CN111263463A - 一种基于业务优先级的IEEE802-11ax QoS信道访问控制方法 - Google Patents

一种基于业务优先级的IEEE802-11ax QoS信道访问控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于业务优先级的IEEE802‑11ax QoS信道访问控制方法，该方法在IEEE802.11ax标准下，基于OFDMA机制，通过RTS帧对所传输的数据分组进行业务优先级标记，并在原有标准802.11MAC协议的基础上引入了新的控制分组，目的节点可以根据网络的实时状态以及业务的优先级别来决定是否接收数据。通过业务数据分组MAC层的重传次数来表示信道竞争激烈的程度，根据信道竞争激烈的程度，低优先级业务有一定的概率被拒绝接受，而高优先级业务则不受信道状态的影响，从而使得高优先级业务能够占用更多的带宽，并且能够降低高优先级业务的时延。

Description

一种基于业务优先级的IEEE802-11ax QoS信道访问控制方法
技术领域
本发明属于WLAN的信道访问控制技术领域，具体涉及一种基于业务优先级的IEEE802-11ax QoS信道访问控制方法。
背景技术
随着移动互联网技术和无线终端设备技术的快速发展，全网的数据消费量大大增加。无线局域网作为一种成本较低、具有灵活性与移动性的数据传输系统，为用户提供 了更为简单快捷的无线网络接入方式，在近年来迅速占领了无线带宽接入市场。与此同 时无线流量迅猛增长的趋势与多种无线业务层出不穷的现状对WLAN(Wireless Local AreaNetwork，无线局域网)的系统性能提出了更高的要求。为了应对WLAN数据呈爆 炸式增长的趋势，IEEE802.11标准委员会于2014年正式成立了下一代WLAN标准 802.11ax工作组。
与此同时，数据需求的急剧增加使高密集成为了下一代WLAN的主要特点之一。 高密集场景使得冲突更为严重，导致MAC(Media Access Control，媒介接入控制)效率急 剧下降，因此现有的WLAN所采用的多址接入协议-分布式协调功能(DistributedCoordination Function，DCF)已经无法满足高密集的场景。另一方面，无线业务呈现多 样化趋势，这使得业务对服务质量(Quality of Service，QoS)的要求必然也是多种多样， 目前传统的增强型分布式信道接入(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)方式已不能很好地支持QoS多样化的要求。因此，下一代WLAN急需寻求既能显著提升媒介 接入控制(Media Access Control，MAC)效率，又能有效支撑多样化QoS要求的协议。
在下一代WLAN中，通过OFDMA(Orthogonal Frequency Division MultipleAccess， 正交频分多址)技术，整个信道被分成几个子信道，这些子信道由一组正交子载波组成。 OFDMA技术通过提供多用户并行接入网络和并行数据传输的能力，可以降低网络用户 间的冲突概率和协议开销，并提升网络吞吐量。目前分布式的OFDMA多址接入协议主 要关注于如何降低退避开销以及提供并行接入的用户数，部分研究考虑了不同业务接入 优先级的区分，但是仅仅提高了高优先级业务接入信道的概率，提高了高优先级业务的 吞吐量，但是并没有降低高优先级业务的时延，因此无法保障高优先级业务的QoS。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于业务优先级的IEEE802.11ax QoS信道访问控制方法，该方法基于OFDMA机制，在IEEE802.11ax MAC 协议的基础上引入了新的控制分组，目的节点可以根据网络的实时状态以及业务的优先 级别来决定是否接收数据。通过业务数据分组MAC层的重传次数来表示信道竞争激烈 的程度，根据信道竞争激烈的程度，低优先级业务有一定的概率被拒绝接受，而高优先 级业务则不受信道状态的影响，从而使得高优先级业务能够占用更多的带宽，并且能够 降低高优先级业务的时延。
技术方案：为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于业务优先级的IEEE802.11ax QoS信道访问控制方法，包括在RTS帧中新增type字段，在目的节点引入拒绝服务分组N-ACK，对低优先级业务用户数据分组引 入拒绝接收概率，其中：
所述在RTS帧中新增type字段，用于对所传输数据分组进行业务优先级标记，将业务分为高优先级业务和低优先级业务；
所述在目的节点引入拒绝服务分组N-ACK，用于拒绝接收低优先级用户时给源节点的回复，源节点收到N-ACK后，将其竞争窗口加倍，然后进行下一次信道竞争；
所述对低优先级业务用户数据分组引入拒绝接收概率，用于低优先级业务被拒绝接 收的概率，该概率只针对于低优先级业务用户数据分组，和该数据分组的重传次数有关， 数据分组被重传的次数越大，被拒绝接收的概率越大。
具体包括如下步骤：
步骤1：在IEEE802.11ax标准下，源节点发送RTS帧时，对所传输的数据分组进行业务优先级标记
基于业务优先级的IEEE802.11ax QoS信道访问控制方法依据IEEE802.11e标准将用 户分为高优先级业务用户和低优先级业务用户，其中，将语音(voice)业务用户AC_VO和视频(video)业务用户AC_VI定义为高优先级业务用户，将尽力而为(best effort)业务用 户AC_BE和背景(background)业务用户AC_BK定义为低优先级业务用户；
步骤2：在IEEE802.11ax标准下，在目的节点引入拒绝服务分组N-ACK
低优先级业务用户数据分组被拒绝接收则被立刻丢弃，目的节点向源节点发送一个 N-ACK分组；源节点接收到N-ACK分组后，将其竞争窗口加倍，然后进行下一次信道 竞争；
步骤3：在IEEE802.11ax标准下，低优先级业务用户数据分组被拒绝接收的概率
高优先级业务用户数据分组一旦成功占用信道，则成功发送数据；低优先级业务用 户数据分组重复步骤2直至满足条件后成功发送数据或者达到重传次数上限被抛弃；所述概率定义为低优先级用户数据分组被拒绝的概率，用该数据分组的MAC层重传次数 来表示。
进一步的，在IEEE802.11ax标准下，低优先级业务用户数据分组被拒绝接收的概率用该数据分组的MAC层重传次数来表示；MAC层重传次数能够反映当前信道的竞 争激烈程度，数据分组的MAC层重传次数越多，信道竞争越激烈，低优先级业务用户 数据分组被拒绝的概率也就越大。
进一步的，所述方法的步骤1中，在RTS帧中新增一个type字段，用来表示用户 的业务类型，其中，type设置为0时表示高优先级业务用户，设置为1时表示低优先级 业务用户。
进一步的，所述方法的步骤3中，低优先级业务用户数据分组被拒绝接收的概率pr定义如下：
Figure RE-GDA0002430353710000031
其中，L1为低优先级用户数据分组由于冲突或者被拒绝接收的重传次数，Lretry为802.11协议中MAC层的最大重传次数。
有益效果：本发明提出了一种基于业务优先级的IEEE802.11ax QoS信道访问控制方法，该方法在IEEE802.11ax标准下，基于OFDMA机制，通过RTS帧对所传输的数 据分组进行业务优先级标记，同时在目的节点引入新的控制分组，使目的节点可以根据 信道竞争的激烈程度以一定的概率拒绝接收来自低优先级业务用户的数据分组，从而保 证了高优先级业务用户的传输性能，降低了高优先级业务用户的平均时延。
附图说明
图1为OFDMA机制下多用户接入，多用户传输的方案图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为本发明一实施例结构示意图。
具体实施方式
一种基于业务优先级的IEEE802.11ax QoS信道访问控制方法，该方法在IEEE802.11ax标准下，基于OFDMA机制，在源节点传输数据分组前，将用户分为高优 先级业务用户和低优先级业务用户。在目的节点引入拒绝服务分组，目的节点可以根据 网络的实时状态以一定的概率来拒绝接收低优先级业务用户的数据分组。
方法流程：
步骤1：在IEEE802.11ax标准下，源节点发送RTS(Request To Send，请求发送)帧时， 对所传输的数据分组进行业务优先级标记；
(1)基于业务优先级的IEEE802.11ax QoS信道访问控制方法考虑了不同业务优先级 的区分。其中，高优先级业务用户对时延敏感，低优先级业务用户对时延不敏感， 所以高优先级业务用户对QoS的要求高于低优先级业务用户。在IEEE802.11e 标准中定义了4种接入类别，分别是AC_VO、AC_VI、AC_BE、AC_BK，分别 代表语音类、视频类、尽力而为类、背景类。此处将前两个业务定义为高优先级， 将后两个业务定义为低优先级。
(2)其中，高优先级业务用户分组成功占用信道则该分组会成功发送，低优先级业务 用户分组有一定的概率由于被拒绝接收而被丢弃，分组被丢弃后将重传，进行下 一次信道竞争。
步骤2：在IEEE802.11ax标准下，在目的节点引入拒绝服务分组N-ACK；
(1)所述拒绝服务分组N-ACK只针对低优先级业务用户。
(2)低优先级用户数据分组一旦被拒绝接收则被立刻丢弃，此时，目的节点会向源节 点发送一个N-ACK分组。源节点接收到N-ACK分组后，将其竞争窗口加倍， 然后进行下一次信道竞争。
在无线局域网WLAN中，所有站点是一起竞争信道的，因为信道资源有限，但 是站点的数据是很多的，所以会出现多个站点同时竞争信道的情况，如果两个数据 分组一起竞争同一个信道，这样就会发生碰撞，碰撞之后数据就会发送失败，失败 之后数据会重传(重新参与竞争信道)，直到发送成功或者达到重传次数上限被抛弃。 也就是说，高优先级和低优先级用户都可能发送失败(由于碰撞)，但是高优先级业 务如果成功占用信道就一定可以成功发送数据分组。
基于此，本专利定义了下面步骤3提出的低优先级业务被拒绝接收的概率，被 拒绝接收之后就会重传，重新竞争信道。被拒绝接收就是下面定义的拒绝概率，这 个拒绝不是固定的，而是根据当前信道的状态来判定是否拒绝接收低优先级业务。 通过重传次数可以看出，因为信道资源一定，用户越多，越容易碰撞，碰撞之后就 会重传，所以重传次数越多，信道竞争越激烈。
步骤3：在IEEE802.11ax标准下，低优先级业务用户数据分组被拒绝接收的概率；
所述概率定义为低优先级业务用户数据分组被拒绝接收的概率，用pr表示。
上述pr的表达式定义如下：
上述pr的表达式定义如下：
其中，L1为低优先级用户数据分组由于冲突或者被拒绝接收的重传次数，Lretry为802.11协议中MAC层的最大重传次数。pr是L1的单调递增函数，数据分组被重传的次 数越多，信道竞争越激烈，低优先级业务用户数据分组被拒绝的概率也就越大。而高优 先级业务用户则不会被拒绝接收，从而可以保证高优先级业务用户能够占用更多的带 宽，降低高优先级业务用户的时延。
所述概率定义为低优先级用户数据分组被拒绝的概率，用该数据分组的MAC层重传次数来表示。其中，MAC层重传次数能够反映当前信道的竞争激烈程度。数据分组 的MAC层重传次数越多，信道竞争越激烈，低优先级业务用户数据分组被拒绝的概率 也就越大。而高优先级业务用户数据分组则不会被拒绝接收，一旦成功占用信道，则可 以成功发送数据。这样在信道竞争激烈的时候就能保证高优先级业务的接入概率，所以 可以提高高优先级业务的QoS(服务质量)。
实施例
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
其中，pi，c为第i类数据分组发送时产生冲突的概率，pr为低优先级数据分组被拒绝 接收的概率，L1为低优先级分组由于冲突或者被拒绝接收重传次数，Lretry为802.11协议中MAC层的最大重传次数。
对于业务类型i的用户，当退避过程处于稳定状态时，其概率分布为：
bi，j，k＝limt→∞P{s(i，t)＝j，b(i，t)＝k}，(i＝0，1，j∈[0，Lretey]，k∈[0，2jW0-1])，
其中s(i，t)＝j表示t时刻i类业务的重传次数为j，b(i，t)＝k表示t时刻i类业 务随机选取的退避计数器值为k，W0为业务的初始退避窗口值。
根据二维马尔可夫模型可得：
bi，j，0＝pi·bi，j-1，0 0≤j≤Lretry
Figure BDA0002371824750000061
Figure BDA0002371824750000062
其中，pi，b为第i类数据分组在退避阶段检测到信道忙的概率。
用L′表示竞争窗口由最小竞争窗口值到最大竞争窗口值的指数增加过程中最大的 变化次数，竞争窗口增加到最大竞争窗口值后，竞争窗口将保持不变直到被重置为初始竞争窗口值，所以有：
Figure BDA0002371824750000063
其中，W0＝Wmin+1，2L′·W0＝Wmax+1。
其中，Wj为退避计算器第j次重传时的退避窗口值，Wmin是最小竞争窗口，Wmax是 最大竞争窗口。
由上述公式推导，可得：
Figure BDA0002371824750000071
对于整个退避过程来说，各状态的概率和为1，所以有：
Figure BDA0002371824750000072
在单信道情况下，
Figure BDA0002371824750000073
Figure BDA0002371824750000074
Figure BDA0002371824750000075
Figure BDA0002371824750000076
Figure BDA0002371824750000077
ps＝p0，s+p1，s
其中，τi为第i类业务用户在任一时隙下发送的概率，ni为发送属于数据流i的数据分组的节点的个数，pi，s为第i类数据分组成功占用信道的概率。
在多信道情况下，
当网络中存在m个子信道时，在同一时隙中有n个用户分组在不同的子信道上同时占用成功的概率为：
Figure BDA0002371824750000078
其中，
Figure BDA0002371824750000079
是排列组合公式，
Figure BDA00023718247500000710
其中，m！是m的阶乘的意思， m！＝m*(m-1)*(m-2)*...*1，n！和(m-n)！同理可得。
当网络中存在m个子信道时，在同一时隙中有n个用户分组在不同的子信道上同时传输成功的概率为：
Figure BDA0002371824750000081
某个时隙处于空闲状态的概率为：
Figure BDA0002371824750000082
所有用户分组发生冲突的概率为：
Pcon＝(1-ps)m-Pidle
多个低优先级数据分组同时被拒绝接收的概率为：
Figure BDA0002371824750000083
上述概率所对应的传输时间如下：
Tidle＝σ
Tcon＝TRTS+TDIFS+δ
Tsuc(n)＝TDIFS+H+TRTS+TCTS+TDATA(n)+TACK+3·TSIFS+4δ
Tre(n)＝TDIFS+H+TRTS+TCTS+TDATA(n)+TN-ACK+3·TSIFS+4δ
其中，σ表示协议中的slot时间，δ是电磁波传播延迟，H代表物理层头部的传输 时间，TRTS是在子信道上传输RTS帧的时间，TCTS是在子信道上传输CTS帧的时间，TDIFS和TSIFS是协议中规定的DIFS和SIFS的帧间间隔长度，TDATA(n)是当有n个用户成功占 用信道时，DATA的传输时间，TACK是用户成功收到ACK的传输时间，TN-ACK是低优 先级用户收到N-ACK的传输时间。
由上述二维马尔可夫模型可知，网络的饱和吞吐量公式如下所示：
Figure BDA0002371824750000084
其中，E(p)是数据流的平均有效载荷的传输时间，这里假设高优先级业务和低优先 级业务的数据分组大小恒定。
由上述推导可得高优先级业务的饱和吞吐量公式：
Figure BDA0002371824750000091
低优先级业务的饱和吞吐量公式：
Figure BDA0002371824750000092
分组丢弃概率为：
Figure BDA0002371824750000093
饱和时延定义为饱和状态下的平均时延，指的是数据分组两次成功传输之间的时间 间隔。多个子信道同时传输的情况下的某一业务的平均时延可以理解为多个子信道同时 传输的情况下其中一个子信道上某一业务的平均时延。
上述平均时延包括了退避计数器递减至0造成的时延、退避计数器被冻结造成的时 延、数据分组碰撞造成的时延、传输时延、帧间间隔等。
其中，一个数据分组成功发送所经过的平均退避时隙个数计算如下：
Figure BDA0002371824750000094
数据分组在发送过程中退避计数器被冻结的平均次数计算如下：
Figure BDA0002371824750000095
数据分组成功发送所经过的平均重传次数计算如下：
Figure BDA0002371824750000096
定义E(Mi)表示数据分组i在饱和状态下的平均时延，则E(Mi)计算如下：
E(Mi)＝
E(Xi)δ+E(Bi)[Psuc(n)Tsuc(n)+PconTcon+Pre(n)Tre(n)]+(1-Pdrop(i))Tsuc(n)+
E(Li)Tcon
其中，σ表示协议中的slot时间，Psuc(n)Tsuc(n)+PconTcon+Pre(n)Tre(n)表示信道 忙的持续时间，Tsuc(n)表示分组成功传输的时间，Tcon表示分组冲突造成的时延。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于业务优先级的IEEE802-11ax QoS信道访问控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：在IEEE802.11ax标准下，源节点发送RTS帧时，对所传输的数据分组进行业务优先级标记
基于业务优先级的IEEE802.11ax QoS信道访问控制方法依据IEEE802.11e标准将用户分为高优先级业务用户和低优先级业务用户，其中，将语音业务用户AC_VO和视频业务用户AC_VI定义为高优先级业务用户，将尽力而为业务用户AC_BE和背景业务用户AC_BK定义为低优先级业务用户；
步骤2：在IEEE802.11ax标准下，在目的节点引入拒绝服务分组N-ACK
低优先级业务用户数据分组被拒绝接收则被立刻丢弃，目的节点向源节点发送一个N-ACK分组；源节点接收到N-ACK分组后，将其竞争窗口加倍，然后进行下一次信道竞争；
步骤3：在IEEE802.11ax标准下，低优先级业务用户数据分组被拒绝接收的概率
高优先级业务用户数据分组一旦成功占用信道，则成功发送数据；低优先级业务用户数据分组重复步骤2直至满足条件后成功发送数据或者达到重传次数上限被抛弃；所述概率定义为低优先级用户数据分组被拒绝的概率，用该数据分组的MAC层重传次数来表示。
2.根据权利要求1所述的一种基于业务优先级的IEEE802-11ax QoS信道访问控制方法，其特征在于：在IEEE802.11ax标准下，低优先级业务用户数据分组被拒绝接收的概率用该数据分组的MAC层重传次数来表示；MAC层重传次数能够反映当前信道的竞争激烈程度，数据分组的MAC层重传次数越多，信道竞争越激烈，低优先级业务用户数据分组被拒绝的概率也就越大。
3.根据权利要求1所述的一种基于业务优先级的IEEE802-11ax QoS信道访问控制方法，其特征在于：所述方法的步骤1中，在RTS帧中新增一个type字段，用来表示用户的业务类型，其中，type设置为0时表示高优先级业务用户，设置为1时表示低优先级业务用户。
4.根据权利要求1所述的一种基于业务优先级的IEEE802-11ax QoS信道访问控制方法，其特征在于：所述方法的步骤3中，低优先级业务用户数据分组被拒绝接收的概率pr定义如下：
Figure RE-FDA0002430353700000021
其中，L1为低优先级用户数据分组由于冲突或者被拒绝接收的重传次数，Lretry为802.11协议中MAC层的最大重传次数。
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