CN106850125B - 面向蜂窝网和wlan融合组网的mac层数据包重传机制优化方法 - Google Patents

面向蜂窝网和wlan融合组网的mac层数据包重传机制优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向蜂窝网和WLAN融合组网的MAC层数据包重传机制优化方法，包括如下步骤：通过蜂窝网与WLAN之间的接口，蜂窝网基站和WLAN节点交互网络状态信息；根据蜂窝网和WLAN的网络状态信息，对WLAN链路中MAC层重传次数门限值进行优化调整。利用本发明，可以根据两种网络链路状态的改变及时调整数据传输策略，致力于增强网络对用户设备的服务能力，有效提升用户体验。

Description

面向蜂窝网和WLAN融合组网的MAC层数据包重传机制优化 方法
技术领域
本发明涉及一种面向蜂窝网和WLAN融合组网的MAC层数据包重传机制优化方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
当前，无线局域网(简称为WLAN)和蜂窝网(GSM、GPRS、CDMA、UMTS、LTE、LTE-A等，以下以LTE为例进行描述)已经被广泛使用。WLAN可为终端提供极高的空口速率，且其工作在免授权频段，部署和使用灵活且成本低，但其覆盖范围相对较小，常用于局域热点覆盖。而蜂窝网可在授权频段为用户提供更具可靠性保障服务，且其支持广域覆盖。如何将蜂窝网和WLAN进行有效融合，利用两种网络资源为用户提供更加高效便捷的服务，一直是业界关注的焦点之一。
在LTE和WLAN融合组网(LTE-WLAN Aggregation，简称为LWA)的架构下，某一业务类型的数据可以通过LTE和WLAN两条链路同时进行传输。在LWA的架构下，LTE和WLAN是紧耦合的融合，数据分流锚点是LTE的eNB(基站)。例如，通过WLAN传输的数据由LTE的eNB通过LTE-WLAN之间的接口传输给WLAN，再由WLAN网络来进行传输。在融合组网架构中，两种网络可以互为补充，当其中一条链路(例如WLAN)由于网络环境变化导致服务质量变差时，可以更多地依赖于另一网络进行数据传输，从而避免造成变差链路的缓存溢出，以及增加无谓的数据包重传次数和传输时延。
在现有的IEEE 802.11标准中，为了提升传输的可靠性，WLAN网络在媒体接入控制层(MAC)有数据包重传机制：当MAC层数据由于冲突或链路恶化等原因导致传输失败时，失败的数据包会在成功竞争到信道后重新传输，直至重传次数达到预设门限值，或者数据包的生命周期达到预设值，则将数据包丢弃。WLAN网络为了给不同类型的数据区别保护，将重传次数门限值配置为不同的值(例如，对于MSDU的重传次数门限值配置为7，对于MMPDU的重传次数门限值配置为4)。事实上，重传次数门限值的设置一方面会影响数据包在该链路上成功传输的概率，另一方面也会影响重传的次数和时延，以及缓存的状态。不恰当的重传次数门限值将会导致WLAN链路传输时延高、效率低下等问题，严重时甚至会致使链路拥塞。因此在LWA架构中，由于有LTE链路和WLAN链路的双重传输保障，若能根据两个网络的实际状态灵活调整WLAN链路MAC层的重传次数门限值，可以对链路状态变化及时做出响应，提高传输效率，提升用户体验。
飞利浦公司在公开号为CN1682492A的中国专利申请中，提出了一种平衡数据包队列丢弃和链路丢失的重传次数门限调整方案。该方案根据通道条件和工作负载强度来适配重传次数门限值，使MAC吞吐量最大化并且使分组丢失最小化。另外，李莎在其硕士论文《基于模糊逻辑控制原理的WLAN MAC协议改进》(华中科技大学2011年)中，提出一种根据当前业务的网络性能自适应地调节下一次发送数据包所用的接入参数，并且具有反馈调节能力的MAC改进协议。但是，上述现有技术主要针对单一的WLAN网络，并不涉及蜂窝网和WLAN之间的协作，在交互信令上存在很大差异。目前，发明人尚未在公开文献中查阅到有同时兼顾蜂窝网和WLAN状态进行WLAN MAC层重传门限自适应调整的相关方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种面向蜂窝网和WLAN融合组网的MAC层数据包重传机制优化方法。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种面向蜂窝网和WLAN融合组网的MAC层数据包重传机制优化方法，包括如下步骤：
通过蜂窝网与WLAN之间的接口，蜂窝网基站和WLAN节点交互网络状态信息；
根据所述蜂窝网和所述WLAN的网络状态信息，对WLAN链路中MAC层重传次数门限值进行优化调整。
其中较优地，所述网络状态信息包含但不限于网络标识、eNB/AP ID、UE ID、eNB/AP与用户设备之间的链路信号强度、信干噪比、发射端和接收端缓存状态、有效传输速率或网络吞吐量中的一个或多个。
其中较优地，所述蜂窝网基站和所述WLAN节点之间，根据触发周期或触发事件交互所述网络状态信息。
其中较优地，所述网络状态信息是有效传输速率时，若
则所述MAC层重传次数门限值不调整；其中，Rl1和Rw1分别为网络状态信息更新前，所述蜂窝网和所述WLAN的传输速率；Rl2和Rw2分别为网络状态信息更新后，所述蜂窝网和所述WLAN的传输速率。
其中较优地，所述网络状态信息是有效传输速率时，若
则所述MAC层重传次数门限值减小。
所述MAC层重传次数门限值减小的范围为TH2＝max{0，TH1-x}，其中TH1为网络状态信息更新前的MAC层重传次数门限值，TH2为网络状态信息更新后的MAC层重传次数门限值，x为调整步幅。
其中较优地，所述网络状态信息是有效传输速率时，若
则所述MAC层重传次数门限值增加。
所述MAC层重传次数门限值增加的范围为TH2＝min{THmax，TH1+x}，其中TH1为网络状态信息更新前的MAC层重传次数门限值，TH2为网络状态信息更新后的MAC层重传次数门限值，x为调整步幅，THmax为预设的MAC层重传次数门限值的上限。
其中较优地，如果MAC层重传次数门限值的优化调整由所述蜂窝网基站根据交互的网络状态信息决定，则所述蜂窝网基站通过蜂窝网与WLAN之间的接口将WLAN MAC重传次数门限调整命令发送给WLAN节点；所述WLAN MAC重传次数门限调整命令中包含UE/AP ID信息以及调整后的MAC层重传次数门限值。
其中较优地，如果MAC层重传次数门限值的优化调整是针对用户设备的，则所述WLAN MAC重传次数门限调整命令中采用UE ID信息；如果MAC层重传次数门限值的优化调整是针对WLAN无线接入点的，则所述WLAN MAC重传次数门限调整命令中采用AP ID信息。
其中较优地，如果MAC层重传次数门限值的优化调整由所述WLAN节点根据交互的网络状态信息决定，则所述WLAN节点通过蜂窝网与WLAN之间的接口将WLAN MAC重传次数门限调整报告发送给所述蜂窝网基站；所述WLAN MAC重传次数门限调整报告中包含UE/AP ID信息以及调整后的MAC层重传次数门限值。
其中较优地，如果MAC层重传次数门限值的优化调整是针对用户设备的，则所述WLAN MAC重传次数门限调整报告中采用UE ID信息；如果MAC层重传次数门限值的优化调整是针对WLAN无线接入点的，则所述WLAN MAC重传次数门限调整报告中采用AP ID信息。
与现有技术相比较，本发明所提供的MAC层数据包重传机制优化方法可以及时跟随网络状态变化，有效减小数据包的无谓重传次数，降低传输时延，提高数据包成功传输效率。利用该方法，可以根据两种网络链路状态的改变及时调整数据传输策略，致力于增强网络对用户设备的服务能力，有效提升用户体验。
附图说明
图1为蜂窝网和WLAN融合组网的场景示例图；
图2为周期触发的eNB和WT之间协商过程流程图；
图3为事件触发的eNB和WT之间协商过程流程图；
图4为由WT进行MAC层重传次数门限值的调整决策流程图；
图5为由eNB进行MAC层重传次数门限值的调整决策流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。
如图1所示，在LTE和WLAN融合组网的架构中，蜂窝网基站LTE eNB和WLAN节点(简称为WT)之间通过XW(控制平面)接口连接。在本发明的一个实施例中，WT位于WLAN AP(无线接入点)处，可以是WLAN AP、接入控制器(AC)或是一个独立的逻辑实体，其与蜂窝网基站之间存在通信接口，该通信接口可以进行UE数据转发和信令交互。处于WLAN服务范围内的用户设备(简称为UE)具有同时从LTE网络和WLAN网络接受服务的能力，即UE能同时维护WLAN和蜂窝网的连接(Multi-RAT connection)。在LWA模式下，UE某一业务类型的数据通过LTE和WLAN两条链路同时进行传输，如图1中所示，UE的数据包在eNB处分两条路径到达，一部分(数据包1、3、4)经由LTE链路传递，另一部分(数据包2、5)经由WLAN链路传递。
前已述及，在网络融合场景中，由于UE具有LTE链路和WLAN链路的双重传输保障，如果能够根据两个网络实际的状态灵活调整WLAN链路MAC层的重传次数门限值，可以对链路状态变化及时做出响应，提高传输效率，提升用户体验。例如，当WLAN链路状态较差，而LTE链路状态比较好时，若数据包在WLAN链路传输不成功，可以尽早依赖于LTE链路进行传输，无需一直在WLAN链路进行无谓的重传尝试，减小重传次数；另一方面，在遵循WLAN的信道竞争机制下，数据包未能被正确接受即认为是出现碰撞，故重传时会执行指数退避机制，因而重传次数越大，带来的时延越大，若能尽早结束WLAN链路的重传尝试，通过更可靠的LTE链路传输，可以减小数据的时延。
但在LWA场景中，WLAN MAC层的重传次数门限值除了WLAN自身的状态，还需要与LTE网络进行协调。为此，本发明根据蜂窝网和WLAN网络状态的变化，通过蜂窝网与WLAN之间的协作来灵活调整WLAN MAC层的重传次数门限值，从而在蜂窝网与WLAN的融合架构下，用户设备(UE)的数据包可经由LTE、WLAN两条链路同时传输。这种架构较之用户设备单纯从WLAN或蜂窝网接受服务的应用场景而言，数据传输多了一个可用途径。具体说明如下：
在UE通过LTE和WLAN建立LWA模式时，首先根据IEEE 802.11标准中的规定选择UE在WLAN链路的MAC层重传次数门限初始值。在本发明的一个实施例中，参考上述标准中针对MSDU重传次数门限值的规定，将WLAN链路重传次数门限值初始化为默认值7。在WLAN链路传输给UE的数据包重传次数达到重传次数门限值则丢包，并反馈到上层。
在LWA场景下，UE的某一类型数据通过LTE、WLAN两条链路传输的过程中，eNB和WLAN AP需要持续监测各自网络的状态，记录网络状态信息。这里的网络状态信息可以是用户特定的，也可以是整个小区内的统计结果，其包含但不限于网络标识、eNB/AP ID、UE ID、eNB/AP与UE之间的链路信号强度、信干噪比(SINR)、发射端和接收端缓存状态、链路数据速率、网络吞吐量等。本实施例中的网络状态信息格式如表1所示：
表1 网络状态信息格式
表1中的各个字段解释如下：
网络标识：接入网络类型标识(表明是LTE或WLAN等)；
UE ID:表示用户设备的标识；
eNB/AP ID:表示基站(蜂窝基站/WLAN无线接入点)的标识；
信号强度：eNB/AP与UE之间的链路信号强度，可以是RSSI、RSRP等；
信干噪比：链路的信号与干扰和噪声之和的比值；
缓存空间：发射端和接收端可用的缓存空间；
数据速率：对应链路的空口数据速率或有效传输速率；
吞吐量：相应网络吞吐量；
在本发明的一个实施例中，蜂窝网基站eNB和WLAN节点WT之间的网络状态信息交互为周期触发。周期触发信息交互需要eNB和WT在LWA数据传输模式开始建立时，通过协商决定信息交互周期。具体的信息交互周期可通过仿真或外场测试根据最大化增益确定。触发周期协商的具体流程如图2所示。在开始协商建立LWA数据传输模式时，蜂窝网基站eNB向无线接入点AP发出网络状态信息交互触发周期配置请求，AP返回相应的网络状态信息交互触发周期配置应答。通过上述操作，eNB与AP之间确定触发周期，从而完成LWA数据传输模式的建立过程。
在本发明的另一个实施例中，网络状态信息交互为事件触发。事件触发信息交互需要在LWA传输模式开始建立时，由eNB和WT协商网络状态信息交互的触发事件。触发事件可包括但不仅限于网络状态信息中的某个参数或某几个参数发生变化，且发生变化后的参数高于/低于某些预设门限值。如图3所示，在蜂窝网或者WLAN检测到网络状态发生改变之后，将触发网络之间的网络状态信息交互。蜂窝网基站eNB向无线接入点AP发出网络状态信息交互触发事件配置请求，AP返回相应的网络状态信息交互触发事件配置应答。通过上述操作，eNB与AP之间确定触发事件，从而完成LWA数据传输模式的建立过程。
网络状态改变这一触发事件需要在LWA数据传输模式建立时，由eNB和WT协商确定，具体涉及触发事件的选择和相关门限值的设定。触发事件可包括但不仅限于网络状态信息中的某个参数或某几个参数发生变化，且发生变化后的参数高于/低于某些预设门限值。
在本发明的一个实施例中，MAC层重传次数门限值由WLAN网络进行决策，即LTE和WLAN网络之间进行了网络状态信息交互后，WT根据接收到的LTE网络状态信息以及监测到的当前WLAN网络状态信息，对预定的WLAN无线接入点/用户设备进行MAC层重传次数门限值调整。WT可以通过比较LTE和WLAN的网络状态信息来确定更新后的WLAN MAC层重传次数门限值。
在本发明中，可以选择有效传输速率对比作为WLAN MAC层重传次数门限值的更新参考。该有效传输速率是由AP或eNB根据一段时间内成功传输的数据包数量统计出来的，例如当统计给定UE的有效传输速率时，就统计一段时间t内成功传输给该UE的数据量S，则可得出这段时间内的有效传输速率为R＝S/t。具体调整方式说明如下：
假设在网络状态信息更新前，LTE和WLAN的传输速率分别为Rl1和Rw1，WLAN MAC重传次数门限值为TH1；
网络状态信息更新后，两条链路的传输速率分别为Rl2和Rw2，WLAN MAC重传次数门限值为TH2；
若重传次数门限值不调整，即TH2＝TH1；
若重传次数门限值减小，调整步幅为x，则TH2＝max{0，TH1-x}；
若重传次数门限值增加，调整步幅为x，即TH2＝min{THmax，TH1+x}，其中THmax为预设的WLAN MAC重传次数门限值的上限。
在本发明的其他实施例中，比较LTE和WLAN的网络状态信息也可以是基于链路信号强度、信干噪比、发射端和接收端缓存状态、网络吞吐量中的一个或多个综合得出的。由此进行的MAC层重传次数门限值调整可以由本领域普通技术人员根据上述内容的启示做出，在此就不具体说明了。
WT进行了MAC层重传次数门限值的调整决策后，通过Xw接口发送WLAN MAC层重传次数门限调整报告给eNB，以便告知其调整后的结果及对应的AP/UE ID。该WLAN MAC重传次数门限调整报告的具体格式如表2所示：
UE/AP ID 调整后重传门限
表2 WLAN MAC重传次数门限调整报告格式
表2中，各个字段解释如下：
UE/AP ID：表示用户设备/WLAN无线接入点的标识
调整后重传门限：调整后的WLAN链路MAC层重传次数门限值
如果门限调整是针对某个特定UE的，则该WLAN MAC重传次数门限调整报告采用UEID，如果门限调整是针对某个特定AP的，那么该WLAN MAC重传次数门限调整报告采用APID。
由WT进行MAC层重传次数门限值的调整决策流程如图4所示。首先，由AP进行MAC层重传次数门限值的初始化；然后，eNB与AP之间通过周期触发/事件触发进行网络状态信息交互。WLAN网络的AP通过比较LTE和WLAN的网络状态信息，确定调整后的MAC层重传次数门限值，并通过Xw接口发送WLAN MAC层重传次数门限调整报告给eNB。eNB会将门限值调整结果用于后续分流或者用户接入选择决策等功能中。
在本发明的另一个实施例中，WLAN MAC层重传次数门限值由蜂窝网基站进行决策，即由eNB根据网络状态信息交互接收到的WLAN网络状态信息以及监测的LTE网络状态信息，对预定的WLAN无线接入点/用户设备进行WLAN MAC层重传次数门限值调整。由eNB进行MAC层重传次数门限值的调整决策流程如图5所示。
eNB进行了MAC层重传次数门限值的调整决策后，通过Xw接口发送WLAN MAC层重传次数门限调整命令给WT。该WLAN MAC层重传次数门限调整命令的格式如表3所示：
UE/AP ID 调整后重传门限
表3 WLAN MAC重传次数门限调整命令格式
表3中各个字段解释如下：
UE/AP ID：表示用户设备/WLAN无线接入点的标识
调整后重传门限：调整后的WLAN链路MAC层重传次数门限值
如果门限调整是针对某个特定UE的，则该WLAN MAC重传次数门限调整命令采用UEID，如果门限调整是针对某个特定AP的，那么该WLAN MAC重传次数门限调整命令采用APID。
与现有技术相比较，本发明所提供的MAC层数据包重传机制优化方法可以及时跟随网络状态变化，有效减小数据包的无谓重传次数，降低传输时延，提高数据包成功传输效率。利用该方法，可以根据两种网络链路状态的改变及时调整数据传输策略，致力于增强网络对用户设备的服务能力，有效提升用户体验。
上面对本发明所提供的面向蜂窝网和WLAN融合组网的MAC层数据包重传机制优化方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (11)

1.一种面向蜂窝网和WLAN融合组网的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于包括如下步骤：
通过蜂窝网与WLAN之间的接口，蜂窝网基站和WLAN节点交互网络状态信息；
根据所述蜂窝网和所述WLAN的网络状态信息，对WLAN链路中MAC层重传次数门限值进行优化调整。
2.如权利要求1所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
所述蜂窝网基站和所述WLAN节点之间，根据触发周期或触发事件交互所述网络状态信息。
3.如权利要求1所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
所述网络状态信息是有效传输速率时，若
则所述MAC层重传次数门限值不调整；其中，Rl1和Rw1分别为网络状态信息更新前，所述蜂窝网和所述WLAN的传输速率；Rl2和Rw2分别为网络状态信息更新后，所述蜂窝网和所述WLAN的传输速率。
4.如权利要求1所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
所述网络状态信息是有效传输速率时，若
则所述MAC层重传次数门限值减小；其中，Rl1和Rw1分别为网络状态信息更新前，所述蜂窝网和所述WLAN的传输速率；Rl2和Rw2分别为网络状态信息更新后，所述蜂窝网和所述WLAN的传输速率。
5.如权利要求4所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
所述MAC层重传次数门限值减小的范围为TH2＝max{0，TH1-x}，其中TH1为网络状态信息更新前的MAC层重传次数门限值，TH2为网络状态信息更新后的MAC层重传次数门限值，x为调整步幅。
6.如权利要求1所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
所述网络状态信息是有效传输速率时，若
则所述MAC层重传次数门限值增加；其中，Rl1和Rw1分别为网络状态信息更新前，所述蜂窝网和所述WLAN的传输速率；Rl2和Rw2分别为网络状态信息更新后，所述蜂窝网和所述WLAN的传输速率。
7.如权利要求6所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
所述MAC层重传次数门限值增加的范围为TH2＝min{THmax，TH1+x}，其中TH1为网络状态信息更新前的MAC层重传次数门限值，TH2为网络状态信息更新后的MAC层重传次数门限值，x为调整步幅，THmax为预设的MAC层重传次数门限值的上限。
8.如权利要求1所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
如果MAC层重传次数门限值的优化调整由所述蜂窝网基站根据交互的网络状态信息决定，则所述蜂窝网基站通过蜂窝网与WLAN之间的接口将WLAN MAC重传次数门限调整命令发送给WLAN节点；所述WLAN MAC重传次数门限调整命令中包含UE/AP ID信息以及调整后的MAC层重传次数门限值。
9.如权利要求8所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
如果MAC层重传次数门限值的优化调整是针对用户设备的，则所述WLAN MAC重传次数门限调整命令中采用UE ID信息；如果MAC层重传次数门限值的优化调整是针对WLAN无线接入点的，则所述WLAN MAC重传次数门限调整命令中采用AP ID信息。
10.如权利要求1所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
如果MAC层重传次数门限值的优化调整由所述WLAN节点根据交互的网络状态信息决定，则所述WLAN节点通过蜂窝网与WLAN之间的接口将WLAN MAC重传次数门限调整报告发送给所述蜂窝网基站；所述WLAN MAC重传次数门限调整报告中包含UE/AP ID信息以及调整后的MAC层重传次数门限值。
11.如权利要求10所述的MAC层数据包重传机制优化方法，其特征在于：
如果MAC层重传次数门限值的优化调整是针对用户设备的，则所述WLAN MAC重传次数门限调整报告中采用UE ID信息；如果MAC层重传次数门限值的优化调整是针对WLAN无线接入点的，则所述WLAN MAC重传次数门限调整报告中采用AP ID信息。
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