CN111543110A - 多ap环境中的经协调的频率使用 - Google Patents

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CN111543110A CN201880077622.0A CN201880077622A CN111543110A CN 111543110 A CN111543110 A CN 111543110A CN 201880077622 A CN201880077622 A CN 201880077622A CN 111543110 A CN111543110 A CN 111543110A
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Abstract

用于操作无线网络中的接入点以减少拥塞的系统和方法。接入点可以具有能够广播信标的发送器，该信标指示该接入点在其上传播无线数据的信道。由接入点广播的信道可以针对与第二接入点对该信道的未来协作使用而被优化。

Description

多AP环境中的经协调的频率使用
对相关申请的交叉引用
无。
背景技术
本申请的主题涉及用于在无线网络中选择接入点信道的系统和方法。
接入点(AP)是充当无线与有线网络之间的通信链路的设备。通常，接入点获得该接入点与之建立无线连接的一个或多个客户端(诸如手持设备、膝上型计算机、PC等)，并且将来自有线网络(例如互联网、商业网络等)的信号无线地中继到接入点的客户端，将来自接入点的客户端的信号无线地中继到该有线网络，以及在接入点的客户端之间无线中继信号。
为了操作为接入点的客户端与有线网络之间的管道(conduit)，AP必须首先选择无线信道，AP将与客户端在该信道上进行通信，并且然后AP可以将该信道广播到任何接收器。国家监管机构规定了任何给定区域中的可用RF信道。根据被称为802.11的IEEE规范系列进行操作的无线LAN技术指定了用于在可用信道中使用的协议和技术。例如，在美国，在2.4MHz频带中最多有14个可用的20MHz宽的信道，间隔5MHz(如果使用正交频分复用，则有11个信道)，并且在5GHz频带中有更多可用信道。
AP通常包括自动信道选择，通过该自动信道选择，接入点可以感知其他接入点的存在，并尝试选择将不太可能与其他接入点共享的信道。然而，当多个AP紧邻安装时，这些AP可能必须选择重叠的信道，这会导致接入点之间的争用和/或干扰，从而降低AP所属的(一个或多个)无线网络的性能。例如，测试表明，在这样的情况下，广播效率可能被降低到正常吞吐量的仅20％。
因此，需要改进的系统和方法以用于彼此接近的AP组之间的信道分派。
附图说明
为了更好地理解本发明，并示出如何实现本发明，现在将以举例的方式参考附图，其中：
图1A示出了具有若干接入点的第一系统，这些接入点的范围彼此重叠。
图1B示出了在理想信道条件下图1A的接入点的示例性信道分配。
图1C示出了在非理想信道条件下图1A的接入点的第二示例性信道分配。
图2A示出了具有若干接入点的第二系统，这些接入点的范围彼此重叠，其中至少两个接入点共享宽信道。
图2B示出了图2A的系统的示例性信道分配。
图3示出了使用中央控制器实现的图2A的系统。
图4示出了由图3的中央控制器使用的示例性方法。
图5示出了实现图2A的系统的接入点的ad-hoc网络。
图6示出了由图5的系统的接入点使用的示例性方法。
具体实施方式
如前所述，无线网络中的拥塞是一个普遍的问题，特别是在彼此接近的多个接入点在彼此重叠的相应频带中广播信号的情况下。例如，图1A示出了包括三个接入点12、14和16的无线网络10，其中每个接入点在与其他接入点的传输区域重叠的传输区域上广播。通常，接入点12、14和16中的每个接入点将需要选择它将在其内路由传输的信道，并通过信标将其选择的传输信道广播给其潜在的客户端设备。客户端设备可以包括但不限于个人计算机、膝上型计算机、手机、物联网(IoT)设备等。信道的宽度可能取决于相应的AP操作的频率；在2.4GHz频带中，以由适用的管辖区设置的若干标准化频率中的选择的一个标准化频率为中心(称为中心频率)，AP可以选择20MHz或40MHz宽的信道。在5GHz频带中，再次以若干标准化频率中的选择的一个标准化频率为中心，AP可以选择20MHz、40MHz、80MHz、160MHz或80+80MHz(两个不连续的信道，每个80MHz的宽度)的信道宽度。在图1A的示例中，每个AP12、14和16在80MHz信道上操作。
为了选择它们的相应的操作信道，每个AP 12、14和16实时或通过计算较早消息的结束来监听它有兴趣在其上进行通信的一个或多个信道，并尝试占用该信道，从而与也想要占用该信道的任何其他设备争用。图1B示出了一种理想情况，其中每个AP 12、14和16能够选择5GHz频带中的独有信道而不重叠到彼此的信道中，即AP 12选择80MHz信道13，AP 14选择80MHz信道15，AP 16选择80MHz信道17。然而，仅在没有动态频率选择(DFS)干扰的情况下，此理想情况才会存在。图1C示出了这样的干扰存在的情况，并且AP 14必须迁移到与AP12或AP 16或两者的信道重叠的信道。AP 14内的智能算法可能试图使用不同优先级主信道(primary channel)或寻找使用最少的频带，但是在任何情况下，AP 12和AP 16中的任一个或两者将受到争用时间增加或信道大小减少的影响。
尽管在图1A-1C所示的示例中每个AP 12、14和16使用5GHz频带，相同的约束至少以相同的效果适用于2.4GHz频带(由于其最宽的信道是40MHz)。此外，在接入点占用80MHz信道但是例如稍后连接到该接入点的客户端设备仅需要20MHz的情况下，接入点之间的信道冲突可能会进一步加剧。
参照图2A和2B，改进的无线网络20可以包括AP 22、AP 24和AP 26。像图1A的无线网络10一样，在5GHz频带内，AP 20、22和24每个单独地期望80MHz信道，客户端设备的通信在该信道上被中继。然而，与无线网络10不同，AP 22、24和26不是简单地监听AP期望占用的(一个或多个)信道并在机会出现时占用期望宽度的可用信道，而是在AP 22、24和26自身之间直接或间接地通信以确定每个AP在其信标上广播的信道的宽度以及这些信道的位置和由相应的AP 22、24和26使用的主信道的位置。换句话说，每个AP 22、24和26可以使用从该AP附近的其他AP直接或间接接收到的信息来选择性地选择信道的位置、宽度和其他特性，在该信道上该AP向该AP的客户端、从该AP的客户端和在该AP的客户端之间传送数据，并且优选地，使得AP中的至少两个AP协调以共享更宽的160MHz信道23。
例如，如图2B所示，AP 22的通信23a可以在从信道36开始的160MHz信道上发送，而AP 24的通信23b也可以在从信道36开始的160MHz信道上发送。在共享的信道23内，例如，AP22可以将信道36作为其20MHz的主信道来通告，而AP 24可以将信道52作为其20MHz的主信道来通告，但是本领域的普通技术人员将理解，较大的160MHz信道内的其他20MHz频带可以被选择为共享该较大信道的AP的主信道。相反，AP 26可以在AP 26自己的从信道149处开始的专用80MHz信道上发送其通信25a。
本领域普通技术人员将理解，尽管AP 22、24和26在5GHz频带中发送，但是这些AP也可以在2.4GHz频带中以较小的频率宽度进行发送。类似地，在一些无线网络中，对于不同数量的AP共享较宽的频带可能是最有益的。例如，四个AP可以共享一个160MHz信道，而两个AP共享一个40MHz信道，所有都在5GHz频带内。
除了协作以分配AP 22、24和26在其上进行通信的信道的位置、宽度和其他属性外，AP 22、24和26还可以各自使用从其他AP直接或间接接收到的信息，在每个AP的客户端之间划分带宽或者通过在AP及其客户端之间协作以分配资源单元(RU)来以其他方式管理网络流量。资源单元(RU)可以被定义为无线网络中的信道内的带宽的最小细分。因此，例如，信道23可以细分为RU，并且每个AP可以指示特定的客户端设备使用特定的RU，使得这些设备仅使用较大的160MHz信道中的5MHz，以便促进共享该较大信道的另一个AP的传输。此外，传统设备可能被指示AP正在使用较大的160MHz信道内的特定的20MHz频带，而该AP将剩余带宽的RU用于非传统客户端设备。
因此，如容易理解的那样，共享较大的信道(诸如图2A的信道23)允许网络带宽的更有效的使用；如果AP 22的客户端设备可以支持160MHz宽的传输，则AP 22可以在AP 24不发送数据的期间为该传输临时保留信道的整个带宽。类似地，如果AP 22和AP 24两者都在活动地进行发送，则160MHz信道的一些部分可以被分派给AP 22，并且剩余的非重叠部分被分派给AP 24。此分派可以基于同时分析的与AP 22和AP 24的客户端的传输行为有关的统计数据来动态地调整。
图2A的无线网络20可以在多个体系结构或系统中的任何一个中实现。例如，参考图3，系统30可以包括与多个AP 34、36和38中的每个AP进行通信的中央控制器32。每个AP34、36和38托管来自其自己的客户端设备的通信。例如，AP 34托管来自客户端设备40的通信，AP 36托管来自客户端设备42的通信，而AP 38托管来自一个或多个客户端设备44的通信。每个AP可以包括发送器和接收器，以选择性地向和从该AP的客户端设备、控制器32和/或其他AP发送和接收数据。在一些实施例中，单个收发器可以作为发送器和接收器两者操作。
控制器32还可以包括发送器和接收器，以选择性地向和从AP 34、36和38(以及在一些实施例中，它们的客户端设备)发送数据和接收数据。在一些实施例中，单个收发器可以作为发送器和接收器操作。控制器32可以选择性地从AP 34、36和38中的每个AP接收信息，并使用该信息来初始地向相应的AP分配信道，这可能涉及向AP 34、36和38中的每个AP分配独有的信道，但是在一些情况下，可能包括如先前所述地那样向多个AP分配共享的较大的信道，和/或可能包括以其他方式重叠的信道分配。另外，控制器32可以监视和累积关于AP 34、36和38和/或由这样的AP托管的客户端设备的行为的统计信息，在一些实施例中，AP 34、36和38还可以传送关于它们单独检测到的但不是由控制器32控制的网络30的一部分的其他AP的信息。例如，图3中的AP 36可以检测AP 46(该AP 46托管其自己的一个或多个客户端设备48)并且可以将该AP的存在以及AP 36可以检测到的与AP 46有关的任何其他信息传送给控制器32。控制器32继而可以在分配信道等时使用该信息，以免对AP 46的性能产生不利影响。
图4示出了控制器32用来控制无线网络30的示例性方法50。在步骤52中，控制器32累积关于范围内的AP(例如，图3的AP 34、36和38)以及每个AP相应地托管的站台(station)的信息，以及关于不在控制器范围中但在发送到控制器的AP范围中的AP的任何可用信息，发送到控制器的AP可以将这样的信息中继到控制器32。每个AP可以利用控制器的AP组的成员所周知的URL来进行通信，该URL将允许控制器(直接或间接)知晓新AP。可替代地，控制器32可以通告其自己的URL，并且范围内的每个AP可以被配置为使用该URL来发起与控制器32的通信。在一个实施例中，URL可以在控制器的信标内被广播。随着每个AP获得和/或丢失客户端设备，此信息可以在更新消息中被传送或中继到控制器32，从而允许控制器监视由客户端设备的集合生成的后台负载。
在步骤54中，控制器32检查来自每个AP的当前信道状态。在一些实施例中，每个AP34、36、38等可能能够跨所有支持的频带扫描其他AP的信标，并且能够报告这样的经编译的信息(例如，检测到的AP的功率电平等)，使得控制器32编译关于可能受该控制器32对网络30的控制的影响的AP的尽可能完整的信息。这些AP可能还能够报告它们当前占用的(一个或多个)频带的使用或拥塞程度以及其他频带的使用或拥塞程度。
在步骤56中，控制器32为与控制器32直接通信的AP(例如，AP 34、36和38)选择初始信道分配，包括用于每个AP的20MHz的主信道的分配。优选地，所选择的信道分配使AP之间的重叠信道最小化。尽管主信道被允许重叠，但是非重叠的主信道允许不能被控制器32控制的传统AP以最小化的争用进行广播，因为它们将简单地保留在它们所加入的20MHz主信道上。如果传统AP在其信标上广播大于20MHz的信道，则其峰值吞吐量将更高，但考虑到传统设备的每个传输机会的全有或全无(all-or-nothing)性质，其总体吞吐量可能由于与其他AP的争用而更低。
在步骤58中，控制器32跟踪与控制器32直接或间接通信的AP(例如，AP 34、36、38和48)的行为。这样的行为可以包括但不限于平均数据吞吐量、峰值数据吞吐量和客户端能力。每个AP可以向控制器32报告在它们与客户端设备交互时其客户端设备的行为。如果客户端设备可以执行邻居报告功能，则在一些实施例中，该信息可以由控制器32使用以确定信道内的哪些RU可以被分派给客户端设备以便使争用最小化。
在步骤59中，控制器使用新的信道/RU分配来更新与控制器直接通信的每个AP，以在预定的未来时间段内并根据一个或多个预定义的标准来优化由AP共享的频带的使用。在一些实施例中，控制器通过假设客户端设备的当前行为将持续至少几秒钟来预测客户端设备和/或AP的未来行为，并基于该预测的行为来选择信道/RU分配的最佳组合。在各种实施例中可以用来确定“最佳”分派的一些因素包括：上一个测量间隔中每个客户端发送的平均字节、上一个测量间隔中每个客户端的平均MCS(调制和编码方案)、每个AP内的队列深度以及对任何客户端的服务质量承诺。优化算法可以通过最小化每个AP上的队列深度来进行优化以得到最小延迟。可替代地，优化算法可以通过支持具有最佳平均MCS的AP/客户端传输来进行优化以得到最大信道吞吐量。本领域技术人员将想到其他信道使用优化方法，并且这些方法可以在此体系结构中被使用。
在一些实施例中，如果控制器与之直接通信的每个AP不能占用其自己的独有信道，则在初始或更新的信道分配中，控制器32可以选择性地分配两个或更多个AP以共享较大的信道，如前面所述的。控制器32可以使用从AP/客户端设备收集的统计数据来进行这样的分配。例如，AP的Netflix或其他流媒体客户端将倾向于周期性地接收大数据突发并且具有静默期，而AP的游戏客户端可能会具有频繁的小量数据的突发。此行为应当被反映在由控制器32收集的统计信息中，该控制器32可以选择让服务这些客户端的两个AP瓜分较大的信道，从而在该较大的信道内为游戏客户端分配较小的RU以容纳频繁的小数据突发，而Netflix客户端可以使用该较大的信道的剩余部分以在它需要接收大突发的零星时段期间最大化其吞吐量。
类似地，控制器32可以尝试在频率和时间上分派足够的RU以允许低延迟客户端设备和高带宽客户端设备两者都达到其带宽需求。然而，有时将没有足够的带宽来同时容纳所有客户端设备，并且控制器32将必须尽可能公平地划分RU，这将拥塞的影响散布到所有AP。
图5示出了AP的ad-hoc网络60在其中实现图2的无线网络20的替代体系结构或系统。具体地，ad-hoc网络60可以包括AP 62、64和66，每个AP彼此通信以累积关于彼此及其相应的客户端的信息，并基于该信息来协作选择要在其相应的信标上广播的信道(和主信道)，并在信道内协作地分派RU等。每个AP优选地包括发送器和接收器，以选择性地向和从该AP的客户端设备、控制器和/或其他AP发送和接收数据。在一些实施例中，单个收发器可以作为发送器和接收器二者操作。每个AP 62、64和66不仅可以在其相应的信标中广播关于该AP在其之上进行通信的信道的信息，而且可以广播标识符，该标识符指示该AP在协作地分配信道和信道内的RU时与其他AP进行协调的能力。
图6示出了每个AP 62、64、66用于在无线网络60内操作的示例性方法70。在步骤72中，每个AP扫描该AP能够在其上进行广播的每个信道的当前状态。在步骤74中，每个AP还检测范围内的其他AP的信标以及那些AP是否通告协作的能力。
在步骤76中，每个AP 62、64、66协作地选择初始信道分配以最小化重叠，如果可能的话，具有独有的主信道分配。如果没有其他AP通告协作的能力，则AP可以根据若干已知算法中的任何一个算法来选择具有最低利用率的频带。如果存在能够协作的其他AP，则AP可以确定是否存在未使用的频带，并且如果存在则将其选择为初始信道分配。如果不存在未使用的频带，则AP可以选择由另一进行协作的AP使用并且具有最低利用率的频带，然后，AP可以选择所选择的频带内的任何可用的非重叠的主信道。
在步骤78中，每个AP联系进行协作的重叠的AP，并且针对下一个顺序的即将到来的传输周期对资源使用进行预投标(pre-bid)，直到达成一致。在一个实施例中，在最初选择随机RU的情况下，每个AP对下一个顺序传输周期所需的最小资源进行投标。如果被投标的RU没有在冲突中，则投标被接受并使用开始。如果对RU的投标重叠，则(一个或多个)最后的投标者撤回其投标，并对未使用的RU提交新投标。如果没有未使用的RU，则失败的AP减小其投标计时器并在下一个顺序传输周期中更早地投标，从而增加其对所需数量的RU成功投标的可能性。该方法减少了总体延迟，因为投标过程不是实时发生的，而是在当前传输周期正在进行时在后台进行的。然而，本领域普通技术人员将理解，其他争用算法也是可行的。AP之间的通信信道可以是无线的，但是优选地可以利用AP的有线连接返回到更大的广域网。由所有AP发送的信标可以被用于广播关于协调点和安全配置的信息。
在步骤80中，每个进行协作的AP分析其自己的客户端的行为以预测未来的资源需求，这在一些情况下(诸如繁忙的信道使用)可能涉及分析队列中供传输的数据。在队列中没有流量的情况下，进行协作的AP可以分析客户端行为以识别可预测的模式，这些模式可能会在从小于一秒到多达20秒的时间段上重复。在步骤82中，每个AP使用新的资源分派，并且然后过程返回到步骤72。
在一些实施例中，两个或更多个进行协作的AP可以使用对每个AP的客户端的行为的分析以来协调共享如前所述的较宽的频带，该分析可以在进行协作的AP之间被传送。因此，在这样的情况下，进行协作的AP可以更新其信标上的相应的信道广播以反映这样的共享的较宽信道。
本领域普通技术人员将理解，尽管图3-6中所示并且在说明书中描述的系统示出了使用三个进行协作的AP的公开实施例，但是此数量仅是示例性的，并且其他网络(ad-hoc或使用控制器)可以包括任何数量的进行协作的AP。本领域普通技术人员还将理解，用于实现图2A的系统的其他体系结构也是可能的，包括例如ad-hoc网络，其中AP中的一个AP充当无线网络中其他AP的主控制器，等等。
应当理解，本发明不限于已经描述的特定实施例，并且可以在不脱离如所附权利要求书所定义的本发明的范围的情况下在其中做出变化，如根据现行法律的原理所解释，包括等同原则或将权利要求的可执行范围扩大到其字面范围之外的任何其他原则。除非上下文另有说明，否则在权利要求中对元素实例的数量的引用(无论是对一个实例还是一个以上实例的引用)至少需要所述数量的元素实例，但不旨在从权利要求的范围中排除具有比所述的该元素实例更多的元素实例的结构或方法。当在权利要求中使用时，词语“包括”或其派生词以非排他性意义使用，其不旨在排除其他元件或步骤在要求保护的结构或方法中的存在。

Claims (20)

1.一种用于无线网络的控制器，所述控制器包括：
能够与至少一个接入点通信的通信接口；
存储器，能够存储从所述至少一个接入点传送的无线性能数据；以及
处理器，能够使用所述无线性能数据来为所述至少一个接入点中的相应接入点确定长期信道分配和所述长期信道分配内的短期资源单元分配；
其中，所述通信接口能够向所述至少一个接入点提供所述长期信道分配和所述短期资源单元分配。
2.如权利要求1所述的控制器，其中，所述无线性能数据包括无线信道占用数据和无线客户端性能数据，并且其中，所述处理器使用所述无线信道占用数据来确定所述长期信道分配，并且使用所述无线客户端性能数据来确定所述短期资源单元分配。
3.如权利要求1所述的控制器，其中，所述处理器能够使用分别从多个接入点接收到的所述无线性能数据来为所述多个接入点中的每个接入点来确定用于每个接入点的长期信道分配和用于每个接入点的短期资源单元分配，其优化共享的无线网络资源的性能。
4.如权利要求3所述的控制器，其中，所述控制器能够针对延迟、吞吐量和基于规则的质量或服务参数中的至少一者来优化任何共享的无线网络资源的性能。
5.一种分派由第一接入点和第二接入点共享的信道的带宽的方法，所述第一接入点和所述第二接入点中的每一者在无线网络中通告所述共享的信道，所述方法包括：
收集数据，所述数据包括使用所述共享的信道的至少一部分的至少一个客户端的行为的报告；以及
使用所收集的数据并以在预定的未来时间间隔内优化所述共享的信道的使用的方式，分派所述共享的信道的带宽。
6.如权利要求5所述的方法，其中，分派所述共享的信道的带宽的步骤将所述共享的信道的带宽的至少一部分分发给所述第一接入点。
7.如权利要求5所述的方法，其中，分派所述共享的信道的带宽的步骤设置所述共享的信道的尺寸。
8.如权利要求5所述的方法，包括以下步骤：通过观察不是所述无线网络的一部分的至少一个接入点来收集数据，以及使用从不是所述无线网络的一部分的所述至少一个接入点收集的该数据为所述第一接入点和所述第二接入点中的至少一个接入点选择主信道和资源单元中的至少一者。
9.如权利要求5所述的方法，所述方法是在接入点的ad-hoc网络中执行的。
10.如权利要求5所述的方法，所述方法是由控制所述多个接入点的控制器执行的。
11.一种用于无线网络的接入点，所述接入点包括：
能够广播信标的发送器，所述信标指示所述接入点在其上传播无线数据的信道；
其中，所述接入点广播的所述信道具有使用从所述无线网络中的至少一个其他接入点接收的数据而选择的宽度，以优化与第二接入点对所述信道的未来协作使用。
12.如权利要求11所述的接入点，包括能够接收关于所述无线网络中的其他接入点的所述数据的接收器。
13.如权利要求12所述的接入点，其中，所述接入点使用接收的所述数据来选择所述宽度。
14.如权利要求11所述的接入点，其中，所述宽度是由所述接入点的控制器选择的，并且其中，所述宽度是使用关于所述无线网络中的其他接入点的数据来选择的。
15.如权利要求11所述的接入点，其中，所述接入点和所述第二接入点在整个所述宽度上协作地共享对所述信道的使用。
16.一种用于无线网络的控制器，所述控制器包括：
接收器，能够从所述无线网络中的多个接入点接收数据；以及
发送器，能够使用接收的所述数据来选择由所述多个接入点中的接入点的信标广播的信道的宽度，以优化与所述多个接入点中的第二接入点对所述信道的未来协作使用。
17.如权利要求16所述的控制器，其中，所述控制器为所述多个接入点中的至少一个接入点选择主信道，使得该接入点的传统客户端被分配与非传统客户端的主信道隔离的主信道和与非传统设备的资源单元隔离的资源单元中的至少一者。
18.如权利要求16所述的控制器，其中，所述控制器选择要由所述多个接入点中的至少一个接入点的客户端使用的资源单元。
19.如权利要求16所述的控制器，其中，所述多个接入点中的所述第一接入点和所述第二接入点在整个所述宽度上协作地共享对所述信道的使用。
20.如权利要求16所述的控制器，其中，接收到的所述数据包括关于所述多个接入点的至少一个客户端的信息。
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