CN1792108A - 根据接入点的动态的发射功率调节在无线接入网络中负载均分的方法和装置 - Google Patents

根据接入点的动态的发射功率调节在无线接入网络中负载均分的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于基于分组的无线蜂窝网络的负载均衡的系统和方法，借此通过改变无线接入点的发射功率水平以调节它们的覆盖区域，来动态地重新配置无线接入点。所述调节功能基于在每个独立接入点的局部化的通信负载或拥塞，或者由接入点组感受的共同负载。

Description

根据接入点的动态的发射功率调节 在无线接入网络中负载均分的方法和装置
技术领域
本发明涉及计算机网络连接和无线网络，特别地，涉及一种蜂窝无线接入基础结构，其中各个客户端无线设备使用一组接入点设备作为网关节点以连接到一个有线骨干网。
背景技术
无线接入网络通常被设计为蜂窝的方式，有多个接入点(也被称为基站)提供多个到一个骨干(例如，有线的)网络基础结构的连接点。各个无线客户端计算设备可以通过连接到这些接入点中的一个(或者至少在理论上，多个)而连接到网络，只要它们位于有关的接入点的通信范围之内。接入点(AP)以蜂窝的方式排列，同时每个接入点的覆盖区域由被称为单元(cell)尺寸的区域来定义。这样，合成的结构由多个单元组成。由于单元可以相互重叠，位于重叠区域之内的无线客户端设备可能有多个候选的AP，由此，可被与一个以上的接入点相关。而另一方面，如果单元并非重叠的，无线设备只有一个候选的接入点。这样，这表示无线设备的候选的接入点组是各个AP的覆盖区域的函数，并且仅可以通过改变各个AP的覆盖区域而被改变。
一个单元的覆盖区域主要取决于AP所使用的发射功率——因为发射功率越大，通信范围越大，由此相关单元的覆盖区域，也被称为覆盖区，越大，这是广泛接受的无线通信原理。通过各种技术，包括频率分割(以便相邻单元在不相重叠的频带上通信)、编码分割(以便相邻单元使用正交码以避免相互干扰)或时间分割(以便相邻单元在不相重叠的时段上通信)，来避免在相邻单元之间的通信中断和冲突。
现在，每个单元(或相当于，AP)有根据各种参数(例如可用带宽或信道数量)定义的预定通信容量。如果较大数量的无线设备碰巧依附于单个AP，或者如果一些连接上的无线设备产生非常大的通信量，所述接入点可能感受到引起拥塞的超负载，从而或者导致服务拒绝或者导致服务降级。由于在各种物理区域中，无线设备的物理运动模式或者这种设备的密度是无法预先预测的，接入点应当有用于处理负载中的突然增加或减少的机制。这种机制被称为负载均衡，并通常可采取以下两种方法之一：
·容量适应：超负载的接入点可以试图通过从相邻AP借用容量，来增加其自身的容量。
·负载适应：超负载的接入点可以试图通过迫使或引导它的相关无线设备中的一些或全部切换到一个替代的相邻AP，来减少其自身的负载。
蜂窝网络中的大多数当前负载均衡使用容量适应解决方案：超负载的接入点从相邻的未充分使用的AP借用多余的容量。这种自适应容量调节解决方案的例子可以在下述著作中找到：1991年11月的IEEE通信杂志中S.Tekinay和B.Jabbari的标题为《移动蜂窝网络中的切换和信道分配》；1997年的Wireless Networks(3)中S.Das、S Sen和R.Jayaram的标题为《在蜂窝移动环境中使用选择的借用以进行信道分配的动态负载均衡策略》；以及1973年的On VehicularTechnology IEEE学报中D.Cox和D.Reudnick的《在大规模移动无线电系统中增加信道占用率：动态信道分配》。在这种机制中，每个接入点能够同时地在多个信道上通信。当超负载时，接入点从相邻的单元借用空闲的通信信道(基本上额外的容量)。然而，每个接入点的覆盖区域保持不变。这种方案仅当各个AP有昂贵的硬件和专门化软件来支持多个同时的信道时起作用。许多AP实施方式(例如基于无线局域网的IEEE 802.11的那些)仅可支持一个信道，则每个AP的容量是固定的。然而实施方式确实可以在设置发射功率水平中有灵活性。在这种环境中，信道借用方案无法起作用：然而，使用功率控制的隐式方法，负载均衡是可行的。
其它已出版的著作，例如，在1995年9月的IEEE期刊SelectedAreas in Communication中S.V.Hanly.的《用于组合的单元位置选择和功率控制以最大化蜂窝扩展频谱容量的算法》以及J.Qiu和J.Mark的《在蜂窝CDMA中通过功率控制的动态负载均分算法》的著作中所看到的，讨论了由AP使用功率控制，同时与它连接上的无线设备组进行通信。在这些参考资料中描述的系统的焦点是减少在AP和一组已连接上的无线设备之间的通信功率至维持通信所必需的最低水平。这种减少不仅节省了能量，而且用于减少对相邻单元的干扰。可以确信，在这种通信期间，功率的减少意味着接入点的通信范围的对应减少。
应当理解，在这些先有技术方案中，仅在与连接上的无线设备进行通信的期间执行所述减少。也就是说，对能够合法地连接这一接入点的设备组不进行功率控制。
无线设备通常通过使用周期性的信标信号来确定可能的AP组。例如在1991年11月的IEEE通信杂志中S.Tekinay和B.Jabbari的标题为《移动蜂窝网络中的切换和信道分配》以及1997年的无线网络(3)中S.Das、S Sen和R.Jayaram的标题为《在蜂窝移动环境中使用选择的借用以进行信道分配的动态负载均衡策略》的上文引用的参考资料中所描述的方法，并不打算增加或减小这些信标信号的功率水平；作为替代地，它们仅仅在节点附着于接入点之后，以每个分组为基础来调节功率水平。因此，例如在这些先有技术参考资料中所描述的系统并未解决通信负载均衡的问题。
这样，存在着对一种在蜂窝和无线通信网络中用于AP的新颖的通信负载均衡解决方案的需求。
迄今为止，没有现有著作讨论无代价地且动态地增加接入点的功率水平以增加可以依附于其上的无线设备组的打算。也就是说，AP发射功率完全未被视为负载均衡解决方案的参数。
因而，提供一种实现AP发射功率的主动增减的概念的负载均衡方法，这将是非常合乎需要的。
发明内容
本发明的原理方面在于实现由各个AP使用的发射功率水平的动态变化，作为间接且隐含的技术以在基于分组的无线蜂窝网络中执行负载均衡。随着AP功率水平的增加，其覆盖区域也增加，意味着在其通信范围之外的无线通信设备现在可以位于扩展的单元区域之内。
进一步关于本发明这一方面，提供了一种用于基于分组的无线蜂窝网络的负载均衡系统和方法。实质上，依照本发明，无线接入点可被(例如，通过改变它们的发射功率水平)动态地重新配置以调节它们的覆盖区域(也被称为单元覆盖区)。调节功能可以根据在每个独立接入点的局部化的通信负载或拥塞，或由接入点组感受的共同负载。对蜂窝布局的所述调节作为一项隐含的负载均衡技术来使用。当一个超负载的接入点减少其覆盖区域时，它迫使一些先前在其覆盖区之内但现在已不再在其覆盖区域之内的无线客户端设备附着到替代的接入点上。相似地，当一个负载不足的接入点增加其覆盖区域时，它给先前在其覆盖区之外但现在在扩展的覆盖区域之内的无线设备提供了机会，以切换附着到所述接入点上。通过改变无线设备所附着的接入点，可以间接地改变在各个接入点上的负载水平。有利的是，所述改变可以执行而无需在接入点和各个无线设备之间定义额外的信号或报文；无线客户端设备的默认标准行为足以确保它们的连接点中的必要变化。
当一个特定的单元(或等同地，AP)超负载时，本发明提出(以受控的方式)增加相邻接入点的功率水平，以便它们增加与特定单元重叠的区域。由于这一重叠，较多数量的计算设备发现经由替代的AP接入有线网络是可行的，从而从当前的接入点向相邻的AP转移一小部分负载。作为替代地，当一个特定的单元超负载时，本发明提出一项技术，通过该技术，相关AP降低其发射功率，从而减小它的相关单元的覆盖区。因此，位于减少的覆盖区域之外(但在原先单元覆盖区的范围之内)的节点现在将不得不与替代AP相关，从而从(当前)超负载的接入点卸下一小部分通信负载到适当的替代AP。有利的是，所实现的功率自适应技术无需专用的天线容量，并以相对单纯且便宜的无线网络装置来工作。
本发明的关键在于通过功率水平的动态变化带来的蜂窝网络布局(拓扑)本身的动态变化，以及利用拓扑中的所述动态变化作为在可变的通信负载情况下，对负载均衡的响应机制。由于通过功率水平的动态变换带来的蜂窝网络布局(拓扑)本身的动态变换，无线设备本身会受益，因为这种网络初始化的负载均衡并不需要在无线设备和AP之间的任何额外的信令报文。实际上，既可以无需与在无线客户端设备和AP之间的额外信令报文配合，也可以与其配合，来使用功率控制技术。功率调节方法的主要优势在于它无需额外的信令报文(除了由无线设备的默认行为所要求的那些)来影响负载均衡。一旦调节了不同AP的覆盖区域，无线设备将最终再次附着于替代AP。
也就是说，在典型的实施例中，当新的无线设备接通并试图连接到无线网络时，它们将看到调节后的覆盖区域组，并根据所述调节后的覆盖区域组而依附到它们的首选AP上。网络均衡通信负载的尝试对无线设备来说，是完全透明的。
依照本发明的另一方面，提供了一种被称为负载均衡管理器(LBM)的集中的实体，其可以用软件来实施以调节AP集合的功率水平(从而调节覆盖区)。通过监控每个独立AP上的负载水平，LBM检测特定接入点何时被加载(其可以表示为各种条件，例如附着的用户数量超过一个阈值，或通信量超过某个速度，或处理延迟超过一个可接受的限制)。然后，LBM指示相邻的负载不足的AP增加它们的发射功率水平，从而增加它们与当前AP的覆盖区重叠的区域。由于所述重叠，一个或多个附着于当前AP的无线设备现在可以位于替代AP的覆盖区中；通过将这些设备切换到那些AP，LBM可以将在当前AP上的通信负载减少为更可接受的水平。
本发明的替代方面在于它额外地允许由独立AP进行独立的功率调节，同时仅与相邻AP进行最少的协调，而无需任何集中的协调。正在感受显著超负载的接入点可以简单地决定减少其单元尺寸，并请求其邻区增加它们的覆盖区域以得到由此产生的放松。每个AP可以以完全不协调且不同步方式来这么做，同时(与相邻AP)仅有少量局部化的信令，其中使用有线网络。
本发明的负载均衡技术的另一方面在于(协调或独立的)调节发射功率水平的处理可以或者由AP或者由无线计算设备发起。作为功率调节处理的启动，本发明利用无线设备发起的触发(例如差服务或高延迟的表示)，或AP发起的触发(例如过量的用户或过度的通信速率)。而且，负载均衡技术可以使用特定的明确的信令报文来指示无线设备重新与一个特定替代(或任意替代)AP相关，或将其留给将来的独立事件(例如链路故障或无线设备移动)以发起到一个替代AP的重新连接处理。
本发明进一步的方面涉及将AP的功率调节技术与一个或多个无线设备的附加功率调节技术相结合。在该方法中，一个超负载的AP也可以通过简单地要求它的一些附着的无线客户端设备增加它们的发射范围并从而连接到替代的相邻AP，来放弃它的一些负载。为了确保成功的双向通信，该方法也可能要求一个或多个相邻AP增加它们的发射功率。
本发明最后的方面涉及LBM或一个独立AP可以决定需要增加超负载的AP的功率水平，或需要减小负载不足的AP的功率水平的程度的方法。实质上，发射功率水平的每个值与明确定义的发射或通信范围相关。而且，在一个实施例中，假定独立AP的位置是系统所知的。因此，LBM或独立AP可以确定在相邻AP之间的距离。为了确保没有由于相邻AP的不相重叠的覆盖区域而产生“盲区”，系统确保当减小AP的功率水平时，将相邻AP的功率水平至少增加到所需的水平，以确保两个AP的发射范围总和等于或超过在它们之间的物理距离。而且，本发明还包括一种逐渐增减的方法，其中逐渐地增加超负载的AP的功率水平，并逐渐地减小负载不足的AP的功率水平，直到令人满意地重新分配负载。当然，本发明的替代实施例可以使用不同的算法来增加或减小发射功率(例如在超负载的服务器上与该服务器上超负载量成比例地使发射功率量减小)，其中增加或减小以较大数量发生。
附图说明
参照以下描述、附上的权利要求以及附图，将更好地理解本发明的装置和方法进一步的特征、方面和优势，其中附图包括：
图1描绘了一个蜂窝接入网络的大体布局，说明性地解释了AP的作用，并表示了各个无线设备如何依附到特定的AP并与其通信；
图2描绘了在蜂窝环境中的接入点处发生的超负载的情形的例子；
图3描绘了依照本发明，用于调节AP覆盖区域以进行负载均衡并减轻通信量不均衡的解决方案；
图4是描绘了在依照本发明的负载均衡解决方案中执行的步骤的基本顺序的流程图；
图5是描绘了由作为中心控制点以用于依照本发明一个实施例的功率调节处理的被称为负载均衡管理器的集中的软件实体执行的步骤的基本顺序的流程图；
图6描绘了基于功率的负载均衡的替代实施例，其中每个AP自主地运行并且以分配的方式来进行功率控制；
图7是描绘了可以如何影响无线客户端设备实际切换到一个替代接入点的流程图；以及，
图8描绘了蜂窝网络的逻辑布局，其包括负载均衡管理器(LBM)软件实体。
具体实施方式
本发明针对一种作为负载自适应方法的一部分的新的负载均衡机制。尽管用于负载自适应的现有技术机制依赖于AP和一个无线客户端节点之间的明确的信令(报文的交换)，其作用在于指示它切换到一个替代AP，即使该无线节点仍然在当前AP的覆盖区之内，但依照本发明一个实施例的负载均衡机制，如在下文中将描述的，并不需要任何这种明确的信令，而作为替代地，通过减小AP的覆盖区从而将目标无线设备排除出新的覆盖区，以迫使所述无线设备切换到另一AP。
也就是说，本发明提供了一种方法，其中提供无线蜂窝覆盖的一组接入点响应于在某些“热点”的过度通信负载，来使用对它们的发射功率的调节以改变蜂窝拓扑。例如，一个超负载的接入点能够通过简单地减小其发射功率，来减小其覆盖区域(单元尺寸)。由于覆盖区域的这一减小，先前使用该接入点的一些无线客户端设备将使它们自己与替代接入点重新相关，从而减小在该接入点的通信负载。以相似的方式，本发明使一个负载不足或未充分使用的接入点能够增加其覆盖区域，从而给先前在其覆盖区域之外的一些无线客户端设备提供机会以使它们自己与该接入点相关。
本发明额外地针对一种方法和装置，通过它们，所述功率调节处理可以在无线接入网络中导致通信量平衡，而无需在无线客户端设备中配置任何新信令或协议。然后，接入网络可以提供负载均衡，即使当各个接入点并不具有能力以通过，例如从相邻接入点借用信道或带宽的技术，来动态地改变它们的容量的时候。而且，提供了一种包括一个在此被称为负载均衡管理器的集中的软件实体的控制系统，以协调各个接入点(AP)增减它们的发射范围的处理。这种中心的协调确保当一个超负载的接入点减小其覆盖区域时，它的相邻AP增加它们自己的覆盖区域，从而确保覆盖范围不受“盲区”(所有接入点的覆盖区域之外)的影响，并且所有无线客户端设备可以继续接入有线网络的基础结构。在替代实施例中，可以由每个接入点自主地进行负载均衡处理，所述接入点根据其自身负载水平的测量，简单地决定增减其覆盖区域。而在另一替代实施例中，通过使相邻AP组在自身之间通信以确定其发射范围的适当调节，可以执行负载均衡技术，而无需中心的协调程序。
图1表示一种无线蜂窝接入网络的典型布局，其包括一组接入点(通常也被称为基站)(例如，101、102、103、104、105、106)。每个基站有一个发射功率，这确定它的覆盖区域。这些覆盖区域由图1中的虚线的圆(例如，107、108、109、110、111、112)表示。对于任意特定的接入点，在对应的虚线的圆之内的整个区域对应于它的覆盖区域，以便所述接入点是任何位于该覆盖区域之内的无线设备的可行的连接候选者。各个无线接入设备(例如，113、114、115、116、117)通常在该覆盖区域之内移动，并依附到接入点之一。一般来说，一个特定的无线设备可以位于多个接入点之间的重叠的覆盖区域中(例如，无线设备115同时位于102和103的覆盖区域之内)，并且因而可以从多个替代AP中进行选择。
当大量无线客户端设备连接到单个接入点时，或当连接于一个接入点的设备产生高得不可接受的通信量时，对应的接入点可能变得超负载并遭受差的性能。图2描绘了在蜂窝环境中的一个接入点处发生的超负载的情形。一般来说，当许多无线客户端设备移进一个特定接入点的覆盖区域并附着到其上，这增加了与所述接入点相关的通信负载时，发生超负载。而另一方面，与此同时，相邻的接入点如果没有为太多无线客户端设备提供服务，则可能负载不足。这样，图2表示有覆盖区域(203)的接入点A(201)有5个无线设备W1(205)、W2(206)、W3(207)、W4(208)和W5(209)附着到其上(分别由线条211、212、213、214和215表示)，而有相似覆盖区域(204)的接入点B(202)仅有一个设备W6(210)附着到其上(由线条216表示)的情形的例子。很明显，通过将一些无线客户端设备(例如，W4(208)和W5(209))切换到接入点B(202)，系统将减轻在接入点A(201)上的超负载，而无需引起接入点B的开销的不可接受的增加。
图3描绘了如何通过接入点的发射功率(覆盖区域)的适当调节，来调整图2所述超负载的情况。一个接入点通过扩展它的覆盖区域，可以有效地从另一接入点拉走一些客户端设备，从而有助于从相邻超负载的接入点转移一些通信量。这样，在图3中，接入点B(302)(从图2中的对应值)增加了它的覆盖区域，同时接入点A(301)减小了它的覆盖区域。无线客户端设备W1(305)、W2(306)和W3(307)继续保持其与接入点A(301)的关联(分别为311、312和313)，而无线客户端设备W6(310)继续保持其与接入点B(302)的关联(316)。然而，与图2相比，无线客户端设备W4(308)和W5(309)切换其关联(分别为314和315)至接入点B，从而减轻了在接入点A上的拥塞。在本发明的首选实施例中，将设备W4和W5切换至接入点B仅仅通过调节AP A和B的发射功率来实现的，而无需来自或到客户端设备的额外信令。应当理解，依照本发明的不同实施例，可以使用不同的算法来计算增加或减小AP的发射功率的程度(量)。例如，在任意发射功率水平和相关的发射范围之间存在着众所周知的一一对应。因此，在超负载的AP的功率降低和负载不足的相邻AP的增加的任何可能的组合都是可行的，只要它们的发射范围总和超过或等于它们之间的物理距离。
图4是表示根据负载均衡来执行发射功率而实施的功能步骤的流程图。基本上，该方法包括如下步骤：检测一个超负载或负载不足的AP，然后计算AP的功率水平的必要变化并表示那些变化，以及最后使一个或多个客户端设备将它们的连接切换至另一相邻AP。由于所述切换，在超负载的AP上的负载减小了，并且在负载不足的AP上的负载将增加。
如图4所示，第一步骤(401)包括连续监控通信负载状况和/或分组度量，并且在(402)，在一个或多个AP检测超负载或者在一个或多个AP检测负载不足的状况(403)。这些条件中的每一个用于请求在一个或多个AP调节发射功率(覆盖区域)(404)。用于在AP调节各个发射功率的算法的候选实施例包括(在相当熟悉这一技术的任何人将能构造的各种其它选择之中)：a)总是减小超负载的AP的发射功率至下一个更低的功率水平，接着适当增加相邻AP以确保覆盖区域的适当重叠；以及b)根据超负载的AP的当前负载数，或者根据当前附着于其上的无线客户端设备的各个或共同位置，来减小它的发射功率。实质上，如果超负载较高，减小较大量的发射功率。相似地，如果大部分无线客户端设备更接近于所述AP，而不是远离，则减小一个较大量的发射功率。
作为负载均衡的最后一步，一个或多个客户端设备将它们的连接切换到一个新的AP(405)，从而改变在各个AP上的通信量的分布和负载。此后，监控处理通过返回步骤(401)而继续。可以经由各种标准的方法来执行在一个或多个AP检测超负载。也可以在一个或多个AP或者在一个或多个无线客户端设备处执行所述检测。例如，一种简单的检测形式可以包括每个接入点追踪连接的用户数量，或经过它的比特数/秒，并且如果这些值超过某些预先设定的范围，则标记超负载的状况。相似地，无线客户端装置通过监控与其分组相关的各个性能度量(例如，分组时延或分组损失率)并且如果这些值超过特定的范围，则标记超负载，可以表示超负载或拥塞。相似地，接入点还可以检测它们未充分使用的时候，由此能够扩展它们的覆盖区域并允许额外的无线设备附着于其上。
新的覆盖区域和发射功率的实际计算可以在一个在软件控制下运行并被一个称为负载均衡管理器的集中式计算服务器中执行，或者可以在许多独立AP上分布式地执行。增减发射功率有可能发生在一组离散的步骤中。例如，一个超负载的接入点可以从当前水平减小其发射功率至在其可允许功率水平的有限集合中的下一个更低的值，并且在预定的时间间隔之后，决定这一减少是否足以确保负载分配。这样，如果AP需要进一步减小其功率水平，它可以重复地这么做。最后，将客户端设备切换至替代AP，这本身可能以各种方式发生。可能通过向它们发出特别的信令报文迫使从它们的当前AP切换，或者如果它们碰巧超出它们的当前AP的减小的范围，则可能作为强制的切换而发生，或者可能作为周期性的客户端发起的查看可以提供更好的性能或覆盖范围的替代AP是否存在的结果而发生。在所述功能的一个实施例中，客户端设备可以将由各个AP发出的信标的接收信号强度相比较，并可以切换到有最大信号强度的那个。
依照本发明，可以设置一个集中的负载均衡管理器(LBM)以协调在属于公共接入区域并在一个公共管理实体控制下的一组AP上的发射功率的调节。在此将根据图5和8更详细地讨论关于负载均衡管理器的操作的细节。
图5表示由LBM执行的作为负载均衡功能的一部分的方法。LBM必须确定(501)在各个AP上的适当的负载水平，并将它们与策略相关的阈值相比较(502)，以决定是否需要执行任何功率调节来改善不可接受的高的超负载或负载不足的情形。这些负载水平通常由众所周知的技术使用各种众所周知的性能度量来测量其中例如分组传输时延、分组损失率、分组传输时延偏差(抖动)、AP处理器利用率、AP存储利用、连接的无线设备数量等来计算。出于说明的目的，在 http：//www.ietf.org/rfc/rfc2330.txt可获得的并通过引用合并犹如在此充分地提出的1998年5月的IETF RFC 2330中V.Paxson、G.Almes、J.Mahdavi、M.Matthis的标题为《用于IP性能度量的结构》这一参考资料中概括了一组这种度量。如果当前状况是好的，LBM基本上暂时省略任何调节，并在再次检查接入网络状况之前等待一段时间(505)。如果当前的通信量状况表示需要调节各个AP的功率水平，则LBM必须首先检索(504)AP的地形布局，以确定任意特定AP的相邻组。所述相邻信息可以从简单的连接图形(有在任意两个相邻AP之间的一个边缘)的方式中获得，或者以每个AP的精确地理位置的形式，或者任意其它表示位置的形式。根据所述位置信息，以及负载水平，LBM计算(505)可能调节功率的AP组。该计算本身可以有不同的种类。在最简单的计算中，LBM指示超负载的AP减小其发射功率，而并不指定减少量的确切值。在更复杂的算法中，LBM计算每个AP的功率所需要的精确调节，务必确保覆盖区域的调节并不引起任何“盲区”。最后，在一个规定的时间间隔之后的再次循环之前，LBM必须指示(506)各个接入点执行适当的功率水平调节。
在本发明的另一实施例中，发射功率的调节由AP本身来执行，不存在集中的控制实体。本发明的分散式的实施例中的一组典型步骤表示在图6中，其描绘了基于功率的负载均衡的替代实施例，其中每个AP自主地运行并且以分散式的方式执行功率控制。在该方法中，每个AP基本上询问其相邻AP以确定它是否能够以及是否打算改变其功率水平。该方法使用了局部化的负载均衡，以从一个超负载的AP向其负载不足的相邻AP之一转移无线客户端设备。这样，如图6所示，每个接入点必须首先确定它是否能够增加或减小其发射功率(从而，增加或减小其覆盖区域)。为了确定这一点，每个AP首先获得(601)其当前的性能度量，例如连接的用户数量或通信量速率，并将其与一些阈值相比较。通过该计算，AP能够决定(602)它当前是否处于超负载的状态(因而，需要减小其功率水平)，还是负载不足的状态(因而，如果某些相邻AP要求的话，可以增加其功率水平)，还是处于一种它将继续保持其当前发射功率水平的运转范围。如果AP处于负载不足的状态，那么它询问(603)其相邻AP，以查看它们中任意一个是否超负载并想要向它转移一些负载。在获得该信息之后，该接入点确定(604)它是否将增加其覆盖区域。如果该负载不足的接入点有一个超负载的相邻AP，那么所述实施例通过使(605)负载不足的AP增加，并且一个或多个超负载的相邻AP减小发射功率而工作。在完成该处理之后，AP在重复步骤(601)之前等待规定的间隔(609)。如果AP处于将保持其当前功率水平的状态，那么它在返回步骤(601)之前仅仅等待规定的间隔。然而，如果接入点处于超负载的状态，则它询问(606)其相邻AP以查看它们中任意一个是否处于负载不足的状态并可以增加它们的覆盖区域。如果发现了这种负载不足的邻区(607)，那么所述实施例在步骤(609)等待并在步骤(601)再次发起处理之前，要求(608)超负载的AP减小，并且一个或多个它的负载不足的相邻AP增加它们的发射功率。
有利的是，依照本发明另一方面的用于负载均衡的方法并不直接涉及无线客户端设备用于切换其接入点的机制。客户端设备自由地使用各种替代技术以影响所述切换。图7表示依照本发明，可能结合功率调节算法使用以使无线客户端设备能够切换AP的一组替代方法。
在图7所描绘的实施例中，当前接入点可以发出明确的指令以重新连接一个无线设备。该重新连接指令或者可以规定新的接入点的身份，或者可以仅仅指示客户端设备选择另一替代接入点。在后者的情况下，客户端设备自由地使用任意算法，其使用链路质量的测量以从可行的替代中确定其首选接入点。当AP并未发出任何明确的重新连接指令时，通过客户端设备丢失与其当前AP的连接来触发重新连接的替代方式。在此情况下，客户端再次自由地调用任意算法来选择一个替代AP。重要的是注意，许多这种算法是可用的，并且本发明并不要求使用任意一个特定算法而不用另一个。这样，仅要求客户端具有在替代的候选AP之间评估并选择一个首选接入点的能力。这是在所有实际有用的客户端无线设备中提供的基本能力。
在图7中所描绘的方法中遵循的步骤的正确顺序，取决于放弃负载的接入点是否明确地指示(701)客户端设备切换到另一接入点。如果当前AP发出明确的切换指令，那么该指令可能明确地包括(702)新的AP的身份。在此情况下，客户端设备仅仅必须执行链路和网络层协议组，以切换(704)其连接至新的指定的AP。如果切换指令并未明确地指定新的AP(而是仅仅指示客户端设备切换到其它AP)，那么客户端设备必须首先计算可行的候选AP组，确定这些中的哪一个是最好的选择，并接着连接到新选择的AP上。然而，切换机制并不明确地依赖于从当前AP到无线设备的任何指令；通过其它标准技术同样可能触发切换。例如，如果当前AP的减小的覆盖区域引起(705)无线客户端设备丢失与其的连接，客户端设备将自动地搜索(707)新的替代AP，选择新的候选AP，然后连接到其上。切换还可能在当前AP的减小的覆盖区域并未引起明确的连接丢失时发生。大多数无线客户端设备履行一些周期性地(706)评估与当前AP的链路质量相对于与替代AP的链路质量的协议。由于当前AP的功率水平的减少，并且相邻AP的功率水平可能的增加，客户端可能发现在所述周期性的评价过程内，存在到替代AP的更好的链路。在此情况下，客户端可以通过执行必要的重新连接协议来切换到替代AP。为了避免当相邻AP调节其功率水平而没有精确同步时由瞬态产生的多次切换，客户端设备可以在确定下一个首选AP之前等待一小段时间。
因此，本发明并不指定用于连接到或选择一个首选AP的新方法，而是仅仅调节不同AP的覆盖区域以便可以由任何连接或选择方法来实现负载均衡。
本发明的特征之一在于并不需要集中的负载均衡管理器(LBM)位于某个特定的位置，而仅仅需要有网络连接到它控制的AP组。图8表示包括负载均衡管理器(LBM)的蜂窝网络的逻辑布局。依照本发明，LBM需要能够连接各个AP以确定它们的负载水平，并指示它们调节其发射功率。因此，LBM在网络之内的物理布局是不重要的——它可以位于蜂窝接入网络中或因特网中的其它地方，只要在LBM和各个AP之间存在网络连接。特别地，如图8所示，描绘了三个接入点A(801)、B(802)和C(803)及其各自的覆盖区域(804)、(805)和(806)，以及两种(2)可能的用于LBM的布局替代方法。在实际接入网络的普通实施例中，这些AP将通过局域网(LAN)基础结构(807)而相互连接。所述LAN将反过来连接到骨干因特网基础结构(808)。在本发明的一个实施例中，LBM(809)可以位于局域网本身之内，并从而可能能够使用接入网络本身与AP通信。在一个替代实施例中，LBM(810)可以位于远离设置AP的位置，并可能需要通过因特网接入AP。为了接入因特网，远程地布置的LBM(810)将使用其自身的本地LAN基础结构(811)。
尽管根据本发明的说明性的和预先形成的实施例详细地表示并描述了本发明，但那些熟悉技术的人应当理解，可以在其中进行形式和细节中的上文及其它的改变，而不背离应当仅由附上的权利要求的范围所限制的本发明的精髓和范围。

Claims (29)

1.一种用于在一个无线蜂窝网络中减轻在一个或多个无线接入点(AP)上的通信负载的方法，该方法包括如下步骤：
a)在一个或多个AP，检测通信量超负载或负载不足的状况之一；
b)调节与所述一个或多个AP相关的发射功率水平，从而调节每个AP的相关覆盖区域的尺寸；以及，
c)发起将一个或多个当前无线设备从它们与所述一个或多个AP的第一个AP的当前连接切换到一个替代AP，从而调节在所述第一AP和替代AP的通信负载。
2.权利要求1中所陈述的方法，其中所述无线蜂窝网络是基于分组的，所述检测步骤包括监控：通信量相关的度量和各种与经由所述AP发送的分组相关的性能度量中的一个或多个，以及当在一个AP检测到所述超负载或负载不足的状况时，生成在所述AP超负载的状况信号。
3.权利要求2中所陈述的方法，其中所述调节步骤b)包括下述之一：增加或减小与一个或多个AP相关的发射功率水平，减小在一个超负载的AP的所述发射功率至一个更低的功率水平，以及在一个相邻AP相应地增加发射功率以确保覆盖区域的适当重叠。
4.权利要求3中所陈述的方法，其中所述检测进一步包括：追踪在每个接入点的连接的用户数量，以及如果这些值超过一个阈值，则生成一个超负载状况信号。
5.权利要求3中所陈述的方法，其中所述性能度量包括：分组时延、分组损失率以及AP处理器利用率的一个或多个，所述检测进一步包括：将所述分组时延、分组损失率以及AP处理器利用率中的一个或多个与各自的阈值相比较，并且如果这些值超过一个阈值，则生成一个在所述AP超负载的状况信号。
6.权利要求3中所陈述的方法，其中所述通信量相关的度量包括在一个或多个接入点的总通信量速率或用户数量，所述检测进一步包括：将所述一个或多个接入点的总通信量速率或用户数量与一个阈值相比较，并且如果在一个或多个接入点的总通信量速率或用户数量超过一个阈值，则生成一个在所述AP超负载的指示信号。
7.权利要求3中所陈述的方法，进一步包括提供一个集中的负载均衡装置，以接收由AP生成的超负载状况信号，并控制在所述AP和与之相应的替代AP的所述功率水平的调节。
8.权利要求1中所陈述的方法，其中所述发起切换步骤c)包括下述之一：明确地指示一个客户端设备切换到另一个确定的接入点，或使一个客户端设备能够发起搜索新的AP然后切换到该新的AP上。
9.一种用于减轻在一个无线蜂窝网络中的一个或多个无线接入点(AP)上的通信负载的系统，其包括：
用于在一个或多个AP检测通信量超负载或负载不足的状况之一的装置；
用于调节与所述一个或多个AP相关的发射功率水平，从而调节每个AP的相关覆盖区域的尺寸的装置；以及，
用于将一个或多个当前无线设备从它们与所述一个或多个AP的第一个AP的当前连接切换到一个替代AP，从而调节在所述第一个AP和替代AP的通信负载的装置。
10.一个权利要求9中所陈述的系统，其中所述无线蜂窝网络是基于分组的，所述检测装置包括：
用于监控：通信量相关的度量和各种与经由所述AP发送的分组相关的性能度量中的一个或多个的装置；
用于将所述通信量和分组性能相关的度量值与阈值相比较，以确定所述超负载或负载不足的状况的装置；以及，
用于当在一个AP检测到超负载和负载不足的状况时，生成在所述AP超负载的状况信号的装置。
11.一个权利要求10中所陈述的系统，其中所述用于调节发射功率水平的装置执行下述之一：增加或减小发射功率水平，减小在一个超负载的AP的所述发射功率至一个更低的功率水平，以及相应地增加在一个替代AP的发射功率以确保覆盖区域的适当重叠。
12.一个权利要求11中所陈述的系统，其中所述在各个AP的发射功率是依照无线客户端设备的明确位置来调节的，以确定功率增加必需的适当水平以允许某些当前连接于替代AP的客户端设备切换到第一AP，或者确定功率降低需要的适当水平以确保某些当前连接于该第一AP的客户端设备被切换到替代AP。
13.一个权利要求11中所陈述的系统，进一步包括一个集中的负载均衡装置，以接收由一个或多个AP生成的超负载状况信号，并控制在所述AP和与之相应的替代AP的所述功率水平的调节。
14.一个权利要求13中所陈述的系统，其中所述无线蜂窝网络包括一个链接所述一个或多个接入点(AP)的本地接入区域网络，所述本地接入区域网络与一个广域网相连，其中所述集中的负载均衡装置与所述本地接入区域网络或所述广域网之一通信。
15.一个权利要求12中所陈述的系统，其中一个AP生成明确地指示一个客户端设备切换到另一个确定的接入点的信号，或使一个客户端设备能够发起搜索新的AP以切换到其上的信号。
16.一种用于调节在一个无线蜂窝网络中的各个无线接入点(AP)的发射功率水平的方法，该方法包括如下步骤：
a)在一个或多个AP，检测通信量超负载或负载不足的状况之一，并根据所述超负载或负载不足状况的检测，在所述AP生成一个或多个信号；
b)将所述超负载和负载不足的信号传递给一个负载均衡装置，以控制与AP相关的发射功率水平的调节，从而调节每个AP的相关覆盖区域的尺寸，以及，
c)发起将一个或多个当前无线设备从它们与所述一个或多个AP的第一个AP的当前连接切换到一个替代AP，借此调节在所述第一个AP和替代AP的通信负载。
17.权利要求16中所陈述的用于调节发射功率水平的方法，其中在一个独立AP的AP发射功率水平是依照无线客户端设备的明确位置来调节的，以确定功率增加必需的适当水平以允许某些当前连接于替代AP的客户端设备切换到第一AP，或者确定功率降低需要的适当水平以确保某些当前连接于所述第一AP的客户端设备被切换到替代AP。
18.一种用于调节在一个无线蜂窝网络中的各个无线接入点(AP)的发射功率水平的方法，该方法包括如下步骤：
a)在一个或多个AP检测通信量超负载或负载不足的状况之一，并根据所述超负载或负载不足状况的检测，在所述AP生成一个或多个信号；
b)将所述超负载和负载不足的信号传递给一个或多个相邻AP，配置每个AP以配合所述一个或多个相邻AP来调节它的相关发射功率水平，从而调节每个AP的相关覆盖区域的尺寸；以及，
c)发起将一个或多个当前无线设备从它们与所述一个或多个AP的第一个AP的当前连接切换到一个替代AP，借此调节在所述第一个AP和替代AP的通信负载。
19.权利要求18中所陈述的用于调节发射功率水平的方法，其中在一个独立AP的AP发射功率水平是依照无线客户端设备的明确位置来调节的，以确定功率增加必需的适当水平以允许某些当前连接于替代AP的客户端设备切换到第一AP，或者确定功率降低需要的适当水平以确保某些当前连接于所述第一AP的客户端设备被切换到替代AP。
20.一种用于在一个无线蜂窝网络中提供的一个或多个无线接入点(AP)均衡通信负载的方法，该方法包括如下步骤：
a)在一个或多个AP检测通信量超负载或负载不足的状况之一；
b)调节与所述一个或多个AP相关的发射功率水平，从而调节每个AP的相关覆盖区域的尺寸；以及，
c)发起将一个或多个当前无线设备从它们与所述一个或多个AP的第一个AP的当前连接切换到一个替代AP，从而调节在所述第一个AP和替代AP的通信负载。
21.权利要求20中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述在AP调节发射功率，进一步包括下述操作中的一个或多个，包括：减小一个超负载的AP的发射功率，以及增加一个负载不足的AP的发射功率。
22.权利要求21中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述无线蜂窝网络是基于分组的，所述方法进一步包括如下步骤：
在每个AP监控：通信量相关的度量和各种与经由所述AP发送的分组相关的性能度量中的一个或多个；
将通信量和分组性能相关的度量值与阈值相比较，以确定所述超负载或负载不足的状况；以及，
当在一个AP检测到超负载和负载不足的状况时，生成在所述AP超负载的状况信号。
23.权利要求21中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述在一个独立AP的发射功率是依照无线客户端设备的明确位置来调节的，以确定功率增加必需的适当水平以允许某些当前连接于替代AP的客户端设备切换到第一AP，或者确定功率降低需要的适当水平以确保某些当前连接于所述第一AP的客户端设备被切换到替代AP。
24.权利要求21中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述增加AP发射功率的步骤进一步包括：增加一个AP的发射功率至超过支持与其当前连接设备组通信所需的水平。
25.权利要求21中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述增加或减小AP发射功率进一步包括：增加或减小连接到、或能够连接到一个AP的一个或多个无线客户端设备的发射功率。
26.权利要求21中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述调节AP发射功率进一步包括：使一个或多个AP的覆盖区域能够变得完全被包括在另一接入点的较大覆盖区域之内。
27.权利要求21中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述调节AP发射功率进一步包括下述之一：以独立于负载水平的方式，或者以基于实际或估计的负载水平的方式，来调节一个超负载的AP的功率水平。
28.权利要求21中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述具有一个或多个连接的无线客户端设备的独立AP处的发射功率，是通过生成由所述客户端设备接收的、指示所述客户端设备绑定到另一替代接入点的信号，而减小的。
29.权利要求28中所陈述的用于均衡通信负载的方法，其中所述由所述连接的无线设备接收到的信号包括：指示所述无线客户端设备明确地切换到一个特定替代接入点的信号，或指示它切换到任何可行的替代接入点的信号，所述被指示的无线设备丢失与该无线设备当前连接的接入点的连接，并接着连接到一个替代接入点。
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