点位于相同的通信信道中。

19.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，在所述单个无线电接入点解决方案中的至少一个无线客户端设备在所述通信期间保持不变。