CN105144634B - 实现用于蜂窝卸载的无线lan中的公平性的系统和方法 - Google Patents

实现用于蜂窝卸载的无线lan中的公平性的系统和方法 Download PDF

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Abstract

包含系统和方法实施例以使用变化的目标传输机会(TXOP)值为用户提供不同程度的时间分配公平性。在一个实施例中，一种用于改善无线网络中的用户的不同公平性程度的方法包含：为无线网络中的一个或更多个用户指配目标TXOP值，其中目标TXOP值指示随时间推移平均来讲将由一个或更多个用户满足的、用于传输的时间单位数目；并且将所述目标TXOP值传输给一个或更多个用户。在另一实施例中，一种方法包含：从无线网络接收TXOP值，其中目标TXOP值指示被分配用于传输的时间单位数目；并且在具有约等于时间单位数目的平均持续时间的多个时间段上传输业务。

Description

实现用于蜂窝卸载的无线LAN中的公平性的系统和方法
相关申请案交叉申请
本申请要求2012年12月14日递交的发明名称为“实现用于蜂窝卸载的无线LAN中的公平性的系统和方法(Systems and Methods to Achieve Fairness in Wireless LANsfor Cellular Offloading)”的第13/715,649号美国非临时申请的优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及无线通信的领域，且在特定实施例中，涉及实现用于蜂窝卸载的无线LAN中的公平性的系统和方法。
背景技术
基于3GPP技术的蜂窝网络，例如基于长期演进(LTE)的蜂窝网络，以一定程度的服务公平性向它们的用户提供性能保证。举例来说，比例公平性(PF)是一种用于为用户分配传输时间以提供在性能与公平性之间的平衡的方案。在PF方案中，根据用户的对应的业务量为用户分配传输时间。蜂窝网络还支持将例如数据通信或数据包等蜂窝业务中的一些卸载到例如无线局域网(WLAN)或WiFi网络等其它无线网络。在蜂窝网络与WiFi网络之间的卸载情境中，经卸载的蜂窝业务可以与其它WiFi业务共享相同的WiFi资源。为了增强用于蜂窝网络卸载的WiFi技术的使用，基于IEEE 802.11标准的WiFi网络在蜂窝业务被卸载到WiFi基础设施的情况下需要为用户提供相同或相似程度的保障。
发明内容
在一个实施例中，一种用于改善无线网络中的用户的不同公平性程度的方法，包含：为无线网络中的一个或更多个用户指配目标传输机会(TXOP)值，其中所述目标TXOP值指示随时间推移平均来讲将由一个或更多个用户满足的、用于传输的时间单位数目；并且将目标TXOP值传输给一个或更多个用户。
在另一实施例中，一种用于改善无线网络中的用户的不同公平性程度的网络组件，包含：处理器以及存储由所述处理器执行的程序的计算机可读存储介质。所述程序包含用于进行以下操作的指令：为无线网络中的一个或更多个用户指配TXOP值，其中所述目标TXOP值指示随时间推移平均来讲将由一个或更多个用户满足的、用于传输的时间单位数目；以及将目标TXOP值传输给一个或更多个用户。
在另一实施例中，一种用于支持无线网络中的不同公平性程度的方法包含：从无线网络接收TXOP值，其中所述目标TXOP值指示经分配用于传输的时间单位数目；并且在具有约等于所述时间单位数目的平均持续时间的多个时间段上传输业务。
在又一实施例中，一种支持无线网络中的不同公平性程度的设备包含处理器以及存储由所述处理器执行的程序的计算机可读存储介质。所述程序包含用于进行以下操作的指令：
从无线网络接收TXOP值，其中所述目标TXOP值指示被分配用于传输的时间单位数目；以及在平均来讲约等于所述时间单位数目的多个单独的时间段上传输业务。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，其中：
图1示出了用于蜂窝卸载的系统的实例。
图2示出了用于传输时间分割和分配的媒体接入控制(MAC)超级帧。
图3示出了目标传输机会(TXOP)信息单元(IE)实施例。
图4示出了用于指配目标TXOP值的方法实施例。
图5示出了用于指配目标TXOP值的另一方法实施例。
图6示出了使用目标TXOP值指配的仿真结果。
图7是可以用于实施各个实施例的处理系统的方框图。
具体实施方式
下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供可在各种具体环境中实现的许多适用的发明概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
图1示出了用于蜂窝卸载的系统100。系统100包括包含核心网络110的蜂窝网络、一个或更多个无线接入节点(RAN)120以及一或多个用户设备(UE)130。蜂窝网络可以是任何无线或蜂窝网络，例如E-UTRAN系统、全球移动通信系统(GSM)系统、通用分组无线业务(GPRS)系统、码分多址(CDMA)系统、演进数据优化(EV-DO)系统、GSM演进的增强数据速率(EDGE)系统、其它系统或其组合。核心网络110可以是通过例如移动或蜂窝网络运营商等运营商管理的任何网络并且用作用于蜂窝网络的回程。例如，核心网络可以是运营商IP网络。RAN 120是为UE 130提供至核心网络110或蜂窝网络的无线接入的任何基站或无线的无线电发射器/接收器(收发器)组件。例如，RAN 120是E-UTRAN节点B(eNB)。每一RAN 120具有被称为小区的覆盖范围。UE 130是使用无线或蜂窝链路(由虚线指示)与在同一小区内的RAN通信的任何移动用户设备。UE 130的实例包含配置有蜂窝技术的蜂窝电话和智能电话、平板电脑、以及膝上型电脑。
系统100还包含基于IEEE 802.11标准的无线LAN或WiFi网络，其可以用于为UE130卸载蜂窝网络业务。无线LAN包括一个或更多个接入点(AP)112，其配置成为UE 130提供至无线LAN的无线接入。UE 130在本文中也被称作站(STA)。AP 112包括例如根据IEEE802.11标准与STA或UE 130通信的无线或无线电发射器/接收器。例如，AP 112包含无线路由器和/或调制解调器，例如IEEE 802.11调制解调器/路由器。STA 120也包括例如基于IEEE 802.11标准与AP 112通信的无线或无线电发射器/接收器。在UE 130与AP 112之间的无线链路由虚线指示。因此，UE 130可以与RAN 120通信以交换蜂窝业务(例如，语音业务)、与AP 112通信以交换WiFi业务(例如，数据或因特网业务)、或所述两者。此外，UE 130可以经由切换程序从蜂窝链路切换到WiFi链路，以将蜂窝业务从蜂窝网络卸载到WiFi网络。
根据IEEE 802.11标准，可以使用媒体接入控制(MAC)超级帧针对不同业务来划分无线LAN或WiFi网络中的传输时间。超级帧通过AP 112启用并通过UE或STA 130检测以确定用于不同业务的分配时间并且在WiFi网络内相应地进行通信。每一超级帧可以包含信标、非竞争周期(对于蜂窝业务)以及竞争周期(对于局部WiFi业务)。分配给蜂窝业务和WiFi业务的时间可以从一个超级帧到另一个超级帧变化。该时间分割包含在由所有客户端接收的信标帧中，所述客户端包含与蜂窝网络和WiFi网络通信的UE 130。
图2示出了通过WiFi或IEEE 802.11网络传输或广播到客户端设备(例如，STA或UE)的超级帧200。超级帧200包含信标210、用于允许所卸载蜂的窝业务传输的非竞争周期(CFP)220以及用于允许局部WiFi业务传输的竞争周期(CP)230，这三者各自占据超级帧200的一个或更多个八位字节。网络随后可以按需要传输多个超级帧，例如根据变化的值来传输。
在专用于在WiFi网络中传输经卸载的蜂窝业务的时间期间，需要在相关联的UE(即与蜂窝网络通信的且共享WiFi网络中的资源(或链路)的UE)之间实现一定程度的公平性。根据IEEE 802.11标准的MAC例如使用max-min传输机会分配为不同UE或STA保证均等的传输机会。使用max-min传输机会分配方案的系统性能实质上受最差STA性能支配。例如，在具有相同业务模式的两个STA具有10兆比特每秒(Mbps)和1Mbps的不同传输数据速率的情境中，由于指数倒退机制的固有性质，根据所述方案的系统吞吐量接近1Mbps(假定每次传输一个PDU)。这对于服务具有10Mbps数据速率的STA来说可能是不公平的或不高效的。
指数倒退机制的固有性质可以通过分析具有一个AP和N个STA(N是整数)的系统且考虑用于分配传输时间的比例公平性(PF)方案来解释。由STA i占用的时间片段为其中Ti是由STA i占用的时间的总量。STA i的吞吐量以计算，其中Ri是STA i的平均传输数据速率。在2011年8月的IEEECommunications Letters，第15卷，第8期，第807到809页中的A.Checco,A和D.J.Leith的题为“802.11无线LAN中的比例公平性(Proportional Fairness in 802.11Wireless LANs)”的出版物中，作者表示：为了实现PF，对于所有i，每个STA需要占据相同的通话时间量，即所述出版物的内容通过引用并入本文中。
使通话时间的最小值最大化，即，max{min{τi}}，也可以在针对任何i，j的最优方案τi＝τj(也就是)下实现PF。这表示对于吞吐量PF优化和max-min时间分配的最优方案是相同的。
对于PF，由于每一STA所花费的时间是相同的，因此每一STA在每一传输机会中可 以传输的比特数为L1和L2(假定没有协议开销和单一PDU传输)。因此，对于具有数据速率R1 和R2的两个STA，PF平均数据速率是对于当前IEEE 802.11基于竞争的MAC， 由于每一STA在每一传输中可以传输的比特数是相同的，因此每一STA所花费的时间是T1和 T2。由此，传统平均数据速率是因此，在现有IEEE 802.11MAC上的PF的增 益是假定R1＝10Mbps且R2＝1Mbps，且在50％的协议开销的情况 下，则增益是约100％。对于N个STA，基于柯西-许瓦尔兹不等式，且增益是 这意味着PF方法的增益是非负的。取决于系统的目的，比例公平性(PF)或max-min公平性时 间分配方案可能是不合适的。例如，在max-min公平性与PF之间的公平性程度可能更合适。
本文本中示出为STA(或UE)提供更合适的时间分配公平性的系统和方法实施例。实施例提供一种公平性方案，其可以使用如下文所描述的变化的目标传输机会(TXOP)值来指配不同程度的公平性。可以为STA选择并指配目标TXOP值以满足PF(如上所述)、满足max-min公平性(受最差STA性能支配)、或为STA提供预定的或期望的吞吐量。例如，如果第一STA(STA 1)的数据速率是10Mbps且第二STA(STA 2)的数据速率是1Mbps，且需要2:1的吞吐量比率(而不是在PF情况下的10:1)，那么STA 2的目标TXOP值是STA 1的目标TXOP值的5倍。可以预定目标TXOP值并且将其从AP广播到其STA，则所述STA平均来讲(on average)匹配目标TXOP值。替代地，可以根据STA的业务(例如，数据速率或吞吐量)为每一STA指配TXOP值。在又一个方案中，可以在AP与STA之间协商TXOP值。
在一个实施例中，在传输机会中提供max-min公平性的IEEE 802.11MAC协议进一步经配置成为STA提供目标TXOP值。所述目标TXOP值被添加到超级帧(例如，超级帧200)中的信标帧以作为新的字段或信息单元(IE)。AP可以为其STA宣布或广播信标中的目标TXOP值。图3示出了可以包含在超级帧的信标(例如，信标帧210)中的目标TXOP IE实施例300。目标TXOP IE 300包括IE字段310、长度字段320和目标TXOP字段330。IE字段310是头部，长度字段320以八位字节指示目标TXOP IE300的长度，并且目标TXOP字段330包括以时间为单位的(例如，以秒为单位)被指配的目标TXOP值。目标TXOP 330的尺寸足够大以保证足够的或所需的精度。
此目标TXOP值的值可以基于多个因素中的任一者，包含但不限于不同STA的数据速率、吞吐量、业务类型、加载条件、移动模式或其组合。在PF情况下，假定每次被传输的PDU数目固定，则目标TXOP值可以是基于最高数据速率STA的性能。举例来说，目标TXOP值可以计算为每固定数目PDU的平均比特数除以平均数据速率。接收目标TXOP IE 300的STA中的每一者尝试(随时间推移)平均来讲维持相同的所指示的目标TXOP值。随时间推移平均来讲维持被指配的目标TXOP允许基于PF的时间分配。另一种计算目标TXOP值的方法是计算：每一个PDU的平均比特数除以最低数据速率STA的平均数据速率。
在一些STA要传输的数据比目标TXOP字段330所指定的数据更少的情况下，可以根据通过所述STA传输的实际数据量(例如，不存在补零)来计算传输持续时间，例如，transmission_duration_i(t)<TXOP_target，其中transmission_duration_i(t)是STA i在时间t处的传输持续时间，并且TXOP_target是通过AP宣布的目标TXOP值。若可行，STA还可以传输比由目标TXOP字段330所指定的数据更多的数据，例如，transmission_duration_i(t')>TXOP_target，只要所传输的数据的平均量(例如，随时间推移在相对长的时期内)匹配目标TXOP值。
在另一实施例中，网络可以，例如使用IEEE 802.11MAC协议，为不同STA指配不同目标TXOP值。指配不同目标TXOP值可以在AP与STA之间的关联过程期间以静态方式来实施。图4示出了用于为STA指配目标TXOP值的方法实施例400。在步骤401处，STA向AP发送关联请求(例如，帧)以加入无线LAN。所述关联请求可以包含例如在目标TXOP IE 330中的被请求的TXOP值，等等。在步骤402处，AP将包含目标TXOP值的关联响应(例如，帧)返回到STA。所述关联响应包含例如在目标TXOP IE 330中的被指配的TXOP值。被指配的TXOP值随后在AP与STA之间的会话的持续时间上或直到STA发送新的关联请求为止，被所述STA使用。被指配的TXOP值可以是随时间推移平均来讲与相对应的STA匹配的目标TXOP值。
在又一实施例中，目标TXOP值可以在会话期间的任何时候以动态方式来指配。图5示出了用于指配目标TXOP值的另一方法500实施例，其中在会话期间的任何时候在STA与AP之间互换一或多个增加业务流(ADDTS)请求/响应帧序列以协商并在必要时更新用于所述STA的目标TXOP值。所述帧可以是ADDTS请求/响应帧，其在IEEE 802.11中用于以指定的服务质量(QoS)参数来增加业务流(TS)。目标TXOP值的设定可以通过STA或AP基于不同标准来完成，所述标准包含预期的业务模式。
在步骤501处，STA向AP发送ADDTS请求以获得目标TXOP值。STA可以选择初始TXOP值并且使用ADDTS请求帧中的目标TXOP IE将选定值传送到AP。在步骤502处，AP将ADDTS响应返回到STA以指配目标TXOP值。AP可以同意STA的所请求TXOP值或基于STA的预期业务模式选择另一个值，例如，如在IEEE 802.11-2012中定义的业务规范(TSPEC)IE中所指示的。TSPEC IE可以包含在ADDTS请求/响应帧中作为可选IE。AP可以使用ADDTS响应帧中的目标TXOP IE将被指配的TXOP值传送回STA。被指配的TXOP值可以是随时间推移平均来讲与相对应的STA匹配的目标TXOP值。此交换可以在会话期间重复多次(通过分别类似于步骤501、502的步骤503、504；来表示)以按需要重新动态地指配新的目标TXOP值。目标TXOP值也可以被指示为TSPEC IE中的额外的字段。
图6示出了与现有IEEE 802.11方案(传统的方案)相比使用目标TXOP值指配的仿真结果600。所述仿真设置包含三个STA：分别具有1Mbps、10Mbps和10Mbps的链路速率的STA1、STA 2和STA 3，其中假定数据包到达泊松分布。仿真时间是10秒。目标TXOP值基于STA 1一次传输一个PDU的时间而设定，STA 1是最慢的STA。如果数据可用，则其它两个STA(2和3)在每一信道接入中可以传输高达10个PDU。使用三个STA的目标TXOP指配的吞吐量性能在系统吞吐量和公平性方面实现了更好的系统性能。这体现为具有更高链路速率的STA(2和3)所实现的更高的吞吐量。
图7为可用于实施各种实施例的处理系统700的方框图。特定设备可利用所有所示的组件或所述组件的仅一子集，且设备之间的集成程度可能不同。此外，设备可以包括组件的多个实例，例如多个处理单元、处理器、存储器、发射器、接收器等。处理系统700可以包括配备有一个或更多个输入/输出设备的处理单元701，所述输入/输出设备诸如为扬声器、麦克风、鼠标、触摸屏、按键、键盘、打印机、显示器等。处理单元701可包括中央处理单元(CPU)710、存储器720、大容量存储设备730、视频适配器740，以及连接到总线的I/O接口760。所述总线可以为任何类型的若干总线架构中的一个或更多个，包括存储器总线或者存储控制器、外设总线、音频总线等等。
所述CPU710可包括任何类型的电子数据处理器。存储器720可包括任意类型的系统存储器，例如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、只读存储器(ROM)或其组合等等。在实施例中，存储器720可包括在开机时使用的ROM以及在执行程序时使用的存储程序和数据的DRAM。在实施例中，存储器720是非瞬时的。大容量存储设备730可包括任意类型的存储设备，其配置成存储数据、程序和其它信息，并使这些数据、程序和其它信息通过总线访问。大容量存储设备730可包括如下项中的一种或更多种：固态驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器等等。
视频适配器740以及I/O接口760提供接口以将外部输入以及输出设备耦接到处理单元上。如图所示，输入输出设备的示例包括耦合至视频适配器740的显示器790和耦合至I/O接口770的鼠标/键盘/打印机760的任意组合。其它设备可以耦接至处理单元701，可以利用附加的或更少的接口卡。举例来说，串行接口卡(未图示)可以用于为打印机提供串行接口。
处理单元701还包括一个或多个网络接口750，网络接口750可包括诸如以太网线缆等有线链路，和/或到接入节点或者一个或多个网络780的无线链路。网络接口750允许处理单元701通过网络780与远程单元通信。例如，网络接口750可以通过一个或更多个发射器/发射天线以及一个或多个接收器/接收天线提供无线通信。在一个实施例中，处理单元701耦接到局域网或广域网上以用于数据处理以及与远程设备通信，所述远程设备诸如为其它处理单元、因特网、远程存储设施等。
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但此描述并不意图被解释为限制本发明。所属领域的技术人员在参考该描述后，将会明白示例性实施例的各种修改和组合，以及本发明的其它实施例。因此，所附权利要求书意图涵盖任何此类修改或实施例。

Claims (22)

1.一种用于改善无线网络中的用户的不同公平性程度的方法，所述方法包括：
为所述无线网络中的一个或更多个用户指配目标传输机会TXOP值，其中所述目标TXOP值指示随时间推移平均来讲将由所述一个或更多个用户需要的、用于传输的时间单元数目，指配目标TXOP值以满足比例公平性、满足最大最小公平性或为STA提供预定的或期望的吞吐量；并且
将所述目标TXOP值传输给所述一个或更多个用户；
方法进一步包括：
从所述用户中的一者接收关联请求帧，其中所述目标TXOP值在关联响应帧中传输给所述用户；或从所述用户中的一者接收增加业务流ADDTS请求帧，其中所述目标TXOP值在ADDTS响应帧中传输给所述用户。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标TXOP值在从所述无线网络广播到所述一个或更多个用户的信标中的目标TXOP信息单元IE中进行传输。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述信标进一步包括IE和长度字段，所述长度字段以八位字节指示所述目标TXOP IE的尺寸。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述信标是IEEE 802.11标准媒体接入控制MAC超级帧的一部分，所述超级帧包含所述信标、用于经卸载的蜂窝业务的非竞争周期CFP、以及用于局部WiFi业务的竞争周期CP。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标TXOP值在所述关联响应帧中的目标TXOP信息单元IE中进行传输。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述关联请求帧包含指示来自所述用户的所请求的TXOP值的目标TXOP信息单元IE。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述关联请求帧和所述关联响应帧在关联过程期间互换以建立在所述用户与所述无线网络之间的会话，并且其中所指配的目标TXOP值在所述会话期间固定。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标TXOP值在所述ADDTS响应帧中的目标TXOP信息单元IE中进行传输。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标TXOP值在所述ADDTS请求帧中的业务规范TSPEC IE中指示。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述ADDTS请求帧包含指示来自所述用户的所请求的TXOP值的目标TXOP信息单元IE。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述ADDTS请求帧和所述ADDTS响应帧在所述用户与所述无线网络之间的会话期间互换一次以上以再指配新的目标TXOP值。
12.一种用于改善无线网络中的用户的不同公平性程度的设备，所述设备包括：
处理器；以及
存储由所述处理器执行的程序的计算机可读存储介质，所述程序包含用于进行以下操作的指令：
为所述无线网络中的一个或更多个用户指配目标传输机会TXOP值，其中所述目标TXOP值指示随时间推移平均来讲将由所述一个或更多个用户需要的、用于传输的时间单元数目，指配目标TXOP值以满足比例公平性、满足最大最小公平性或为STA提供预定的或期望的吞吐量；
将所述目标TXOP值传输给所述一个或更多个用户；以及
从所述用户中的一者接收关联请求帧，其中所述目标TXOP值在关联响应帧中传输给所述用户；或从所述用户中的一者接收增加业务流ADDTS请求帧，其中所述目标TXOP值在ADDTS响应帧中传输给所述用户。
13.根据权利要求12所述的网络组件，其中，所述无线网络包括经配置用于随机接入的媒体接入控制MAC。
14.根据权利要求12所述的网络组件，其中，所述无线网络是IEEE802.11WiFi网络。
15.根据权利要求12所述的网络组件，其中，所述目标TXOP值基于用户数据速率、业务类型、加载条件、移动模式和吞吐量中的至少一者。
16.根据权利要求12所述的网络组件，其中，为不同用户指配不同目标TXOP值以实现不同公平性程度。
17.根据权利要求12所述的网络组件，其中，指配所述目标TXOP值以实现在多个用户中的比例公平性PF。
18.根据权利要求12所述的网络组件，其中，指配所述目标TXOP值以实现在多个用户中的最大最小max-min公平性。
19.一种用于支持无线网络中的不同公平性程度的方法，所述方法包括：
从所述无线网络接收目标传输机会TXOP值，其中所述目标TXOP值指示被分配用于传输的时间单元数目，所述目标TXOP值在关联响应帧中或业务流ADDTS请求帧中，所述目标TXOP值用于满足比例公平性、满足最大最小公平性或为STA提供预定的或期望的吞吐量；并且
在根据所述时间单元数目的平均持续时间得到的多个时间段上传输业务。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，传输业务包括在持续时间小于所述时间单元数目的至少一个时间段期间传输更少业务。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，传输业务包括在持续时间大于所述时间单元数目的至少一个时间段期间传输更多业务。
22.一种支持无线网络中的不同公平性程度的设备，所述设备包括：
处理器；以及
存储由所述处理器执行的程序的计算机可读存储介质，所述程序包含用于进行以下操作的指令：
从所述无线网络接收目标传输机会TXOP值，其中所述目标TXOP值指示被分配用于传输的时间单元数目，所述目标TXOP值在关联响应帧中或业务流ADDTS请求帧中，所述目标TXOP值用于满足比例公平性、满足最大最小公平性或为STA提供预定的或期望的吞吐量；以及
在根据所述时间单元数目的平均持续时间得到的多个时间段上传输业务。
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