CN104684010A - 通过同时调整通信参数在不同的协议层上无线网络的性能优化 - Google Patents

通过同时调整通信参数在不同的协议层上无线网络的性能优化 Download PDF

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Abstract

观察无线通信网络环境的特征(即，从MAC和/或物理层收集无线资源数据，如信噪比(SNR)，并且包括各种类型的测量或报告，如：信标报告、信道负载、噪音直方图、隐藏节点报告、媒体检测时间直方图、对等站统计、接收的信道功率指示器，等等)，并且基于观察到的特征基本上同时调整至少两个不同通信配置参数(例如，调整碎片大小、调制、数据速率、冲突、功率、信道分配、频谱再用的相关参数)。无线设备可监视无线资源(例如，通信链接)，比较从监视获得(例如，收集)的数据与多个阈值，并且在一个时间(即，同时)启动对不同协议层(例如，物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层；特殊地，对于MAC层)的通信参数的调整。

Description

通过同时调整通信参数在不同的协议层上无线网络的性能优化
相关申请的交叉参考
本发明要求受益于在35U.S.C§120下由Murty等在2004年5月4日提交的，序列号为10/839,054的，标题为“提供无线网络的自适应的传输参数的方法和装置”的共同未决的美国申请的优先权。
背景技术
无线网络变得越来越流行，并且广泛地配置于许多环境。例如，可看到在家庭、办公室、大学和其它的公共场所越来越多地使用无线局域网(WLAN)。尽管近来的使用剧烈猛增，当前WLAN的性能仍然远远没有达到最佳，因此用户的经历可能由于无线网络的环境中短时期的时间内可能发生的重大变化而变化。工业标准，如由电气和电子工程师学会(IEEE)管理的各种802.11x技术，仍然还没有充分地实现有效的无线网络管理。当前的WLAN使用分布式协调功能(DCF)以访问无线信道。DCF使用带有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)技术，如果接收机成功地接收分组，接收机使用该技术发送确认(ACK)，否则发射机重发该分组。
因此，DCF的性能严重地依赖信道负载和为接入点(AP)和它的相关无线信道竞争的用户数目。当AP和它的相关无线信道超载时，通常每个用户的吞吐量减少，这意味着所有的用户，而不仅仅连接的最后几个，性能较低。至目前为止，无线环境中改进性能优化的大多数研究集中于在媒体访问控制(MAC)层中每次仅调整一个参数。但是，由于诸如干扰、微弱信号强度分组冲突和其它有害问题的因素的组合能困扰无线环境，需要同时监视各种网络环境参数和调整多个网络配置参数来改进无线性能。
附图说明
根据下面参考附图对发明的描述，本发明的实施例的方面、特征和优点将变得明显，在附图中相同的数字表示相同的元件，并且其中：
图1是根据本发明的一个示例实施例的无线网络的框图；
图2是示出根据本发明的一个实施例的示例自适应结构的功能框图；
图3是示出根据本发明的一个实施例的修改多个通信配置参数方法的流程图；和
图4是适合执行本发明的一个或多个方法的无线设备的示例实施例的功能框图。
具体实施方式
虽然下面的详细描述可描述涉及WLAN的空中接口和结构的本发明的示例实施例，但发明不限于此，并且还能应用于能获益的其它类型的无线网络或空中接口。这种空中接口明确包括，但不限于，那些与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)(如通常称为无线最大(WiMAX)空中接口的无线宽带解决方案)、无线个人区域网(WPAN)等等相关的空中接口。
尽管本发明不限于此方面，下面本发明的实施例可用于包括无线系统的发射机和接收机的多种应用中。明确包括于本发明的范围内的无线系统包括，但不限于，网络接口卡(NIC)、网络适配器、移动站、基站、AP、路由器、网关、桥接器、中继器和网络集线器。此外，本发明的范围内的无线系统可以包括蜂窝无线电话系统、卫星系统、个人通信系统(PCS)、双向无线电系统、双向寻呼机、个人计算机(PC)和相关的外围设备、个人数字助理(PDA)、个人计算附件和实质上可能涉及并且本发明的原理可以适用的所有的现存的和将来出现的系统。
参考图1，这里描述的本发明的实施例可用在无线网络100中，该无线网络100包括一个或多个移动站110-116和一个或多个网络接入站120。在一个实施例中，移动站110-116和网络站120使用WLAN协议彼此通信，该协议遵守一个或多个用于WLAN的IEEE 802.11x标准(例如，802.11a，b，g或n)，尽管本发明的实施例不限于此方面。
任一个移动站110-116和/或网络接入站120(在WLAN实施例中分别称为STA和AP)可包括自适应MAC结构，该MAC结构允许STA和/或AP分析无线环境的特征，并且使得该站智能地适应动态环境。在某些实施例中，由于MAC层的功能和它的位置，自适应MAC结构可以用于容易地同时或连续提供对不同的协议层和/或通信配置参数的调整，以便优化无线网络100的性能。如这里所使用，“基本在同一时间”、“连续地”、“同时地”和/或“基本上同时地”调整多于一个通信配置参数意味着对于来自无线网络设备的下一个传输来说，两个或多个通信配置参数从他们以前的状态改变。对于不同协议层的通信配置参数调整可能涉及调整各种开放系统互连(OSI)参考模型框架中的参数以便在系统之间通信，但是发明的实施例不限于这方面。举例说明，可以对物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、和/或应用层进行参数调整，也可对于由各种标准指定的层和/或子层的组合(例如MAC层是用于数据链接层底半部的IEEE规范)进行调整，但是发明的实施例不限于这方面。
如这里使用的，通信配置参数意味着任何值或可影响无线通信的通信的值，并且可被动态地改变以助于优化无线网络性能。下面讨论在涉及WLAN的各种发明实施例中可以调整的参数的具体例子，但是发明的实施例不限于这方面。
对于物理(PHY)层来说，可以调整自适应调制和/或自适应传输功率来改进物理链路的性能。例如，自适应调制可包括改变调制技术或方案(例如，二进制移相键控(BPSK)，补码键控(CCK)，正交频分复用(OFDM)，等等)来改进性能。例如，在具有用于多输入多输出(MIMO)通信的多个天线的结构中，参数调整可包括修改射束形成算法来改进性能。可根据来自AP的STA的位置或干扰来修改传输功率。可在一个或多个自动传输功率控制(ATPC)算法中进行这种修改。
对于MAC层，可对接入点选择进行调整以避免过载的AP，可调整自适应碎片大小、自适应数据率、自适应请求发送(request-to-sendRTS)清除发送(clear-to send CTS)阈值、自适应冲突避免、自适应功率管理、动态信道分配和频谱再用，来改进数据链接层的性能。在序列号为10/839,054的美国申请中更详细地讨论了示例的碎片大小和数据率自适应，本申请要求受益于它的优先权。
可根据网络环境调整RTS/CTS阈值，RTS/CTS阈值基于数据分组大小指定RTS/CTS的使用。自适应冲突避免可涉及修改载体检测算法来忽略在网络环境中发送能量的非802.11设备。自适应功率管理可涉及调整由特定MAC结构使用的功率节约技术，以便延长移动设备的电池寿命。动态信道分配可涉及改变信道(例如，从缺省信道6改变)到新的信道来避免干扰或减少信道超载。例如，对频谱再用的调整可以涉及WLAN设备的动态频率分配，以重复由周围但非邻近的网络实体使用的频率。
对于常规的传输和网络层，如传输控制协议(TCP)层、用户数据报协议(UDP)层和/或互联网协议(IP)层，可调整端对端控制和拥塞控制来改进网络性能。由于他们使用技术克服网络中的拥塞问题，常规的传输协议在有线网络中运行很好。在无线网络的情况下，分组丢失主要因为传输错误和移交。TCP将这解释为拥塞，并且应用如“慢启动”的常规拥塞控制方案来克服这些导致形势变坏并且减少全部吞吐量的问题。利用关于物理层和环境的信息，传输和网络层能作出更智能的决定，例如，当检测到大量分组冲突时，无线网络可提供减慢(或“回退(back off)”)向MAC层发送的分组的机制。
对于应用层，可以进行调整来影响移动知觉多媒体应用的应用。这样的一个例子是在移动系统的电池功率保持中进行自适应改变以便平衡应用质量和电池寿命的移动知觉应用。作为例子，可调整虚拟个人网(VPN)应用来解决由无线环境引起的中断或干扰。
虽然每一个前述示例通信配置参数的个别调整可能是已知或非已知的，先前尚未建议或实现基于网络环境特征对这些参数中的两个或多个同时或连续地进行协同且动态的调整以优化网络性能。对这些类型参数的协同动态调整算法这里称为“智能”(smarts)或“自适应智能”(adaptive smarts)。
转到图2，示出协调两个或多个通信配置参数的调整的示例结构200的框图，该结构一般可包括无线资源(radio resource)测量部分205、无线资源监视部分210和自适应智能225。自适应智能225可与各种协议层接口232-238协同工作来调整相应的通信配置参数。
无线资源测量部分205可用于从PHY和MAC层232、234中收集无线资源测量数据和/或无线网络信息，并且可在内部的或外部的存储器206中存储这些数据或信息。在某些实施例中，无线资源测量部分205也可从/与其它的网络设备收集和/或交换数据和信息。可用执行这些功能的任何硬件组件或组件的组合和/或软件/固件实现无线资源测量部分。
无线资源监视器210可用于监视来自测量部分205的测量数据和/或信息，并且基于一个或多个智能触发器启动自适应智能225。智能触发器是一组阈值，当满足该阈值时，可激活一个或多个自适应智能205，以便根据网络环境的特征调整通信配置参数的组合。无线资源监视器210可以是执行这些功能的任何硬件组件或组件的组合和/或软件/固件。在实际实现中，如果需要，监视器210也可与测量部分205和/或自适应智能225组合。
自适应智能225可包括对应于各协议层232-238的多种算法(例如，PHY智能、MAC智能、TCP/UDP智能、IP智能、应用智能，等等，和/或它们的组合)。当由监视器210触发时，每个智能225可选择和/或调整一组(例如，2个或更多)通信配置参数以优化无线设备的整体性能。自适应智能可实现为适合执行这些功能的任何硬件组件或组件的组合和/或软件/固件。
因此，移动站、网络接入站、网络接口卡、网络适配器或其它的包括结构200的设备可同时和/或连续地修改多个通信配置参数。但是应该认识的是，在AP或其它的设备中实现的结构200中可能有一些不同。例如，AP可能不需要网络、传输或应用层235-238的自适应智能。许多硬件和/或固件配置是可行的，并且发明的实施例不限于任何特定的设计实现。
转到图3，无线网络中通信的方法300一般可包括(i)观察无线通信网络环境的特征；和(ii)基于观察到的特征基本上同时调整至少两个不同的通信配置参数。
在一个示例WLAN实现中，观察无线环境的特征可包括从MAC和/或PHY收集305无线资源数据。无线资源数据可以用来分析特征(例如信噪比(SNR)或其它的特征)，并且可包括各种类型的测量和/或报告，例如，包括信标报告、信道负载、噪音直方图、隐藏节点报告、介质检测时间直方图、对等STA统计、接收的信道功率指示器(RCPI)或其它的无线特征。也可收集305无线网络信息以助于对网络环境的进一步特征表述。例如，这种网络信息可包括来自AP信道报告的信息(例如，信道频带、信道列表、潜在的AP信道列表，等等)，或来自站点报告的信息(例如，漫游候选AP，基本业务集标识符(BSSID)，BSSID匹配状况，等等)。
如果需要，收集的数据和/或信息可被存储315(例如，管理信息库(MIB)206；图2)，并且可与多个用于确定是否应该对通信配置参数进行调整的阈值(例如，智能触发器)相比较320。如果满足一个或多个阈值325，则可以激活330一个或多个与满足的阈值相关的算法(例如，智能)。然后激活的算法可选择和调整335两个或多个通信配置参数以优化无线网络性能。
根据本发明的实施例的一个方面，配置参数可与PHY层相关，如调制自适应或传输功率控制自适应。在另外一个方面，配置参数可与MAC层相关，例如，用于AP选择自适应、碎片大小自适应、数据速率自适应、RTS/CTS阈值自适应、冲突避免自适应、功率管理自适应、动态信道分配和频谱再用。在其它实施例中，通信配置参数可与网络和/或传输协议层相关，并且可包括用于端对端协议自适应或拥塞控制自适应的参数。但在另外的实施例中，通信配置参数可与应用层相关以影响移动知觉的应用。可调整各个协议层的任何配置参数的组合来优化无线网络的性能。
在某些实施例中，诸如用户站的对等网络设备可至少部分地提供用于分析无线网络环境的数据和/或信息。
转到图4，根据一个实施例的无线网络设备400可以包括主处理电路450和可选的射频(RF)接口410。
主处理电路450可以是适合执行一个或多个这里描述的方法的任何电路、组件或电路和/或组件的组合和/或机器可读代码。在某些实施例中，电路450可包括用于PHY层和MAC层的、对各接收/传送信号进行处理的硬件、软件和/或固件组件，并且可包括，例如，媒体接入控制器459、基带处理部分456和/或用于(至少部分地)分析网络环境特征和如这里描述的根据网络环境调整通信配置参数的其它的组件/电路。
为此，处理电路450可包括，或通过接口连接，无线资源测量部分455、无线资源监视器456和用于调整各种通信配置参数的算法(“智能”)457、458、461。设备400优选地包括调整各个协议层配置参数的智能，例如，MAC/网络/传输智能457、PHY智能458和/或应用智能461，但是本发明的实施例决不限于这个例子。
如需要，设备450可进一步包括，或通过接口连接附加的组件/电路。例如，设备450可包括模-数转换器(ADC)452、数-模转换器(DAC)454、存储器和/或存储控制器459和/或应用460。虽然分离地显示，但是如需要，智能457、458和461或设备400的任何其它元件可组合成单独的元件或电路或进一步分割。
RF接口410可以是适合发送和接收信号的任何组件或组件的组合。更适宜地，RF接口410适合发送和接收扩频或OFDM调制的信号，尽管实施例不限于任何特殊的调制方案或空中接口。RF接口可包括接收机412、发射机414和频率合成器416。如果需要，接口410也可包括偏差控制、振荡器和/或一个或多个天线418、419。各种RF接口设计和他们的操作在本领域中是公知的，因此省略对他们的描述。
设备400可以是无线设备，如蜂窝电话、个人数字助理、计算机、个人娱乐设备、无线路由器、接入点、基站或其它设备和/或无线网络接口或适配器。因此，设备400的功能和/或特定配置可以根据适合的需要而变化。
可使用分立电路、专用集成电路(ASIC)、逻辑门和/或单芯片结构的任何组合实现设备400的组件和特征。此外，使用微控制器、可编程逻辑阵列和/或微处理器或前述的任何适当的组合也可实现设备400的特征。可理解，在图4的框图中显示的设备400仅是许多潜在实施例的一个功能描述的示例。因此，附图中描述的模块功能的分割、省略或包括不能推断，在本发明的实施例中实现这些功能的硬件组件、电路、软件和/或元件将必须被组合、分割、省略、或包括。使用单输入单输出(SISO)系统可实现本发明的实施例。但是，某些替代实现可使用具有多个天线(例如418、419；图4)的多输入多输出(MIMO)、单输入多输出(SIMO)或多输入单输出(MISO)结构。
除非与实际可能性相反，发明者预想这里描述的方法：(i)可以任何顺序和/或以任何组合执行；和(ii)可以任何方式组合各实施例的部分。
尽管已经描述了该发明的示例实施例，但在不脱离本发明范围的情况下，许多变化和修改是可能的。因此，发明的实施例不受以上特殊公开的限制，而是只由附加的权利要求和他们的合法等价物的范围限制。

Claims (10)

1.一种通信方法，包括：
观察无线通信网络环境的特征；
将观察到的特征和一个或多个预定阈值进行比较；
确定一个或多个预定阈值中的一个被满足；以及
启动与所满足的阈值相关联的算法，所述算法用于根据观察到的特征同时地或连续地选择和协同且动态调整一组至少两个通信配置参数，一组至少两个通信配置参数包括用于至少两个不同的协议层的通信配置参数，
其中被调整的通信配置参数中的一个与应用层相关并且被调整以便影响移动知觉的应用程序，并且
其中观察无线通信环境的特征包括从PHY和/或MAC层收集无线资源测量数据或无线网络信息中的至少一种。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少两个不同的通信配置参数中的一个或多个与物理PHY层相关，并且从用于调制自适应和传输功率控制自适应的配置参数构成的组中选择。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述至少两个不同的通信配置参数中的一个或多个与媒体接入控制MAC层相关，并且从由以下配置参数构成的组中选择，该组包括用于接入点AP选择、碎片大小自适应、数据率自适应、请求发送RTS清除发送CTS阈值自适应、冲突避免自适应、功率管理自适应、动态信道分配或频谱再用的配置参数。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述至少两个不同的通信配置参数中的一个或多个与网络或传输层中的至少一个相关，并且从用于端对端协议自适应或拥塞控制自适应的配置参数中选择。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所述网络或传输层中的所述至少一个包括传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP、互联网协议IP层。
6. 如权利要求1所述的方法，其中收集的数据或信息包括至少部分地由对等网络设备提供的数据或信息。
7. 如权利要求1所述的方法，其中无线通信网络环境包括无线局域网WLAN环境。
8. 一种无线通信的设备，该设备包括：
处理电路，该处理电路被配置成将无线网络环境的观察到的一个或多个特征和一个或多个预定阈值进行比较，确定一个或多个预定阈值中的一个被满足，并且启动与所满足的阈值相关联的算法，所述算法用于根据观察到的特征同时地或连续地选择和协同且动态调整一组至少两个通信配置参数，一组至少两个通信配置参数包括用于至少两个不同的协议层的通信配置参数，
其中被调整的通信配置参数中的一个与应用层相关并且被调整以便影响移动知觉的应用程序，以及
其中一个或多个观察到的特征包括无线资源测量数据。
9. 如权利要求8所述的设备，其中所述至少两个不同的协议层包括从由物理PHY层、媒体接入控制MAC层、网络层、传输层或应用层构成的组中选择的两个或更多个。
10. 如权利要求8所述的设备，进一步包括：
在通信上耦合到所述处理电路的射频RF接口。
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