CN106792723A - 一种无线网络中信道资源分配方法、接入点及站点 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线网络中信道资源分配方法、接入点及站点，属于无线通信技术领域。本发明提供的一种无线网络中信道资源分配方法，通过将固定的信标间隔分为信道接入周期、动态分配周期和数据发送周期。在动态分配周期阶段，通过站点向接入点发送实时缓存剩余率和时延大小，接入点根据站点的实时缓存剩余率和时延大小计算静态时隙、竞争时隙和动态时隙三种时隙大小以及站点的发送优先级并将其发送至各个站点，各个站点根据信道资源的分配信息进行数据发送，本发明还提供了相应的接入点及站点。本发明提供一种无线网络中信道资源分配方法、接入点及站点，有效地提高了无线网络中信道资源的利用率。

Description

一种无线网络中信道资源分配方法、接入点及站点
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种无线网络中信道资源分配方法、接入点及站点。
背景技术
无线视频监控产业发展迅猛，在安全监控、交通管理、环境监测、智能家居等领域发挥着重要作用。作为物联网信息采集源的重要组成部分，无线视频监控丰富了物联网应用。
目前无线高清监控多采用嵌入式监控系统，通过监控端反馈图像数据传输信息，图像数据采集端根据反馈的数据传输信息控制视频编码率，当无线信道出现拥塞时，降低视频质量以达到缓解拥塞造成的时延和丢包。现有的无线高清视频监控的信道基准主要是在2.4GHz和5GHz两个频段上，极其容易因同频干扰造成丢包率过大。
当前无线高清视频传输网络主要存在如下问题：无线高清视频实时传输网络相比非高清的势必需要提高网络吞吐量和站点的缓存大小，但由于无线网络信道资源和嵌入式节点的缓存有限，很容易出现网络拥塞和站点缓存溢出而造成严重丢包。另外但H.264视频编码模式为可变码率模式(VBR)下具有更好的视频编码质量，但当出现监控内容剧烈变化时VBR下STA容易产生突发的视频流，可能造成站点传输时延和缓存溢出而产生的严重丢包。如果站点有重传机制情况下，重传会加剧时延。如何动态控制在突发性视频流情况下站点STA缓存空间、发送时隙和发送优先级以降低时延和避免缓存溢出。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线网络中信道资源分配方法、接入点及站点，有效地提高了无线网络中信道资源的利用率，解决了无线高清视频监控过程中因场景和亮度的变化引起站点采集视频数据大小剧烈波动而造成站点缓存剩余率变化，动态分配站点优先级和传输时隙大小而避免站点的紧急数据时延、平均时延和丢包持续恶化的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无线网络中信道资源分配方法，包括以下步骤：
101)接入点在信标间隔的动态分配周期发送轮询帧进行轮询；
所述信标间隔包括信道接入周期、动态分配周期和数据发送周期；所述信道接入周期用于站点接入网络；所述动态分配周期用于分配站点的传输时隙；所述数据发送周期用于站点发送各种类型的数据。
102)接入点为各个站点分配传输时隙，并发送至各个站点；
所述传输时隙包括静态时隙、竞争时隙和动态时隙；所述静态时隙用于终端站点发送免竞争数据；所述竞争时隙用于终端站点发送紧急数据；所述动态时隙用于发送调节帧。
进一步，所述步骤102)还包括接入点分配站点的发送优先级，并发送至各个站点。
进一步，还包括步骤103)接入点在动态时隙发送调节帧至站点，调节视频编码参数。
进一步，当接入点检测到某个站点的时延和丢包率超过阀值或抢占计数器的值大于0时，则执行步骤103)。
一种无线网络中信道资源分配方法，包括以下步骤：
201)站点接收轮询帧，将时延、丢包率、缓存剩余率等参数发送至接入点；
202)站点根据分配的传输时隙来发送各个类型的数据；所述传输时隙包括静态时隙、竞争时隙和动态时隙；所述静态时隙用于终端站点发送免竞争数据；所述竞争时隙用于终端站点发送紧急数据；所述动态时隙用于发送调节帧。
进一步，所述站点有紧急数据需要发送时，通过抢占其他站点的竞争时隙进行紧急数据发送；
所述站点通过分配的发送优先级选择抢占其他站点的竞争时隙，进行紧急数据发送；发送优先级高的站点抢占发送优先级比自身低的站点的竞争时隙进行紧急数据发送。
进一步，所述站点抢占其他站点的竞争时隙进行紧急数据发送时，抢占计数器的值加1。
进一步，所述站点的时延和丢包率超过阀值，或者抢占计数器的值大于0时，通过调节帧调节视频编码参数。
一种接入点，包括：发送模块，用于发送轮询帧，扫描网络的站点；发送Grant帧，并发送至各个站点，所述Grant帧中含有分配给各个站点的传输时隙；
接收模块，用于接收站点发送的SPR帧，所述SPR帧中包含有站点的时延、丢包率、缓存剩余率等参数信息。
一种站点，包括：接收模块，用于接收接入点发送的发送Grant帧，并发送至各个站点，所述Grant帧中含有分配给各个站点的传输时隙；
发送模块，用于发送的SPR帧，所述SPR帧中包含有站点的时延、丢包率、缓存剩余率等参数信息；所述发送模块根据分配的传输时隙来发送各个类型的数据。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种无线网络中信道资源分配方法、接入点及站点，通过动态分配站点的发送时隙以及优先级，以解决各个STA在不同的发送需求的情况下，因站点的发送时隙小以及优先级低而导致STA平均时延恶化。同时通过动态规划信标间隔中CBAP时隙和VAP时隙的大小以及发送优先级，以解决作为紧急数据的突发性视频流需要及时发送以及STA点缓存不足的情况下，而导致紧急数据时延和站点缓存溢出而丢包的问题；有效地提高了无线网络中信道资源的利用率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为无线网络节点拓扑结构示意图；
图3为无线视频传输超帧结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明提供的一种无线网络中信道资源分配方法，提出了根据各个站点(Station，STA)实时缓存剩余率和时延大小动态公平分配站点的发送时隙大小以及优先级的技术策略，有效地提高了无线网络中信道资源的利用率，特别适用于高清视频数据传输和以及高清视频监控，其无线网络节点拓扑图，如图2所示，对视频码流传输的实时性给予了保障。
本发明实施例提供的第一种无线网络中信道资源分配方法，以接入点(AccessPoint，AP)的角度来进行描述，所述方法包括以下步骤：
101)接入点在信标间隔的动态分配周期发送轮询帧进行轮询；
将固定的信标间隔分为信道接入周期(ATI)、动态分配周期(DAI)和数据发送周期(DTI)；所述信道接入周期用于站点接入网络；所述动态分配周期用于分配站点的传输时隙；所述数据发送周期用于站点发送各种类型的数据。
无线实时监控网络的信道资源访问过程中，考虑到站点的接入个数和缓存有限，以及高清视频帧的比特率大，需要更多信道资源进行发送，所以将信标间隔进行扩大以满足基本的站点发送需求，但是信标的扩大也会带来时延，综合两者考虑，可以将常规信标间隔设为30ms，并将固定的信标间隔分为ATI+DAI+DTI三个阶段。
ATI阶段以站点的入网为主，主要用于在每个信标间隔中进行新站点的请求入网工作，同时利用信标帧Beacon确认有哪些站点丢线。auth帧以assoc帧进行站点STA入网的认证和连接工作。
DAI阶段STA向AP发送实时缓存剩余率和时延大小，AP依据STA的实时缓存剩余率和时延计算出静态时隙SP、竞争时隙VAP和动态时隙CBAP三种时隙大小以及站点的发送优先级，各个站点根据信道资源的分配信息在DTI时隙开始进行数据发送。
DTI阶段主要用于各STA和AP在既定的时隙进行视频帧的以及紧急信令的发送。其中竞争时隙CBAP主要用于H264码流采集参数调节的信令，以及被发送时隙为VAP同时被抢占的站点两者以CSMA/CA机制竞争发送，如图3所示。
102)接入点为各个站点分配传输时隙及各个站点的发送优先级，并发送至各个站点；
所述传输时隙包括静态时隙(SP)、竞争时隙(VAP)和动态时隙(CBAP)；所述静态时隙用于终端站点发送免竞争数据；所述竞争时隙用于终端站点发送紧急数据；所述动态时隙用于发送调节帧。
根据高清视频数据的特点和以及所述高清视频监控的功能需求，根据各个STA实时缓存剩余率和时延大小动态公平分配站点的发送时隙大小以及发送优先级。在每个信标间隔开始时，各个STA通过DAI阶段向AP发送传输需求帧，帧里面包括请求发送时隙大小的字段信息。AP通过收集各STA的需求时隙信息，通过信标截断和扩展，在DTI阶段将传输信息添加到Grant帧，发送给各个STA。其中CBAP时隙大小为站点的所请求剩余时隙值。站点在相应的时隙进行数据发送。
步骤103)当接入点检测到某个站点的时延和丢包率超过阀值或抢占计数器的值大于0时，接入点在动态时隙发送调节帧至站点，调节视频编码参数。
本法所述的接入点，包括：发送模块，用于发送轮询帧，扫描网络的站点；发送Grant帧，并发送至各个站点，所述Grant帧中含有分配给各个站点的传输时隙；
接收模块，用于接收站点发送的SPR帧，所述SPR帧中包含有站点的时延、丢包率、缓存剩余率等参数信息。
本发明实施例提供的第二种无线网络中信道资源分配方法，以站点(STA)的角度来进行描述，所述方法包括以下步骤：
步骤201)站点接收轮询帧，将时延、丢包率、缓存剩余率等参数发送至接入点；
步骤202)站点根据分配的传输时隙来发送各个类型的数据；所述传输时隙包括静态时隙(SP)、竞争时隙(VAP)和动态时隙(CBAP)；所述静态时隙用于终端站点发送免竞争数据；所述竞争时隙用于终端站点发送紧急数据；所述动态时隙用于发送调节帧。
根据高清视频数据的特点和以及所述高清视频监控的功能需求，提出了根据各个STA实时缓存剩余率和时延大小动态公平分配站点的发送时隙大小以及优先级的技术策略。在每个信标间隔开始时，各个STA通过DAI阶段向AP发送传输需求帧，帧里面包括请求发送时隙大小的字段信息。AP通过收集各STA的需求时隙信息，通过信标截断和扩展，在DTI阶段将传输信息添加到Grant帧，发送给各个STA，站点在相应的时隙进行数据发送。其中，CBAP时隙大小为站点的所请求剩余时隙值。
各个STA的实时性与信标间隔大小有关，如果信标需要扩展的情况下，站点STA的时延在一定程度上恶化。其次站点缓存帧的时延和缓存剩余大小不同，需要不同的发送优先级控制帧时延和站点缓存剩余大小，以避免缓存溢出丢包和帧时延恶化。根据上述情况对前一技术策略进行优化，提出了一种基于优先级调度控制帧时延和站点缓存的策略。
所述站点有紧急数据需要发送时，通过抢占其他站点的竞争时隙进行紧急数据发送；站点通过分配的发送优先级选择抢占其他站点的竞争时隙，进行紧急数据发送；发送优先级高的站点抢占发送优先级比自身低的站点的竞争时隙进行紧急数据发送。所述站点抢占其他站点的竞争时隙进行紧急数据发送时，抢占计数器的值加1；
站点的时延和丢包率超过阀值，或者抢占计数器的值大于0时，通过调节帧，调节视频编码参数。
AP端固定信标间隔设为固定值，参考的linux的内核的公平调度算法(CompletelyFair Scheduler,CFS)，首先初始状态下给各个站点平均分配站点发送时隙大小，在下一个信标间隔中，AP根据站点的SPR帧实时QoS参数和剩余缓存率进行各个站点的时隙分配和优先级排序，由于监控对时延的敏感，Cisco公司指出时延范围为20ms-30ms，实施例中时延阀值Md值可设置为30ms。时延超过阀值Md的STA优先级设为最高优先级0，缓存剩余率超过阀值Mi的STA优先级为1，其余普通站点的优先级与其发送时隙大小成正比，优先级依次从2往下降低。
由于站点的缓存空间有限，一方面为了避免因突发性视频流导致站点缓存溢出的问题，另一方面突发性视频信息因重要需以第一时间进行发送。在上述通过优先级调度控制帧时延和缓存大小技术策略基础上，提出了一种基于VAP时隙抢占信道资源的技术策略。在原有的静态时隙SP和动态时隙CBAP时隙基础上，增加了新的时隙类型VAP，当AP端或者站点有紧急信令帧发送时，可以抢占分配给较低优先级站点的VAP时隙。将调节的问题以及参数发给站点进行相应的处理，或者站点STAi在相应时隙VAPi到来之前，其他站点STAj有紧急数据需要发送，STAj抢占站点STAi的VAPi时隙进行数据发送，并且STAj抢占计数器Ni的值加1，否则STAi直接在VAPi进行视频数据的免竞争发送。采用该技术方案为突发性视频流的STA提供抢占机制，使得突发的多媒体数据得以及时发送，避免突发性时延恶化和缓存溢出而严重丢包的问题。
本发明提供的一种站点，包括：接收模块，用于接收接入点发送的发送Grant帧，并发送至各个站点，所述Grant帧中含有分配给各个站点的传输时隙；
发送模块，用于发送的SPR帧，所述SPR帧中包含有站点的时延、丢包率、缓存剩余率等参数信息；所述发送模块根据分配的传输时隙来发送各个类型的数据。
本发明实施例提供的第三种无线网络中信道资源分配方法，以无线网络系统的角度来进行描述，所述系统中包含若干个AP和若干个STA，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤301)AP在信标间隔时隙BI的DAI(动态分配时隙)开端广播发送poll帧进行轮询。在DAI时隙中AP发送的控制帧poll的作用在于扫描当前存在于网络的站点，网络中可能存在有的站点此时有掉线的情况。
步骤302)各个STAi收到poll帧后，RCTP包获取时延、丢包率，和自身的缓存剩余率一起填充到SPR帧，AP计算出此时的DAI时隙的大小；
SPR帧主要用于站点进行服务时隙的请求，其帧中增加QoS字段和RCE字段，为站点优先级提供评估依据。
QoS字段主要包括站点通过用户空间RTCP协议包而实时获取的时延Td和丢包率Ts，初始值为零。
RCE字段主要是站点的剩余缓存率Bi，其值计算公式如下:其中Bc为当前站点的剩余缓存，B为总的缓存大小。
DAI时隙的大小为T-Tlast，其中T根据信标帧的时间戳timestamp字段的获得，而Tlast由AP最后一个站点poll帧时的时间戳timestamp字段获得。
步骤303)协调器AP根据当前网络各个站点时延、丢包率和剩余缓存率计算出各个STA应该分配的时隙大小。将分配信息封装到Grant帧中，广播发送给各个站点。
DTI时隙分配机制主要是参考的linux的内核的CFS(Completely FairScheduler)调度算法，初始状态各个站点的获得时隙SP的时长为Tbi/N.其中为Tbi信标间隔固定大小，N为当前网络中站点STA个数，没有CBAP和VAP。
经一段时间T之后，AP根据站点的SPR帧新的实时QoS参数和剩余缓存率Bi进行新的各个站点的实时分配，各个站点的时隙时长由算式计算得到。其中的值为站点i对应的时延大小，为站点对应站点的剩余缓存率，Tgd为保护间隔，其用于从DTI时隙进入DAI时隙的缓冲，防止干扰。l1为时延权重因子，l2为缓存空间的权重因子。CBAP时隙大小由算式TCBAP＝(Ns+NADT)×Tmin计算得到，Ns记录抢占VAP时隙的总个数，其值由计算得到,Ni为站点STAi抢占计数器Ni，STAi每抢占一个VAP时隙Ni加1。Tmin为当前信标时隙中站点获得时隙最小的时隙值，同时其时隙类型为VAP。NADT为时延和丢包率超过一定阀值Md、Ms的STA个数。AP端将Ns个时隙较小的时隙分配为VAP时隙。
步骤304)STA通过授权帧Grant获取相应的时隙分配信息，站点在相应时隙进行视频发送和休眠。
站点STAi根据接收到的Grant帧中时隙类型进行相应的发送和休眠调节，STAi在相应静态时隙SPi进行数据的免竞争发送。
STAi在相应的静态时隙SPi到来之前休眠，在SPi时隙开始时刻，其他站点进行休眠，STA在启动定时器timeri开始发送视频数据。当计时时隙大小为SPi时候，停止发送数据并进入睡眠。
步骤305)判断站点STAi在相应预留时隙VAPi到来之前其他站点是否有紧急数据需要发送，如果有抢占站点STAi的VAPi时隙进行数据发送。否则STAi的VAPi时隙相当于静态时隙一样，STAi直接进行视频数据的免竞争发送；
VAP分配时隙最小，是一种动态调度时隙，其性质为可抢占，能够提高AP调度的灵活性。当AP端或者站点发送紧急信令发送时，可以抢占分配给低优先级站点的VAP时隙，以降低传输时延。站点STAi在相应时隙VAPi到来之前其他站点STAj有紧急数据需要发送，抢占站点STAi的VAPi时隙进行数据发送，并且STAj抢占计数器Ni的值加1，否则STAi直接在VAPi进行视频数据的免竞争发送；
步骤306)如果协调器AP获取的某个站点的时延和丢包率超过一定阀值Md、Ms或者AP端VAP抢占的计数器Ns大于0，则通过计算分配相应的CBAP时隙长度，在其时隙期间进行AP向时延和丢包率超过阀值站点STAi发送调节帧ADT，进行视频编码参数调节，以降低视频质量换取时延保证，同时站点也竞争信道发送相应的视频业务数据。
STAi和AP进行CBAP竞争发送时，PriorityAP＞PriorityVAP＞Priorityi表示STA和AP的优先级。PriorityAP表示AP优先级，AP在CBAP时隙发送的数据主要是紧急信令，时延要求高，所以优先级最大。PriorityVAP为被抢占的VAP时隙站点的优先级，被抢占的VAP时隙对应站点此时缓存空间会存储较多的H.264帧需要发送，所以为防止缓存溢出和站点数据发送时延过大。应紧急进行视频数据发送。所以优先级次之。PriorityVAP的为所有时隙类型为SP和未被抢占的VAP时隙站点的优先级。参考IEEE 802.11e EDCA机制，高优先级站点分配较大仲裁间隔AFIS，上述三种优先级对应的仲裁间隔关系为AFISAP＞AFISVAP＞AFISi。接下来CBAP时隙利用CSMA/CA协议进行数据发送。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种无线网络中信道资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
101)接入点在信标间隔的动态分配周期发送轮询帧进行轮询；
所述信标间隔包括信道接入周期、动态分配周期和数据发送周期；所述信道接入周期用于站点接入网络；所述动态分配周期用于分配站点的传输时隙；所述数据发送周期用于站点发送各种类型的数据；
102)接入点为各个站点分配传输时隙，并发送至各个站点；
所述传输时隙包括静态时隙、竞争时隙和动态时隙；所述静态时隙用于终端站点发送免竞争数据；所述竞争时隙用于终端站点发送紧急数据；所述动态时隙用于发送调节帧。
2.根据权利要求1所述的一种无线网络中信道资源分配方法，其特征在于，所述步骤102)还包括接入点分配站点的发送优先级，并发送至各个站点。
3.根据权利要求1所述的一种无线网络中信道资源分配方法，其特征在于，还包括步骤103)接入点在动态时隙发送调节帧至站点，调节视频编码参数。
4.根据权利要求1所述的一种无线网络中信道资源分配方法，其特征在于，当接入点检测到某个站点的时延和丢包率超过阀值或抢占计数器的值大于0时，则执行步骤103)。
5.一种无线网络中信道资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
201)站点接收轮询帧，将时延、丢包率、缓存剩余率等参数发送至接入点；
202)站点根据分配的传输时隙来发送各个类型的数据；所述传输时隙包括静态时隙、竞争时隙和动态时隙；所述静态时隙用于终端站点发送免竞争数据；所述竞争时隙用于终端站点发送紧急数据；所述动态时隙用于发送调节帧。
6.根据权利要求1所述的一种无线网络中信道资源分配方法，其特征在于，所述站点有紧急数据需要发送时，通过抢占其他站点的竞争时隙进行紧急数据发送；
所述站点通过分配的发送优先级选择抢占其他站点的竞争时隙，进行紧急数据发送；发送优先级高的站点抢占发送优先级比自身低的站点的竞争时隙进行紧急数据发送。
7.根据权利要求1所述的一种无线网络中信道资源分配方法，其特征在于，所述站点抢占其他站点的竞争时隙进行紧急数据发送时，抢占计数器的值加1。
8.根据权利要求1所述的一种无线网络中信道资源分配方法，其特征在于，所述站点的时延和丢包率超过阀值，或者抢占计数器的值大于0时，通过调节帧调节视频编码参数。
9.一种接入点，其特征在于，包括：
发送模块，用于发送轮询帧，扫描网络的站点；发送Grant帧，并发送至各个站点，所述Grant帧中含有分配给各个站点的传输时隙；
接收模块，用于接收站点发送的SPR帧，所述SPR帧中包含有站点的时延、丢包率、缓存剩余率等参数信息。
10.一种站点，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收接入点发送的发送Grant帧，并发送至各个站点，所述Grant帧中含有分配给各个站点的传输时隙；
发送模块，用于发送的SPR帧，所述SPR帧中包含有站点的时延、丢包率、缓存剩余率等参数信息；所述发送模块根据分配的传输时隙来发送各个类型的数据。
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