CN109246806B - 在WiFi网络中提供差异化关联服务的系统和方法 - Google Patents

在WiFi网络中提供差异化关联服务的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了系统和方法以实现WiFi系统中通信台(STA)的差异化关联并提供基于差异化服务质量(QoS)的关联。实施例包括将共享WiFi网络的信道的STA归类为不同关联优先级类别，其中关联优先级类别较高的STA在共享信道上开始与AP关联之前等待较短时间。所述关联优先级类别由所述AP或所述WiFi网络分配并且通知给所述STA。或者，所述关联优先级类别由所述STA分配并且向所述AP或所述WiFi网络指示。根据业务类型、设备类型、订户类型或随机数发生器为STA确定所述关联优先级类别。

Description

在WiFi网络中提供差异化关联服务的系统和方法
本申请要求2012年3月1日递交的发明名称为“在WiFi网络中提供差异化关联服务的系统和方法(System and Method for Differentiated Association ServiceProvisioning in WiFi Networks)”的第61/605520号美国临时专利申请案以及2013年2月28日递交的发明名称为“在WiFi网络中提供差异化关联服务的系统和方法(System andMethod for Differentiated Association Service Provisioning in WiFi Networks)”的第13/781380号美国非临时申请案的在先申请优先权，这两个在先申请的内容以引用的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及用于无线通信的系统和方法，以及在具体实施例中，涉及在WiFi网络中提供差异化关联服务的系统和方法。
背景技术
WiFi也称为无线局域网(WLAN)，使用IEEE 802.11标准技术作为空中接口(airinterface)。随着网络容量的增加以及通信技术的进步，IEEE 802.11或WiFi系统有望支持更大数量的通信台(station，STA)。因此，接入点(access point，AP)应该能同时处理更大数量的通信请求，例如，当移动设备(mobile device)进入或离开WiFi区域时。例如，在火车站，当列车停靠时，许多正在进行视频流业务或浏览互联网的WiFi用户可能在同一时间从列车中出来并且试图与火车站中的AP进行关联以继续进行视频流业务或浏览互联网。再例如，停电地区里的多个智能电表可能发送“最后时刻”(‘last gasp’)的通知消息以提醒经销商发生了断电。长时间停电之后，含有智能电表在内的设备还可能在大约同一时间内试图与AP重新关联。在WLAN中，多个STA可以共享通信信道。然而，大量的同时通信会在共享信道中产生冲突并导致信道长时间的接入时延。接入时延过长可能会导致移动设备消耗更多的能量并且损害不同STA上不同业务的服务质量(QoS)提供。因此，在WiFi系统中，需要考虑基于QoS感知(QoS-aware)的网络关联。
发明内容
在一个实施例中，一种在WiFi网络中提供差异化关联的方法包括将不同关联优先级类别分配给共享所述WiF网络的信道的多个通信台(STA)，其中关联优先级类别较高的所述STA在共享信道上开始与AP关联之前等待较短时间。
在另一个实施例中，一种在WiFi网络中提供差异化关联的方法包括在STA处确定所述STA的关联优先级类别，在对应于所述确定的关联优先级类别的时间段内进入休眠模式，以及在所述时间段结束后开始所述STA和所述WiFi网络的接入点(AP)之间的关联过程。
在另一个实施例中，一种在WiFi网络中支持差异化关联的AP部件包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储由所述处理器执行的程序。所述程序包括指令，用于将不同关联优先级类别分配给共享所述WiFi网络的信道的多个STA，其中关联优先级类别较高的STA在试图在共享信道上与AP进行关联之前等待较短时间。
在又一个实施例中，一种在WiFi网络中支持差异化关联的STA包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储由所述处理器执行的程序。所述程序包括指令，用于：在对应于分配给所述STA的关联优先级类别的时间段内进入休眠模式，以及在所述时间段结束后开始所述STA和所述WiFi网络的AP之间的关联过程。
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示出了分布式信道接入(distributed channel access，DCA)方案；
图2示出了网络链路关联和认证过程；
图3示出了提供基于QoS关联的实施例的方法；
图4为可用于实施各种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实施和使用。然而，应了解，本发明提供了许多适用的发明概念，可广泛应用于各种具体环境中。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。
在802.11WLAN中，与AP之间的通信信道可以由多个STA共享，这些STA通过分布式信道接入功能，称为分布式协调功能(distributed coordination function，DCF)，协调。DCF基于载波侦听多址访问/冲突避免(carrier sense multiple access with collisionavoidance，CSMA/CA)机制。DCF使用物理和虚拟载波侦听功能来确定信道的状态。物理载波侦听位于物理层(PHY)并使用能量检测和前导检测来确定信道是否繁忙。虚拟载波侦听位于媒体接入控制层(MAC)并使用预留信息，该预留信息例如在MAC帧头的时长字段中，且指示阻止使用无线信道。当物理和虚拟载波侦听机制均指示无线信道空闲时，通常才确定该无线信道为空闲(不繁忙)。
图1所示为WiFi或802.11WLAN系统的分布式信道接入(DCA)方案100。方案100涉及多个STA(例如，STA1、STA2、STA3和STA4)，它们共享一个信道以向例如AP传输数据帧。STA拥有进行传输的数据帧时首先通过在固定时长内侦听无线信道来执行空闲信道评估(clearchannel assessment，CCA)，该固定时长称为DCF帧间间隔(DCF inter-frame space，DIFS)。如果无线信道正忙于另一STA的数据帧传输，则正在侦听的STA等待，直到信道在DIFS时间段内保持空闲。例如，在传输数据帧110之后，STA1在试图在信道上传输第二数据帧之前等待一个DIFS时间段，在这期间，信道保持空闲。
如果在DIFS期间侦听到信道繁忙，等待DIFS之后，STA在试图传输另一帧之前还等待一个“退避”(“backoff”)时间段。这可以通过退避计时器实施，该退避计时器在检测到信道空闲之后每次降低一个时间单位，直到退避计时器到达零。在退避时间内，每当侦听到信道繁忙时就暂停计时器。例如，当信道空闲一个DIFS时，STA1启动退避计时器。换言之，STA1延迟(defer)启动退避计时器，直到来自STA3的帧120传输完毕。启动退避计时器之后，当STA4在信道上传输新的数据帧130时，STA1在退避时间内暂停计时器。当信道再次空闲一个DIFS时间段时，STA重启计时器以继续减少剩余的退避时间。例如，STA1在数据帧130被传输之后继续减少退避时间，但是当在信道上检测到来自STA2的另一数据帧140时再次暂停计时器，并且从完成数据帧140传输开始的一个DIFS时间段之后恢复计时器。当退避计时器到达零时，若信道空闲，STA开始传输数据帧。例如，在剩余退避时间到达零并且在信道上没有检测到其它数据帧之后，STA1传输另一数据帧150。
图2示出了根据IEEE 802.11的网络链路关联和认证过程200。该过程在STA210和AP220之间，例如在移动设备和WiFi调制解调器之间，建立。STA210首先发送探测请求(probe request)201，其可以由AP220拦截。当STA210从AP220接收到探测响应(proberesponse)202时向AP220发送认证请求(authentication request)203。AP220随后对STA210进行认证或将该请求转发给认证服务器(未示出)，并将认证响应(authenticationresponse)204发回给STA210。完成认证之后，STA210可以经由关联请求205和响应206消息交换通过与AP220的握手(handshaking)过程发起网络关联。在某些场景中，如果必要信息在来自AP220的信标(beacon)中广播并由STA210接收/解码，则关联过程200可以跳过探测请求201/响应202的交换过程。
在实际网络场景中，当大量设备试图以突发方式(例如，在大约同一时间内)进行网络关联时，由于网络容量有限，例如对共享信道的竞争，并不是所有流都可以在某个时间间隔内成功与AP关联。在这类情况下，确保较高优先级设备可以首先与AP关联是很重要的。在此，提供用于实现基于QoS感知的网络关联的系统和方法，例如，为WiFi系统中承载不同类型的应用的STA提供差异化服务。术语“关联”用来指示STA与AP的发起(initiation)和认证(authentication)，以访问WiFi网络并开始WiFi通信，例如在过程200中。本文使用的术语“关联”还包括类似动作，例如STA与AP的重新关联，或STA在AP之间或网络之间的切换。下文所描述的以及应用于这类关联动作的实施例方法和方案还可以类似地用于其它合适功能，例如紧急信令。
802.11网络可包括具有不同应用的不同类型的STA。例如，某些STA可包括传感器设备，例如，温度传感器、烟雾传感器和/或电表，而其它STA可包括卸载设备(offloadingdevice)，例如，智能手机、手提式电脑和/或平板电脑。传感器设备可以被设计用于某些具有相对高QoS要求的应用。例如，智能电表记录消耗的电能并定期发送记录的数据。然而，当智能电表检测到停电时，电表需要(向AP或网络)发送“最后时刻”(“last gasp”)消息以尽快通知经销商。卸载设备可以使用具有不同QoS要求的不同应用。例如，从蜂窝网络切换到WiFi网络的电话呼叫要求最小的(预定义的)切换时延以确保呼叫质量，而文件传输或软件更新可以容忍相对长的时延。由于802.11系统(例如，在共享信道上)具有竞争性质(contention nature)，当大量STA需要与AP关联并且并不是所有请求都可以在相对短的时间间隔内得到满足时，需要提供差异化服务质量关联来保证具有关键应用(例如，具有较高优先级QoS要求)的STA可以快速关联。
在实施例中，通过向每个WiFi设备分配关联优先级类别来实现系统和方法以提供基于QoS的关联。本实施例的系统包括将STA归类为N类关联优先级。例如，可以考虑四类关联优先级，包括第一类，表示要求快速关联的设备，例如(AP之间或蜂窝网络和WiFi网络之间的)切换过程中的电话或承载关键消息的传感器设备，关键消息例如为“last gasp”通知或气体泄漏警报。这些类别还可以包括第二类，表示具有实时交互业务的设备，实时交互业务例如为用于电子支付的业务。第三类表示可以容忍相对较长的关联时延的设备，例如发送/接收电子邮件的智能手机或传送定期(非紧急)数据报表的传感器设备。第四类可表示具有尽力而为业务的其它设备，尽力而为业务无时延要求。可以通过设备上运行或承载的应用来确定优先级类别。如果设备承载多种类型的应用，那么可以通过这些应用的最高优先级确定优先级。另外，当应用改变时，例如当设备的语音呼叫终止时，设备优先级基于设备的当前应用相应地更新。或者，基于STA类型或订户(subscriber)优先级，或随机数发生器(random number generator)将STA归类为不同类别。不同的STA类型或订户优先级具有不同的关联优先级。还可以基于上述因素的任意组合按不同的权重将STA归类为不同的关联优先级类别。例如，应用可以被给予比STA类型或订户优先级更高的权重。
不同实施例的方法可以用于分类STA。例如，系统的AP可以配置STA的关联优先级。或者，系统的STA可以基于以上所述的该STA的应用、设备类型、订户优先级或设备生成的随机数选择关联优先级。例如，较高优先级订户可以具有较高的关联优先级。
在一个实施例的方法中，最小等待时长，表示为t_n，分配给第n类(class n)关联优先级的每个STA，其中n为指示关联优先级类别的整数，例如，共4类关联优先级，n＝0、1、2或3。第n类关联优先级的STA在着手或试图与AP关联(例如，如果共享信道空闲)之前至少等待t_n。针对4类关联优先级，例如，分配四种最小等待时长，使得t_0<t_1<t_2<t_3，其中为第0类关联优先级预留第一时间段[t_0,t_1]。这意味着在该时间段内只有第一或最高关联优先级类别的STA可以与AP关联。在后续时间段[t_1,t_2]内，第0类和第1类关联优先级(第二高关联优先级类别)的STA可以与AP关联。同样地，在后续时间段[t_2,t_3]内，第0、1和2类关联优先级的STA可以与AP关联，并且t_3之后所有STA均可关联。计时器t_n可位于STA的MAC层并且不必依赖于物理时间的正确性。为了促进快速关联，等待时长t_0可以设为0，这样第0类关联优先级的STA可以立即着手与AP关联。
等待时长t_1、t_2和t_3可以是预定的系统参数，可以由AP确定，或由运营商或应用配置。这些参数可以由AP广播或单播至STA。当参数由AP确定时，AP可以根据估计的网络状况或条件调整参数t_n，并且在信标帧(beacon frame)或其它信元(informationelement，IE)中广播每个关联优先级类别的t_n。第n类关联优先级的STA可以进入休眠并在对应的时长t_n之后唤醒。STA随后可基于CSMA/CA机制启动网络关联过程，例如，方案100。如上所述，在时间段[t_n-1,t_n](n>1)内，一个或多个类关联优先级的STA可竞争关联。在其它实施例中，STA可以使用具有不同任意帧间间隔(arbitrary inter-frame space，AIFS)和竞争窗口(CW)的增强型分布式信道接入(enhanced distributed channelaccess，EDCA)机制来代替CSMA/CA，以进一步改进差异化关联服务。
在另一实施例的方法中，差异化退避窗口(differentiated backoff window)用于实现基于QoS感知的网络关联。具体而言，每类关联优先级都与一个退避时间窗口(表示为W_n)关联。例如，对于n＝4个关联优先级类别，分配4个退避时间窗口，使得W_0<W_1<W_2<W_3。参数W_n可以是预先确定的系统参数，或通过某些广播消息，例如信标或任意其它IE，由AP确定。第n类关联优先级的STA可以从窗口W_n中随机选择时间t_n，例如，0≦t_n≦W_n，或t_n∈[0,W_n]。STA随后进入休眠并在t_n之后唤醒。这样，可以实现不同类别的统计优先级。换言之，较高优先级类别的STA与AP关联的可能性较大，并且比其它类别的STA的关联速度更快。为了进一步提高可能性并提供更严格的优先级关联，可以使用不同的随机窗口分配方案。例如，第n(n≧1)类关联优先级的STA也可以从[W_n-1,W_n](n≧1)中选择t_n，第0类关联优先级的STA从[0,W_0](n＝0)中选择t_0。这样，关联优先级低的STA不太可能在关联优先级高的STA之前进行传输。唤醒之后，STA可以基于CSMA/CA或EDCA发起网络关联过程。
在WiFi系统中，STA可以用于承载各种类型的业务，而且业务自身可以容忍各种时延(等待时间)值。因此，关联优先级，例如上述实施例方法中的关联优先级，可以通过来自应用层的请求动态改变或通过在MAC层检测缓存的业务类型而动态改变。例如，如果MAC层检测到缓存了语音业务包(用于语音通信)，则MAC层可以相应地将初始较低的关联优先级(用于正常业务)更新到较高的关联优先级。同样地，如果检测到低优先级业务，则MAC层可以相应地降低关联优先级。
在另一实施例中，关联优先级基于AP提供的信息而动态改变。考虑到业务的不断变化的特性，AP可以通过发送当前STA优先级和新分配的优先级之间的重映射(re-map)而覆盖STA关联优先级。AP可以在不同的时间里通知一个或多个类关联优先级的STA进行关联。在不同的实施例中，使用优先级的伪随机改变，其中STA使用某个随机数发生器来改变它的关联优先级。例如，STA生成一个随机数以决定它的关联优先级，或生成一个随机数并将这个数与阀值(例如，由运营商或AP提供)进行比较，如果生成的随机数大于该阀值，STA则决定提高或降低关联优先级。
在一个实施例的系统中，无线网络包括在相同或不同信道中运行的多个AP，其中每个AP接受其它AP的一个或多个不同关联优先级。例如，第一AP接受具有关联优先级0和1的请求，而第二AP只接受具有关联优先级2、3、4等的设备的请求。该方法可以提供AP特征(例如等待时间/吞吐量)与传入关联请求之间的更好的匹配。
图3所示为一个实施例的方法300，以通过向每个WiFi设备分配关联优先级类别提供基于QoS的关联。在步骤310，方法300根据以上所述的业务类型、设备类型、订户类型或随机数发生器确定STA的关联优先级类别。在步骤320，STA在对应于确定的关联优先级类别的时间段内进入休眠。例如，STA在分配给第n类关联优先级的最小等待时长t_n或随机时间t_n(随机地从第n类的STA的退避时间窗口W_n中选择)内进入休眠模式。在步骤330，时间段结束后，例如使用CSMA/CA或EDCE过程开始在共享信道上将STA与AP关联。
图4所示为可用于实施各种实施例的处理系统400的方框图。特定设备或UE可以利用所示的所有部件，或仅部件的子集，且集成水平随设备而异。此外，设备可以包含部件的多个实例，如多个处理单元、处理器、存储器、发射器、接收器等等。处理系统400可以包括配备有一个或多个输入/输出设备的处理单元401，所述输入/输出设备例如为扬声器、麦克风、鼠标、触摸屏、小键盘(keypad)、键盘、打印机、显示器等等。处理单元401可包括中央处理单元(CPU)410、存储器420、大容量存储设备430、视频适配器440，以及连接到总线的输入/输出(I/O)接口460。所述总线可以为任何类型的若干总线架构中的一个或多个，包括存储总线或者存储控制器、外围总线以及视频总线等等。
所述CPU410可包括任意类型的电子数据处理器。存储器420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。在一个实施例中，存储器420可包括在开机时使用的ROM以及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420是非瞬时的。大容量存储器设备430可包括任意类型的存储设备，其用于存储数据、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。大容量存储器设备430可包括如下项中的一种或多种：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440和I/O接口460提供接口以将外部输入输出设备连接到处理单元。如图所示，输入输出设备的示例包括连接至视频适配器440的显示器490和连接至I/O接口460的鼠标/键盘/打印机470的任意组合。其它设备可以连接至处理单元401，可以利用更多或更少的接口卡。例如，可使用串行接口卡(未示出)将串行接口提供给打印机。
处理单元401还包括一个或多个网络接口450，网络接口450可包括例如以太网电缆等有线链路，和/或到接入节点或者一个或多个网络480的无线链路。网络接口450允许处理单元401通过网络480与远程单元通信。例如，网络接口450可以通过一个或多个发射器/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401接入局域网或广域网以进行数据处理并与远程设备进行通信，远程设备例如可以为其它处理单元、因特网、远程存储设施等等。
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但此描述并不旨在限制本发明。参考该描述，对这些示例性实施例所做的各种修改和组合，以及本发明的其它实施例，对于本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，所附权利要求书旨在涵盖任何此类修改或实施例。

Claims (20)

1.一种在WiFi网络中提供差异化关联的方法，其特征在于，所述方法包括：
将不同关联优先级类别分配给共享所述WiFi网络的信道的多个通信台STA，其中关联优先级类别较高的所述STA在共享信道上开始与接入点AP关联之前等待较短时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关联优先级类别由所述AP或所述WiFi网络分配并且通知给所述STA。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：根据所述不同的关联优先级类别为所述STA分配不同的最小等待时间或不同的时间间隔，其中分配有较高关联优先级类别的所述STA具有较短的最小等待时间或较早的时间间隔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：根据所述不同的关联优先级类别为所述STA分配不同的退避时间窗口，其中分配有较高关联优先级类别的所述STA具有较小的退避时间窗口。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据每个STA上承载的业务类型或最高优先级应用为所述STA确定所述关联优先级类别；或者，
根据STA类型或订户优先级为所述STA确定所述关联优先级类别；或者，
所述关联优先级类别由随机数发生器确定；或者，
根据业务类型、STA类型或订户优先级，以及生成的随机数的加权总和为所述STA确定所述关联优先级类别。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关联优先级类别包括：具有最高关联优先级的第一类，用于需要快速关联的STA；第二类，用于具有实时交互业务的STA；第三类，用于容忍较长关联时延的STA；以及第四类，用于具有尽力而为业务的STA。
7.一种在WiFi网络中提供差异化关联的方法，其特征在于，所述方法包括：
接入点AP为通信台STA分配关联优先级类别；
所述AP为所述STA分配时间段，其中，在所述时间段内，具有与所述时间段对应的关联优先级类别的STA允许与所述AP关联；
所述接入点在所述时间段内接收具有与所述时间段对应的关联优先级类别的STA的关联请求。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述AP根据STA上承载的业务类型或最高优先级应用为所述STA确定所述关联优先级类别；或者，
所述AP根据STA类型或订户优先级为所述STA确定所述关联优先级类别；或者，
所述AP根据生成的随机数确定所述关联优先级类别；或者，
所述AP根据业务类型、STA类型或订户优先级，以及生成的随机数的加权总和为所述STA确定所述关联优先级类别。
9.一种在WiFi网络中提供差异化关联的方法，其特征在于，所述方法包括：
通信台STA获取接入点AP分配给所述STA的关联优先级类别；
所述STA获取所述AP分配的时间段，其中，在所述时间段内，具有与所述时间段对应的关联优先级类别的STA允许与所述AP关联；以及
当所述STA具有与所述时间段对应的关联优先级类别时，所述STA在所述时间段内，开始所述STA和所述AP之间的关联过程；或者，
当所述STA不具有与所述时间段对应的关联优先级类别时，所述STA在所述时间段后，开始所述STA和所述AP之间的关联过程。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述关联优先级类别是根据STA上承载的业务类型或最高优先级应用确定的；或者，
所述关联优先级类别是根据STA类型或订户优先级确定的；或者，
所述关联优先级类别是根据随机数确定的；或者，
所述关联优先级类别是根据业务类型、STA类型或订户优先级，以及随机数的加权总和确定的。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在媒体接入控制MAC层检测所述STA的缓冲区中的业务类型的改变；以及
根据所述业务类型的改变发起所述STA的所述关联优先级类别的改变。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括：从所述AP接收所述STA的关联优先级类别的改变。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述STA不具有与所述时间段对应的关联优先级类别时，所述STA在所述时间段内进入休眠模式。
14.一种用于支持WiFi网络中的差异化关联的接入点AP部件，其特征在于，所述网络部件包括：处理器，用于执行计算机可读存储介质中的程序，执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
15.一种用于支持WiFi网络中的差异化关联的接入点AP部件，其特征在于，包括用于执行如权利要求1-8任一项所述的方法中各个步骤的单元。
16.一种用于支持WiFi网络中的差异化关联的装置，其特征在于，包括：处理器，用于执行计算机可读存储介质中的程序，执行如权利要求9-13任一项所述的方法。
17.一种用于支持WiFi网络中的差异化关联的装置，其特征在于，包括用于执行如权利要求1-8任一项所述的方法中各个步骤的单元。
18.一种用于支持WiFi系统中的差异化关联的通信台STA，其特征在于，包括如权利要求16或17所述的装置。
19.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，所述程序被处理器执行时，用于执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
20.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，所述程序被处理器执行时，用于执行如权利要求9-13任一项所述的方法。
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