CN1771746A - 无线网络中服务质量的区分 - Google Patents

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Abstract

一种方法通过在分布式基础上提供对媒体访问控制(MAC)层参数的自适应更新来提供区分的服务质量(QoS)。该方法包括对网络上的传输计算失败概率、根据该失败概率的映射函数确定一用于确定争用窗口的目标值、以及根据该目标值的缩放函数更改该争用窗口。该映射函数和缩放能够提供QoS区分。一种无线设备能够在具有无线时隙的网络中保证公平性，且包括网络接口卡(NIC)、网络驱动器接口、网络监视器、统计引擎和自适应参数引擎，该自适应参数引擎用于根据一个或多个概率的映射函数确定一用于确定争用窗口的目标值，以使能够对该争用窗口进行更改且为MAC层提供新的参数。

Description

无线网络中服务质量的区分
发明领域
本发明一般涉及计算机系统，尤其涉及对计算机系统和计算机设备的服务质量的区分。
发明背景
无线网络正在变得越来越流行。随着无线网络普及度的增长，用户也要求无线网络更广阔的覆盖范围，诸如语音、视频和数据通信支持。随着对无线网络施加更广阔的要求，对区分的服务需要更复杂的机制。例如，需要保证享有较高优先级的用户比优先级较低的用户享有更高的带宽。不幸的是，诸如IEEE 802.11协议等无线局域网(WLAN)协议是为不带有服务质量(QoS)支持的尽力而为(best-effort)的数据通信而设计的。
当前的802.11协议具有一媒体访问控制(MAC)层，它基于具有避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA)协议，提供分布式协调功能(DCF)。根据CSMA/CA协议，分组传输在两个等待周期后发生。首先，信道在称为DCF帧间间隔(DIFS)周期的第一个等待周期内被侦听为空闲的。第二个等待周期是额外的补偿周期，它是随机时间周期。
MAC层协议根据一争用窗口来设置补偿周期。争用窗口(CW)是从中选择随机补偿周期的值的范围。具体地，在传输前，补偿周期是通过找到在从0到CW的范围中的一个随机值来计算的。然后，使用该随机值计算补偿周期：Backoff＝Rand(0，CW)*Tslot。Tslot表示一时隙。空闲DIFS后的时间被插入时隙，且传输仅在时隙开始处发生。补偿周期用于初始化一补偿过程。如果信道是空闲的，则定时器递减。如果检测到另一传输，则该定时器被冻结。每次当信道在一段长于DIFS的时间内空闲时，补偿定时器被周期性地在每一时隙处被递减一。如果传输尝试是不成功的，则CW加倍，直到达到CW的预定的最大值。这样，CW用于在尝试一分组传输之前确定随机补偿周期。在IEEE 802.11协议的MAC层中，对所有类型的话务设置相同的参数。具体地，在传输开始处，对每一流，初始争用窗口(CWmin)被设置为31，对所有用户，QoS帧间间隔(QIFS)被相等地设置为DIFS周期。结果，每一设备都被同样地对待，且没有可用的服务区分。因为缺少服务区分，因此多媒体类型的话务和任何带有各种QoS要求的实时话务的性能在现有的WLAN系统中不是令人满意的。出于本发明的目的，如果没有特别指出，争用窗口表示CWmin。
发明内容
因此，一种方法、无线设备和计算机系统通过在分布式基础上提供对媒体访问控制(MAC)层参数的自适应更新来提供区分的服务质量(QoS)。该方法包括计算网络上传输的失效概率、确定用于根据该失效概率的映射函数来确定争用窗口的目标值、以及根据该目标值的缩放函数来更改该争用窗口。目标值的映射函数和缩放能够提供对传输的QoS区分。在一实施例中，该方法通过规定：仅当(1)对争用窗口的前一更改是增加，且失效概率小于前一失效概率，以及(2)对争用窗口的前一更改是减少，且失效概率大于前一失效概率时，才发生争用窗口更改，来提供用户之间的公平性。
该方法能够每隔预定数量的尝试的传输来执行。因此，在通过该方法的某一数量的迭代后，争用窗口收敛到目标值。
另一实施例针对能够确保插入无线时隙的网络中的公平性的无线设备。该无线设备包括一网络接口卡(NIC)，它被配置成向该插入无线时隙的网络发送和从中接收信号；一网络驱动器接口，它耦合至该NIC以提供关于该插入无线时隙的网络的统计参数；一网络监视器，它耦合至该网络驱动器接口以监视网络统计量；一统计引擎，它至少耦合至该网络监视器以接收该统计参数并在该统计参数上执行操作来确定一个或多个概率；以及一自适应参数引擎，用于确定用于根据该一个或多个概率的映射函数来确定争用窗口的目标值，使得能够对该争用窗口进行更改。
该自适应参数引擎根据区分的服务质量(QoS)，应用目标值的缩放函数以在网络上传输。更具体地，该自适应参数引擎为由网络驱动器接口维护的媒体访问控制(MAC)层确定新参数，以提供服务质量(QoS)的区分。
当参考附图阅读以下说明性实施例的详细描述时，可以清楚本发明的其它特征和优点。
附图说明
尽管所附权利要求使用特性描述了本发明的特征，然而结合附图阅读以下详细描述，能够最好地理解本发明及其目的和优点，附图中：
图1是一般性地示出在其上驻留本发明的示例性计算机系统的框图。
图2是根据本发明的一实施例连接至无线网络的无线设备的框图。
图3是示出根据本发明的一实施例的一种方法的流程图。
图4是示出根据本发明的一实施例的一映射函数的曲线图。
图5是示出根据本发明的一实施例的目标争用窗口的收敛的曲线图。
图6A是示出在现有的802.11传输中的平均端对端延迟的曲线图。
图6B是示出根据本发明的实施例使用固定的区分和自适应争用窗口在802.11传输中的平均端对端延迟的曲线图。
图7是示出将根据本发明的实施例的自适应争用窗口方法与现有的802.11传输和固定的区分方案相比的传输吞吐量的曲线图。
图8是示出将根据本发明的实施例的自适应争用窗口方法与现有的802.11传输和固定区分方案相比，三相帧损失率与用户的关系曲线图。
图9是示出根据本发明的一实施例的累计的所传输的分组的百分比与延迟时间的关系曲线图。
发明详细描述
转向附图，本发明被示出为在一合适的计算环境中实现，附图中，相同的参考标号指相同的元素。尽管不是必需的，但本发明可以在诸如由个人计算机执行的程序模块等计算机可执行指令的通用语境下描述。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们执行特定任务或实现特定抽象数据类型。此外，本领域的技术人员可以理解，本发明可以用其它计算机系统配置来实现，包括手持式设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程消费者电子产品、网络PC、小型机、大型机等。本发明也可以在分布式计算环境中实现，其中任务由通过通信网络连接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
图1示出了可在其上实现本发明的合适的计算系统环境100的示例。计算系统环境100只是合适的计算环境的一个示例，且不旨在对本发明的使用范围和功能提出任何限制。也不应该把计算环境100解释为对在示例性操作环境100中示出的任一组件或其组合有任何依赖或要求。
本发明可使用众多其它通用或专用计算系统环境或配置来操作。可以适用于本发明的公知的计算系统、环境和/或配置的示例包括，但不限于：个人计算机、服务器计算机、手持式或膝上型设备、图形输入板计算机、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费者电子产品、网络PC、小型机、大型机、包括上述系统或设备中任一个的分布式计算环境等。
本发明可在诸如由计算机执行的程序模块等的计算机可执行指令的通用语境下描述。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们执行特定任务或实现特定抽象数据类型。本发明也可以在分布式计算环境中实现，其中任务由通过通信网络连接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本发明可以使用诸如程序模块等由处理器执行的指令，在使用各种类型的机器的系统中实现，机器包括蜂窝电话、手持式设备、无线监视设备、基于微处理器的可编程消费者电子产品等。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们执行特定任务或实现特定抽象数据类型。术语“程序”包括一个或多个程序模块。图1示出用于实现本发明的一个或多个实施例的示例性计算设备100。在其最基本配置中，计算设备100包括至少一个处理器单元102和存储器104。根据计算环境的确切配置和类型，存储器104可以是易失性的(诸如RAM)、非易失性的(诸如ROM、闪存等)或这两者的某一组合。该基本配置在图1中由虚线106示出。另外，设备100也可以有另外的特征/功能。例如，设备100也可以包括额外的存储(可移动和/或不可移动)包括，但不限于，磁盘、光盘或磁带。这样的额外存储在图1中由可移动存储108和不可移动存储110示出。计算机存储介质包括以任何方法或技术实现的、用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。存储器104、可移动存储108和不可移动存储110都是计算机存储介质的示例。计算机存储介质包括，但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CDROM、数字多功能盘(DVD)或其它光学存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁性存储设备、或能用于存储所需信息且可以由计算机100访问的任何其它介质。任何这样的计算机存储介质可以是设备100的一部分。
设备100还包含允许该设备与其它设备通信的一个或多个通信连接112。通信连接112是通信介质的示例。通信介质通常具体化为诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，且包含任何信息传递介质。术语“已调制数据信号”指的是一信号，其一个或多个特征以在信号中编码信息的方式被设定或更改。作为示例，而非限制，通信介质包括有线介质，诸如有线网络或直接线连接，和无线介质，诸如声学、RF、红外线和其它无线介质。如上所述，此处所用的术语计算机可读介质包括存储介质和通信介质两者。
设备100也可以包括一个或多个输入设备114，诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸式输入设备等。也可以包括一个或多个输出设备116，诸如显示器、扬声器、打印机等。所有这些设备在本领域中公知，且不需在此更详细地讨论。
依照本发明的预期应用，设备100被配置为一无线移动设备。为此，向设备100提供诸如蓄电池组、燃料电池等的便携式电源120。电源120提供了能源以供设备100进行计算和无线数据传输。
现在参考图2，无线计算设备100还包括用于与不同类型的无线网络无线通信的网络接口卡(NIC)201。NIC 201包括耦合至天线202的发射器122，用于为在一合适的频率信道上无线地发送数据。接收器126也被耦合至天线202，用于接收从网络上无线发送的通信分组。网络接口模块201和天线202是图1中通信连接112的部分。在一实施例中，网络接口卡201使用IEEE 802.11无线连接上的无线配置服务来减轻网络配置的困难，包括基础结构网络和特别(ad hoc)网络。一示例性网络接口卡是PCMCIA无线卡。可以理解，网络接口卡的接口类型和物理配置对本发明不是至关重要的。例如，接口类型可以是PCI或另一类型，且网络接口模块不必驻留在一独立的卡上。它可以被包含在计算机的主板中，或甚至在将来可能嵌入到处理器中。
通过该无线网络接口卡，无线计算设备100可以与不同类型的无线网络通信。例如，在图2所示的环境中，无线设备100可以通过接入点231与一基础结构网络230无线地连接。无线设备100也可以是对等网络220的一部分，对等网络220也被称为特别网络，包括其它无线设备，诸如无线设备221、222和223。在连接至基础结构网络接入点或特别网络的接入点231之前，无线设备100可以通过发送探测请求并扫描由接入点或其它设备发送的探测响应信号来进行周期性的主动扫描，而属于该网络的搜索设备状态。或者，无线设备100可以通过扫描由接入点发送的信标来进行被动搜索。
网络驱动器接口规范(NDIS)接口203控制网络接口卡201的操作。网络驱动器接口203是无线设备100的操作系统的一部分，或是在无线设备100上运行的独立的可执行程序。根据本发明的实施例，一示例性的NDIS接口203符合IEEE802.11规范，且包括关于通过发射器122和接收器126发送和接收的网络通信量的统计数据。
NDIS接口203提供有助于实现此处所述的一个或多个方法的对象。例如，经NDIS接口可用的度量之一是名为OBJ_802_11_STATISTICS的对象。该对象提供有助于确定冲突概率的统计数据：
OBJ_802_11_STATISTICS
{
ULONG                       Length；
LARGE_INTEGER               TransmittedFragmentCount；
LARGE_INTEGER               MulticastTransmittedFrameCount；
LARGE_INTEGER               FailedCount；
LARGE_INTEGER               RetryCount；
LARGE_INTEGER               MultipleRetryCount；
LARGE_INTEGER               RTSSuccessCount；
LARGE_INTEGER               RTSFailureCount；
LARGE_INTEGER               ACKFailureCount；
LARGE_INTEGER               FrameDuplicateCount；
LARGE_INTEGER               ReceivedFragmentCount；
LARGE_INTEGER               MulticastReceivedFrameCount；
LARGE_INTEGER               FCSErrorCount；
}；
关于来自NDIS接口203的参数，“TransmittedFragmentCount(发送片段计数)”提供了网络接口卡(NIC)成功发送的数据和管理片段的数目。“MulticastTransmittedFrameCount(组播发送帧计数)”提供了NIC通过组播或广播发送的帧的数目。组播计数在每次在发送帧的目标MAC地址中组播/广播位被置位时递增1。
“FailedCount(失败计数)”提供在超过短帧或长帧重试限制后失败的NIC帧发送的数目。
“RetryCount(重试计数)”提供在一个或多个重发尝试后NIC成功重发的帧的数目。
“MultipleRetryCount(多次重试计数)”提供在一个以上重发尝试后NIC成功重发的帧的数目。
“RTSSuccessCount(RTS成功计数)”提供NIC在响应中接收到“清除发送”(CTS)的次数。
“RTSFailureCount(RTS失败计数)”提供NIC没有响应于“发送请求”(RTS)接收到CTS的次数。
“ACKFailureCount(确认失败计数)”提供NIC预期没有接收到的确认(ACK)的次数。
“FrameDuplicateCount(帧重复计数)”提供接收到的重复的帧的数目。帧中的顺序控制字段标识重复的帧。
“ReceivedFragmentCount(接收帧计数)”提供NIC成功接收的数据和管理片段的数目。ReceivedFragmentCount在每次接收到数据片段或管理片段时递增1。
“MulticastReceivedFrameCount(组播接收帧计数)”提供被设为组播或广播的接收帧的数目。MulticastReceivedFrameCount在每次NIC接收其目标MAC地址中组播/广播位被置位的帧时递增1。
“FCSErrorCount(FCS错误计数)”提供NIC接收到的含有帧校验序列(FCS)错误的帧的数目。
根据一实施例，网络监视器204被耦合至NDIS接口203以接收一个或多个统计参数。网络监视器204可以是操作系统的一部分且运行在核心模式中。此外，网络监视器204可以作为基于类的模块来操作，它依照操作系统要求接收统计参数作为对象。如在下文将进一步详细解释的，统计引擎206接收统计参数，并对该参数进行操作来确定诸如冲突概率等的概率。该概率被发送到自适应参数引擎208，用于为由NDIS接口203维护的媒体访问控制(MAC)层确定新的参数，来提供服务质量(QoS)区分。
现在结合图2参考图3，一流程图示出了针对在无线局域网(WLAN)中提供QoS区分的实施例。该流程图针对WLAN的电气和电子工程师协会(IEEE)802.11实现的媒体访问控制(MAC)层的自适应。
IEEE 802.11协议提供了基于具有避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA)协议的分布式协调功能(DCF)。当要求在通过一信道的设备分组或流之间的诸如实时数据流等服务区分时，需要一种方法来公平且有效地共享信道资源。根据一实施例，图3所示的一种方法提供了对争用窗口(CW)的更新，它根据对每一设备或一预定数据流所需的QoS来更改该用窗口。根据该实施例，补偿周期使用：Tbackoff＝Rand(0，(CW±ΔCW)*2i)*Tslot来计算，其中i是补偿阶段。
该方法还提供了用于确定CW的自适应方法。自适应方法是所需的，因为对CW大小的限制影响了作为在信道上尝试的发送次数函数的WLAN系统效率。如果一个信道是拥挤的，意味着该信道忙于尝试发送的设备，则一小的固定的CW值造成对所有要发送的设备太小的机会周期。一小的固定的CW造成浪费频谱效率的冲突。CW的增加减小了冲突概率。而且，等待的时间成本远小于对冲突加补偿周期的成本。然而，当一WLAN系统仅包含少数设备时，冲突概率是相当低的。从而，太大的CW值要求设备进行不必要的等待来发送帧。CW的减小加速了数据发送且增加了系统吞吐量。从而，取决于任一给定时间的设备数量和冲突的可能性，用于有效发送的合适的CW可以随着时间变化。从而，自适应CW计算是较佳的。
在每一设备或每一流确定上的自适应CW计算可以被实现为对WLAN的分布式类型的控制。分布式控制系统比集中式控制系统更佳，因为集中式控制系统需要一接入点(AP)来确定关于网络的信息，且与目前的IEEE 802.11 DCF是不兼容的。相反，分布式控制系统与目前的IEEE 802.11 DCF是兼容的。
所示方法是在一用户计算机内的分布式基础上实现的。如图3所示，框310标识该方法的开始，它可以每隔预定的秒数T或另一预定的时间量发生。
在判定框320，确定尝试发送的次数是否比预定的阈值小。更具体地，网络监视器204可以检索计数作为NDIS接口203的参数。来自对CW的先前的调整的计数可以被用作起始点。如果该数字比预定阈值小，那么不需要对CW的更改，且该方法返回对尝试发送次数的计数。
在一实施例中，如果使用了RTS，网络监视器204每隔T秒核查从NDIS接口203的RTSFailureCount和RTSSuccessCount所接收的值(如没有使用RTS，则核查ACKFailureCount和TransmittedFragmentCount)，且将该值相加来确定总计数。如果该计数比一预定阈值N(例如，100)小，则网络监视器204等待另一个T秒钟，并核查RTSFailureCount+RTSSuccessCount，直到来自前一调整的计数至少为N。
如果阈值比预定阈值大，则该方法前进至框330。在框330，计算一冲突概率，且在一实施例中也计算失败概率。为确定这些概率，在一实施例中，使用从NDIS接口获得的可用度量。受益于本发明的本领域的技术人员可以理解，用于确定诸如冲突概率等概率的度量可从其它来源确定，且在本发明的范围之内。在一实施例中，这些概率在统计引擎206中由从网络监视器204接收或直接从NDIS接口203接收到的参数来确定。
如上所述，在NDIS接口203中提供的度量使得概率能够被确定。对一给定的WLAN系统的恰当的概率取决于WLAN系统的类型。例如，对一RTS+CTS+数据+ACK类型的WLAN系统，假定不存在除了冲突以外的错误，失败概率是由失败的发送次数与总发送次数之比给出的：
P f = RTSFailureCount RTSFailureCount + RTSSuccessCount 公式1
如果没有使用RTS，那么失败的概率可以由失败的次数除以总的尝试发送次数来逼近：
P f = ACKFailureCount ACKFailureCount + TransmittedFragmentCount 公式2
冲突概率可以根据诸如重试计数除以总发送片段计数等更一般的度量来确定：
P c = RetryCount TransmittedFragmentCount 公式3
取决于系统要求，仅冲突概率、仅失败概率、或冲突概率和失败概率两者可以用于此处的实施例。为更紧密地跟踪网络统计量和响应性，冲突概率和失败概率都是合适的统计量。
在确定了冲突概率和/或失败概率后，在框340，应用一平滑函数来获取来平均概率，且避免响应于在网络中不反映网络行为的瞬时改变而对CW进行更改。本领域的技术人员可以理解，存在诸多可用于确定随时间变化的网络特征的平滑函数来降低不一致性。示例性的平滑公式可以如下：
Pc(n)＝αPc(n-1)+(1-α)Pc，measured(n)                    公式4
Pf(n)＝αPf(n-1)+(1-α)Pf，measured(n)
符号α表示平滑因子；Pc，measured和Pf，measured是根据目前提供给统计引擎206的度量所计算出的。本领域的技术人员可以理解，可以构造WLAN NDIS接口来提供用于确定在此处所述的实施例所需的一个、两个或多个概率统计量的度量。
当确定了平滑的失败或冲突概率后，框350和360应用公平性判定。框350和360用于避免系统不稳定性和不公平性。例如，不公平性可以通过让正在经历冲突的设备增加CW而其它设备不增加而发生。这样的增加会引起更多的冲突，这可以引起对CW的进一步增加，从而导致系统的不稳定性和不公平性。
具体地，在框350，确定对争用窗口的前一更改是否是增加该争用窗口，且如果是的，则失败的发送/冲突的概率是否增加(ΔCW＞0且P(n)＞P(n-1))。如果对争用窗口的前一更改是增加该争用窗口的大小，且失败的发送/冲突的概率自最后一次发送以来增加了，那么在框350，返回对发送的计数和框320。否则，该方法继续前进至框360。
在框360，确定对争用窗口的前一更改是否是减小该争用窗口的大小，且如果是的，那么失败的发送/冲突的概率是否减小(ΔCW＜0且P(n)＜P(n-1))。如果对争用窗口的前一更改是减小该争用窗口的大小，且失败的发送/冲突的概率减小，那么在框360，返回对发送的计数和框320。否则，该方法继续前进至框370。
框350和360通过要求“每一轮停下来”来维护在某一预定环境中一大小相同的争用窗口，从而提供公平性和稳定性。该不等式提供了用于当一设备增加了争用窗口且应该统计上地看到失败和/或冲突概率减少但没有减少时维护公平性的方法。例如，如果在同一服务质量分类中的所有其它设备根据给定的失败/冲突概率更改其争用窗口大小，则应当发生失败和/或冲突的减小。然而，如果在下一轮中，这些设备经历了增加的失败/冲突的概率，那么一种可能性是WLAN中同一QoS分类中的其它设备没有增加其各自的争用窗口，且该给定的设备是一个孤独的受害者。具体地，根据一实施例，在框350和360，该给定的设备在一轮中保持CW来为其它设备调整CW留出时间。当减少CW时，可以采取类似的措施。作为结果，可以在统计上维护公平性。
在框370，根据在下文参考图4描述的映射函数，确定该设备的目标争用窗口。该映射函数提供对争用窗口大小更改的肯定或否定指导。对于不同的QoS类，该映射函数可以是不同的，从而提供服务区分。
该映射函数为目标争用窗口产生一个值。在框380，使用该目标争用窗口、缩放函数和当前的争用窗口大小来计算对争用窗口大小的更改。更具体地，使用以下公式来计算对争用窗口的更改，从而计算该争用窗口：
ΔCW = CW t arg - CW cur CW cur S 公式5
S表示对不同QoS类可以不同的缩放因子。缩放因子S可以被分为向上缩放和向下缩放，分别用于增加和减少CW。对拥有较高优先级的QoS类，向上缩放被设置为小于较低优先级的向上缩放；而其向下缩放被设置为大于较低优先级的向下缩放。
CWtarg表示目标CW值，而CWcur表示当前CW值。
现在参考图4，一曲线图根据一实施例示出了用于确定目标CW的可能的映射函数。该曲线图示出y轴410，它标识可能的争用窗口大小，标记为“目标CW”。X轴420标识从0到0.35的概率，表示冲突概率或失败的发送的概率。所示的线指示不同的映射函数，线430标识线性映射函数，线440标识指数映射函数，而线450标识二次映射函数。重要的是，这些映射函数中的每一个是递增函数，且可以根据系统要求来选择对一给定的WLAN应用哪一个。图4中所示的曲线图可以对拥有争用窗口CWmin值为15的下界(表示为CWminl)的一类话务类是合适的。该最小争用窗口CWmin上界(表示为CWminu)值为63。对下界，相应的的失败/冲突概率P是2％(0.02)，而对上界的失败/冲突概率为30％(0.3)。在一实施例中，任何比下界小的概率被映射至CWminl；同样地，任何比上界大的概率P被映射至CWminu。这样，每一个概率都拥有一目标争用窗口大小。
目标争用窗口大小的范围为一预定的类确定服务质量。这样，由映射函数支持区分。对较高优先级流，CWminl和CWmmu可以被设置为比较低优先级流小。在一实施例中，对实时话务：
CWminl＝15，CWminu＝63，且P下界＝2％，P上界＝30％
对尽力而为的话务：
CWminl＝31，CWminu＝127，且P下界＝2％，P上界＝30％
存在该映射函数必须经过的至少两个点，由460表示的概率的下界和最小争用窗口的下界(Pfl，CWminl)；和由470表示的概率的上界和最小的争用窗口的上界(Pfu，CWminu)。在这两点之间，单调递增函数将观测到的失败/冲突概率P映射至目标CW。例如，与该实时流相关联，对线性函数：
CW＝171.4286*P+11.5714(线430)                               公式6
对二次映射函数：
CW＝535.7143*P2+14.7857(线450)                              公式7
对指数映射函数：
CW＝13.5386*exp(5.1253*P)(线440)                            公式8
回来结合图4参考图3，根据一实施例，当在框340中找到一平滑的失败/冲突概率后，使用该映射函数将该概率映射至一相关联的目标CW，如框370所提供的。例如，如果冲突概率被确定为0.15，即15％，且应用了线性映射函数，那么根据图4，目标CW约为35。当找到目标CW后，对当前的CW的更改可以使用目标CW来计算(框380)，以提供对调整CW的指导。公式5使用目标CW和该位置上的当前CW来确定实际调整步长。通过使用目标CW来确定对更改争用窗口的指导，两个位置能够使用同样的概率来估算信道，但是对其各自的争用窗口的实际步长是不同的。
尽管由同一类中的设备观测到的瞬时Pc和Pf可以是不同的，且在某些情况下，由于不一致性，这一差异可达15％，但是由于公式5对当前争用窗口大小和根据设备的服务质量的缩放加权，因此在ΔCW的差异被保持在合理的阈值范围中。这样，公式5协助于维护用户公平性。
在一实施例中，对争用窗口大小的调整适用于收敛至一稳态争用窗口大小。更具体地，参考图5，一曲线图示出在图3中所示的方法如何导致争用窗口的自适应收敛。图5的曲线图显示了一映射函数，其y轴表示可能的目标CW值，该值在15(表示最小争用窗口的下界510)和63(表示最小争用窗口的上界520)之间。x轴被显示为示出失败/冲突概率的下界0.03(540)和失败/冲突概率上界0.30(550)。映射函数570被显示为指数类型的映射函数。图5示出，由于公式5，任何更改是阶梯式出现的，如阶梯线580所示。具体地，使用公式5，在当前争用窗口CWcurrent和目标争用窗口CWtarget之差越大，对争用窗口的更改ΔCW越大。这样，参考图5，线580描述了一实际当前争用窗口大小和相应的失败/冲突概率。如图所示，根据在图3中所示的方法，第一次调整导致从点590到点592的最大的跳跃。在通过该方法的另一次迭代后，争用窗口的大小从点592跳跃到点594。最后，在第三次迭代后，该争用窗口的大小从点594跳跃到点596。在点596，当前争用窗口的大小与目标争用窗口相匹配。可能存在目标CW附近的稳态CW的小波动。这样，对其初始争用窗口相当小而Pf相当大的那些设备，CWtarget应该是，例如，达到63，即CWminu。作为通过该方法迭代的结果，实际的CW增加了。作为增加的结果，观察到的失败/冲突的概率稍许减小。结果，该方法确定了比前一目标争用窗口小的另一CWtarget，导致对争用窗口的进一步增加。最后，当P精确地对应于CWcurrent时，CWcurrent会增加至CWtarget。换言之，当CWcurrent＝CWtarget时，如点596所示，传输平衡。
现在参考图6-9，对照曲线图示出在根据此处的实施例的自适应MAC层、当前MAC层系统和根据QoS要求拥有固定争用窗口大小的固定区分类型MAC层系统之间的差异。图6A和6B中的WLAN系统由以平均比特率128kbps运行实时流的15个设备和运行尽力而为流的15个设备构成。每一设备通过一接入点通信。该曲线图假定有两个QoS类：实时和尽力而为数据，尽管本领域的技术人员可以理解，可以用类似的方式管理更多的类。实时流是恒定比特率(CBR)话务，而尽力而为流被假定为总是活跃的，即，总是有要发送的帧。图6A示出当前的802.11方案。如图所示，y轴602标识了以毫秒为单位的平均端对端延迟；x轴604示出用户1-15。线630标识802.11方案，对所有设备CW固定为31。如图所示，使用如当前配置的802.11b MAC层，即线630，结果造成某些设备经历超过一秒的延迟，而其它设备经历0.5秒的延迟。
图6B示出，y轴610标识以毫秒为单位的平均端对端延迟；x轴620示出用户1-15。线640示出一固定区分方案，对两个类，CW值分别固定在31和63。作为对照，根据此处的实施例的自适应MAC层如线650所示，对两个类，初始CW分别被设置为31和63。
在线650表示的自适应MAC层的参数使用上文的公式4和5如下配置：α＝0.3；实时话务：Sup＝20，Sdown＝20；尽力而为话务：Sup＝40，Sdown＝10。映射函数是最简单的线性函数；T被设为1秒。模拟的802.11b网络被假定为分组大小＝500字节且没有使用RTS。
如图所示，根据此处的实施例的自适应方案的延迟仅仅是固定区分640的延迟的一半。而且，根据此处的实施例的自适应方案在所有用户上维持公平性。
现在参考图7，示出通过三种不同类型的MAC层系统的吞吐量。Y轴710以每秒兆字节为单位示出带宽。x轴720示出以秒为单位的时间。线730示出对所有用户使用当前MAC层固定争用窗口大小31的系统。线740示出使用固定区分的系统。线750示出根据此处的实施例的自适应争用窗口。如图所示，自适应争用窗口方法的总系统吞吐量是最大的。这样，自适应系统能够显著地降低实时流的延迟，提供区分的服务并提高信道利用率。如上所述，在此处揭示的自适应方法通过自适应地增加CW来减少冲突，从而由于增加的总系统吞吐量而提高了实时流QoS和尽力而为流吞吐量。
现在参考图8，示出了一等待时间分布，作为根据此处的实施例使用自适应争用窗口操作的两类流的累积分布函数。y轴810提供了分组的累积百分比；x轴820提供了以毫秒为单位的等待时间度量。该模拟包括以平均比特率128kbps运行的实时流的设备和运行尽力而为流的设备。如图所示，根据此处的实施例的分布式自适应MAC层导致两个类830和840，它们由紧密聚集的曲线区分。该紧密聚集指出在每一类中的设备受到公平的对待。
现在参考图9，另一模拟示出根据一实施例的自适应争用窗口系统与当前802.11b MAC层系统以及一固定区分系统之间的对照。图9示出使用大小为500字节的分组和RTS的“加入-离开”情景。y轴910提供实时流的帧损失率(FLR)；x轴920标识用户1到50。该模拟示出在不同时间段的三个80秒阶段902、904和906。更具体地，每一阶段模拟80秒，包括20个尽力而为流和20个实时流(每一流100kbps)902；随后是10个实时流(每一流100kbps)和9个实时流(每一流200kbps)904；随后是一个实时流(100kbps)和两个实时流(1.4Mbps)906。
如图所示，第一阶段902使得自适应争用窗口940和固定区分系统950能够达到比使用固定争用窗口的802.11b系统好得多的FLR。在第二和第三阶段，根据此处的实施例的自适应争用窗口系统940达到值为0的FLR，而其它两个系统都产生约为5％的FLR。
考虑到可以应用本发明的原理的众多可能的实施例，可以认识到，此处关于附图所述的实施例是仅旨在说明性的，且不作为对本发明的范围的限制。例如，本领域的技术人员可以认识到，所示实施例中软件形式的元素可以用硬件来实现，反之亦然，或可以对所示实施例在排列和细节上进行修改而不背离本发明的精神。从而，如此处所述的本发明预期所有这样的实施例都落入所附权利要求书及其等价技术方案的范围之内。

Claims (39)

1.一种用于在具有时隙的网络中提供区分的服务质量(QoS)的方法，所述方法包括：
对网络上的传输计算失败概率；
根据所述失败概率的映射函数，确定一用于确定争用窗口的目标值；以及
根据所述目标值的缩放函数更改所述争用窗口，所述缩放是根据传输的QoS。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，还包括，当(1)对所述争用窗口的前一更改是增加，且所述失败概率低于前一失败概率，以及(2)对所述争用窗口的前一更改是减少，且所述失败概率高于前一失败概率时，更改所述争用窗口。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，随时间推移对所述争用窗口的重复更改将所述争用窗口收敛到所述目标值。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，还包括，根据预定参数重复对所述争用窗口的更改，所述预定参数包括时间和尝试发送次数中的一个或多个。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述目标值是具有避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA)的无线局域网WLAN的目标争用窗口值。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述目标值是一目标争用窗口值，且所述失败概率的映射函数根据传输的QoS来缩放所述目标争用窗口值。
7.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述对争用窗口的更改还包括，确定一新的争用窗口用于传输。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述新的争用窗口是通过对前一争用窗口应用改变来确定的，所述改变是根据 ΔCW = CW t arg - CW cur CW cur S 来确定的，其中，ΔCW表示改变所述前一争用窗口的量，CWtarg表示目标争用窗口，CWcur表示所述前一争用窗口，而S表示所述缩放函数。
9.如权利要求1所述方法，其特征在于，还包括从所述网络的网络驱动器接口中检索统计数据。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于，从网络驱动器接口检索到的所述统计数据提供了所述失败概率。
11.如权利要求9所述方法，其特征在于，从网络驱动器接口检索到的所述统计数据使得一统计引擎能够确定所述失败概率。
12.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述网络是遵循电气和电子工程师协会(IEEE)802.11协议的无线局域网(WLAN)。
13.如权利要求1所述方法，其特征在于，计算所述失败概率还包括平滑所述失败概率。
14.如权利要求13所述方法，其特征在于，所述平滑是根据P(n)＝αP(n-1)+(1-α)Pmeasured(n)，其中Pmeasured表示测得的失败概率，而α表示平滑因子。
15.一种用于在具有无线时隙的网络中保证公平性的方法，所述方法包括：
对网络上的传输计算失败概率；
通过将所述失败概率映射到一目标争用窗口值的范围，确定一用于确定对争用窗口的更改的目标争用窗口值，所述范围是根据用于传输的区分的服务质量(QoS)；以及
根据所确定的对所述争用窗口的更改，在一预定数量的尝试发送和一个或多个公平性度量后，重复更改用于传输的争用窗口。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述公平性度量包括，当(1)对所述争用窗口的前一更改是增加，且所述失败概率低于前一失败概率，以及(2)对所述争用窗口的前一更改是减少，且所述失败概率高于前一失败概率时，更改所述争用窗口。
17.如权利要求15所述方法，其特征在于，还包括，根据P(n)＝αP(n-1)+(1-α)Pmeasured(n)平滑所述失败概率，其中Pmeasured表示测得的失败概率，而α表示平滑因子。
18.一种含有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述计算机可执行指令实现一种用于在具有时隙的网络中提供区分的服务质量(QoS)的方法，所述方法包括：
对网络上的传输计算失败概率；
根据所述失败概率的映射函数，确定一用于确定争用窗口的目标值；以及
根据所述目标值的一缩放函数更改所述争用窗口，所述缩放是根据用于传输的QoS。
19.如权利要求18所述的计算机可读介质，还包括，当(1)对所述争用窗口的前一更改是增加，且所述失败概率低于前一失败概率，以及(2)对所述争用窗口的前一更改是减少，且所述失败概率高于前一失败概率时，更改所述争用窗口。
20.如权利要求18所述计算机可读介质，其特征在于，随时间推移对所述争用窗口的重复更改将所述争用窗口收敛到所述目标值。
21.如权利要求18所述计算机可读介质，还包括，根据预定参数重复对所述争用窗口的更改，所述预定参数包括时间和尝试发送次数中的一个或多个。
22.如权利要求18所述计算机可读介质，其特征在于，所述目标值是具有避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA)的无线局域网WLAN的目标争用窗口值。
23.如权利要求18所述计算机可读介质，其特征在于，所述目标值是一目标争用窗口值，且所述失败概率的映射函数根据用于传输的QoS来缩放所述目标争用窗口值。
24.如权利要求18所述计算机可读介质，其特征在于，更改所述争用窗口还包括，确定一新的争用窗口用于传输。
25.如权利要求24所述计算机可读介质，其特征在于，所述新的争用窗口是通过对前一争用窗口应用一改变来确定的，所述改变是根据 ΔCW = CW t arg - CW cur CW cur S 来确定的，其中，ΔCW表示改变所述前一争用窗口的量，CWtarg表示目标争用窗口，CWcur表示前一争用窗口，而S表示所述缩放函数。
26.如权利要求18所述计算机可读介质，其特征在于，还包括从所述网络的网络驱动器接口检索统计数据。
27.如权利要求26所述计算机可读介质，其特征在于，从网络驱动器接口检索到的所述统计数据提供所述失败概率。
28.如权利要求26所述计算机可读介质，其特征在于，从网络驱动器接口检索到的所述统计数据使得一统计引擎能够确定所述失败概率。
29.如权利要求18所述计算机可读介质，其特征在于，计算所述失败概率包括平滑所述失败概率。
30.如权利要求29所述计算机可读介质，其特征在于，所述平滑是根据P(n)＝αP(n-1)+(1-α)Pmeasured(n)，其中Pmeasured表示测得的失败概率，而α表示平滑因子。
31.一种含有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述计算机可执行指令实现一种用于在具有无线时隙的网络中保证公平性的方法，所述方法包括：
对网络上的传输计算失败概率；
通过将所述失败概率映射到一目标争用窗口值的范围，确定一用于确定对争用窗口的更改的目标争用窗口值，所述范围是根据用于传输的区分的服务质量(QoS)；以及
根据所确定的对所述争用窗口的更改，在预定次数的尝试发送和一个或多个公平性度量后，重复更改用于传输的争用窗口。
32.如权利要求31所述计算机可读介质，其特征在于，所述公平性度量包括，当(1)对所述争用窗口的前一更改是增加，且所述失败概率低于前一失败概率，以及(2)对所述争用窗口的前一更改是减少，且所述失败概率高于前一失败概率时，更改所述争用窗口。
33.如权利要求31所述计算机可读介质，其特征在于，还包括，根据P(n)＝αP(n-1)+(1-α)Pmeasured(n)平滑所述失败概率，其中Pmeasured表示测得的失败概率，而α表示平滑因子。
34.一种能够在具有无线时隙的网络中保证公平性的无线设备，所述无线设备包括：
一网络接口卡(NIC)，它被配置成向所述具有无线时隙的网络发送和从中接收信号；
一耦合至所述NIC的网络驱动器接口，所述网络驱动器接口被配置成提供关于所述具有无线时隙的网络的统计参数；
一耦合至所述网络驱动器接口的网络监视器，所述网络监视器被配置成监视网络统计量；
一至少耦合至所述网络监视器的统计引擎，所述统计引擎被配置成接收所述统计参数并在所述统计参数上执行操作来确定一个或多个概率；以及
一耦合至所述统计引擎和所述网络驱动器接口中的一个或多个的自适应参数引擎，所述自适应参数引擎被配置成根据所述一个或多个概率的映射函数来确定用于确定一争用窗口的目标值，以使能对补偿周期作更改。
35.如权利要求34所述无线设备，其特征在于，所述自适应参数引擎还被配置成向所述目标值应用一缩放函数，所述缩放是根据用于在网络上传输的区分的服务质量(QoS)。
36.如权利要求34所述无线设备，其特征在于，所述网络监视器是操作系统的一部分，所述网络监视器被配置成在内核模式中运行。
37.如权利要求34所述无线设备，其特征在于，所述网络监视器被配置成作为基于类的模块来操作，该模块根据操作系统要求接收所述统计参数作为对象。
38.如权利要求34所述无线设备，其特征在于，所述自适应参数引擎还被配置成为由所述网络驱动器接口维护的媒体访问控制(MAC)层确定新参数，以提供服务质量(QoS)区分。
39.一种能够在具有无线时隙的网络中保证公平性的计算机系统，所述计算机系统包括：
一处理器；
一耦合至所述处理器的存储器；
一耦合至所述处理器的网络接口卡(NIC)，所述NIC被配置成向所述具有无线时隙的网络发送和从中接收信号；
一耦合至所述NIC的网络驱动器接口，所述网络驱动器接口被配置成提供关于所述具有无线时隙的网络的统计参数；
一耦合至所述网络驱动器接口的网络监视器，所述网络监视器被配置成监视网络统计量；
一至少耦合至所述网络监视器的统计引擎，所述统计引擎被配置成接收所述统计参数，并在所述统计参数上执行操作来确定一个或多个概率；以及
一耦合至所述统计引擎和所述网络驱动器接口中的一个或多个的自适应参数引擎，所述自适应参数引擎被配置成根据所述一个或多个概率的映射函数来确定一用于确定争用窗口的目标值，以使能够更改所述争用窗口。
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