CN107148054A - 无线局域网的限制接入窗口分配及信道接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线局域网的限制接入窗口分配及信道接入方法。本发明AP以信标时间间隔为单位估测各分组的上下行链路流量，在此基础上分配限制接入窗口。限制接入窗口的持续时间包括PS‑Poll帧产生的控制流、节点发送/下载数据帧产生的上下链路流量，以及节点/AP发送失败进行重发送时产生的额外流量。本发明克服了过去流量密集的分组引起节点接入信道的激烈竞争，流量稀疏的分组则产生较长时间的空闲信道，导致信道资源浪费缺陷。本发明提升了信道利用率，有效地缓解竞争冲突，AP对控制流量、上行流量、下行流量分配不同的信道接入时间，消除控制帧的传输对其影响，缓解上行流量和下行流量之间的竞争引起的信道资源不均衡问题。

Description

无线局域网的限制接入窗口分配及信道接入方法
技术领域
本发明涉及低频段、低功耗的IEEE 802.11ah无线局域网通信系统，具体涉及无线局域网的限制接入窗口分配及信道接入方法。
背景技术
IEEE 802.11ah无线局域网的覆盖范围达1km，可支持8,000多个节点接入，是支撑智能电网、安全监测系统等物联网应用的关键性技术。IEEE 802.11ah无线局域网的媒体接入层在DCF(distributed coordination function)机制中引入了限制接入窗口技术。如图1所示，通过对节点分组，AP根据分组个数将单个信标时间间隔均分为持续时间(duration)相等的限制接入窗口，节点在所属分组的限制接入窗口中竞争接入信道。
在本发明作出之前，该方法对所有分组分配相等的信道资源，即持续时间相等的限制接入窗口，忽略了分组流量的差异，引起了分组间信道资源分配的不均衡：流量密集的分组由于信道资源紧缺引起节点接入信道的激烈竞争；流量稀疏的分组则会产生较长时间的空闲信道，导致信道资源浪费。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制无线局域网的限制接入窗口分配及信道接入方法。
本发明的技术方案是：
无线局域网限制接入窗口分配及信道接入方法，其主要技术特征在于步骤如下：
(1)AP以单个信标时间间隔为单位估测各分组的PS-Poll控制帧流量和上下行链路数据流量；
(2)节点发送PS-Poll帧时将缓存的数据流预计占用信道的时间值存储于PS-Poll帧；
(3)AP根据接收到的PS-Poll帧获取当前信标时间间隔上各分组中的活跃节点数、节点的上行链路流量；
(4)AP根据自身队列的缓存估测分组的下行链路流量；
(5)AP根据信道出错率建立信道出错率与重传输引起的额外流量间的比率关系；
(6)AP为各分组分配限制接入窗口，限制接入窗口的持续时间包括PS-Poll帧产生的控制流、节点发送/下载数据帧产生的上下链路流量，以及节点/AP发送失败进行重发送时产生的额外流量。
所述步骤(3)-(6)中，AP根据分组流量自适应地分配限制接入窗口。
所述步骤(6)中，限制接入窗口进一步分为控制流窗口、上行流窗口和下行流窗口。
所述节点在控制流窗口中基于DCF方式竞争接入信道发送PS-Poll帧，AP根据收到的PS-Poll帧估测活跃节点数和上行链路流量；在上行流窗口，缓存上行链路流量的节点以DCF方式接入信道向AP发送数据帧；在下行流量窗口，AP根据缓存中数据帧存储时间的长短依次将数据帧发送至节点。
本发明的优点和效果在于提升了信道利用率：AP能够对各分组的流量进行相对准确的估测，并根据分组流量自适应地分配限制接入窗口；其次，本发明可有效地缓解竞争冲突：AP对控制流量、上行流量、下行流量分配了不同的信道接入时间，消除了控制帧的传输对数据帧的影响，缓解了上行流量和下行流量之间的竞争引起的信道资源不均衡问题；最后，本发明提出的方法基于802.11ah技术标准，可直接部署在基于该技术标准的产品上。
附图说明
图1——本发明之前现有为802.11ah标准中限制接入窗口的分配方法示意图。
图2——本发明PS-Poll帧的构造示意图。
图3——本发明实例的流量感知的限制接入窗口分配方法及基于此的节点与AP相互通信的过程示意图，其中PS-Poll帧上面的数字表示节点预计数据帧占用信道的时长。
图4——本发明实例分组1中的节点接入信道过程。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明的技术思路是：
本发明中AP以信标时间间隔为单位估测各分组的上下行链路流量，在此基础上分配限制接入窗口。限制接入窗口的持续时间包括PS-Poll帧产生的控制流、节点发送/下载数据帧产生的上下链路流量，以及节点/AP发送失败进行重发送时产生的额外流量。其中，控制流可根据活跃节点的个数结合PS-Poll帧的帧长得到，上行链路流量的估测方法如下：
节点在发送PS-Poll帧时将数据流量预计占用信道的时间值存储在PS-Poll帧，AP根据PS-Poll帧获取分组中的活跃节点数、节点的上行链路流量，在此基础上估测分组的上行链路流量。如图2所示，本发明利用PS-Poll帧的duration字段存储节点估测上行流量占用信道的时长。
对于下行链路流量AP可根据自身的缓存状况获取。为了对重发送引起的额外流量进行估测，本发明利用数学方法建立了信道出错率与额外流量间的比率关系。
基于上述方法AP对当前信标时间间隔上各分组的流量进行了较为准确地估测，后续限制接入窗口的值可根据流量估测结果进行自适应地分配，因此有效提升了信道利用率。
AP进一步将限制接入窗口分为控制流窗口、上行流窗口和下行流窗口。节点在控制流窗口中基于DCF方式竞争接入信道发送PS-Poll帧，控制流窗口结束后，缓存上行链路流量的节点以DCF方式接入信道向AP发送数据帧。在下行流量窗口，AP根据缓存中数据帧存储时间的长短依次将数据帧发送至节点。该方法中，为控制流量、上下链路流量单独分配信道接入时间，消除了控制流量对数据流量占有信道的影响，提升了数据流传输成功的概率；其次，上、下行链路流量基于不同的时间段接入信道的方法消除了infrastructure无线局域网环境中下行流量过于密集引起的信道资源使用不均衡的问题。
下面具体说明本发明。
AP以信标时间间隔为周期对分组进行流量估测并分配限制接入窗口，进一步将限制接入窗口分为控制流窗口、上行流窗口、下行流窗口。
控制流窗口、上行流窗口、下行流窗口的估测方法如下：
(1)控制流窗口
用PreambleTime表示节点发送前导码(Preamble)需用的时间，PS-Pollsize表示PS-Poll帧的字节数，BasicRate表示控制帧传输速度，ACKRate表示传输ACK帧的速度，SIFS表示短帧间间隔(short interframe space)时间，ACKsize表示ACK帧的字节数，r表示重发送率，基于802.11ah标准得到节点发送一个PS-Poll需用的时间TPS_Poll：
TPS-Poll＝(2PreambleTime+PS-Poll/BasicRate+SIFS+ACKSize/ACKRate)×(1/1-r). (1)
对于任意一个分组k，若分组中有nk个节点，可得到该分组的控制流量Tcontrol为：
Tcontrol＝nk×TPS-Poll. (2)
(2)上行流窗口
用DataRate表示传输数据帧需用的时间，其他参数与公式(1)、(2)一致。根据802.11ah标准，节点向AP发送一个数据帧并收到AP发送的ACK帧需要的总时间Ti_k为：
Ti_k＝(2PreambleTime+8Li_k/DataRate+SIFS+ACKSize/ACKRate)×(1/1-r)， (3)
其中，Li_k表示分组k中的节点i传输的数据帧的长度。用ni_k表示节点i缓存的帧的个数，得到节点i的上行流量SPi_exp_k为：
SPi_exp_k＝ni_k×Ti_k. (4)
用a表示信道出错导致的额外流量(该值可根据信道出错率自适应地调整)，节点i向AP预约的信道资源SPi_k_u为：
SPi_k_u＝(1+a)×SPi_exp_k. (5)
若分组k中共有n个节点，则该分组的上行流量是分组中所有节点上行流量的和加上n个SIFS(节点与节点之间有SIFS的间隔时间)。用TRAW_k_u表示分组k的上行流量得到：
TRAW_k_u＝SP1_k_u+SP2_k_u+…+SPi_k_u…+SPn_k._u+nSIFS. (6)
(3)下行流窗口
AP根据自身队列的缓存得到各节点的下行链路流量。若AP为分组k中的节点缓存的下行流量分别为SP1_k_d，SP2_k_d，....SPn_k_d，用TRAW_k_d表示分组k的下行链路流量，得到：
TRAW_k_d＝SP1_k_u+SP2_k_u+…+SPi_k_u…+SPn_k_u.+nSIFS. (7)
AP根据公式(6)和(7)为分组分别分配上、下行流窗口。在上行流窗口，节点基于DCF方式竞争接入信道向AP发送数据帧，在下行流窗口中，AP根据流量缓存时间的长短为按次序向节点发送帧。
如图3所示，假设AP将节点分为4组。利用本发明提出的流量估测方法，AP估测得到各分组的控制流量、上下行链路流量，并在此基础上为分组分别分配限制接入窗口。
对于分组1，如图4所示，AP将分配到该分组的限制接入窗口进一步分为控制流窗口、上行流窗口、下行流窗口。在控制流窗口，节点A、B、C基于DCF方式竞争接入信道发送向AP发送PS-Poll帧。由于节点B、C缓存了上行流量，因此将PS-Poll帧的UDI字段分别设置为1，持续时间(duration)字段设置为发送数据帧所需要占用信道的时间。节点A没有缓存上行流量，因此将UDI的字段值设为0。AP利用收到的PS-Poll帧估测出上行链路流量，同时根据自身队列的缓存估测下行链路流量，在此基础上分配了上行流窗口和下行流窗口。
在上行流窗口，节点B和C以DCF方式竞争接入信道发送数据帧，AP收到节点发送的Data帧向节点回应一个ACK帧。当上行流窗口结束，节点进入下行流窗口，AP根据队列中Data帧缓存时间的长短将Data帧依次发送给节点A、B和C，节点收到数据帧时向AP回应一个ACK帧。

Claims (4)

1.无线局域网限制接入窗口分配及信道接入方法，其特征在于步骤如下：
(1)AP以单个信标时间间隔为单位估测各分组的PS-Poll控制帧流量和上下行链路数据流量；
(2)节点发送PS-Poll帧时将缓存的数据流预计占用信道的时间值存储于PS-Poll帧；
(3)AP根据接收到的PS-Poll帧获取当前信标时间间隔上各分组中的活跃节点数、节点上行链路流量；
(4)AP根据自身队列的缓存估测分组的下行链路流量；
(5)AP根据信道出错率建立信道出错率与重传输引起的额外流量间的比率关系；
(6)AP为各分组分配限制接入窗口，限制接入窗口的持续时间包括PS-Poll帧产生的控制流、节点发送/下载数据帧产生的上下链路流量，以及节点/AP发送失败进行重发送时产生的额外流量。
2.根据权利要求1所述的无线局域网限制接入窗口分配及信道接入方法，其特征在于步骤(2)-(6)中，分组限制接入窗口的时长根据分组的流量自适应地分配。
3.根据权利要求1所述的无线局域网限制接入窗口分配及信道接入方法，其特征在于步骤(6)中，限制接入窗口进一步分为控制流窗口、上行流窗口和下行流窗口。
4.根据权利要求1或3所述的无线局域网限制接入窗口分配及信道接入方法，其特征在于所述节点在控制流窗口中基于DCF方式竞争接入信道发送PS-Poll帧，AP根据收到的PS-Poll帧估测活跃节点数和上行链路流量；结束后，缓存上行链路流量的节点以DCF方式接入信道向AP发送数据帧；在下行流量窗口，AP根据缓存中数据帧存储时间的长短依次将数据帧发送至节点。
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