CN1826772B - 在多物理传输速率无线系统中提供广播时间公平性的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于在无线网络中提供带宽公平性的方法包括：为所述网络中多个无线站中的每个确定特定服务间隔的带宽需求。所述方法还包括：根据最小物理传输速率来为多个无线站中的每个确定分配的传输时间。另外，如果至少一个无线站以小于最小物理传输速率的其它传输速率发送，那么该说明性方法包括：分割该至少一个无线站的分组。一种设备适于实现所述说明性方法。

Description

在多物理传输速率无线系统中提供广播时间公平性的方法和设备

在传统有线系统中应用无线技术变得越来越平常。例如，用于计算机的无线网络已经在传统上为有线连接所保留的链路中实现。

随着无线链路变得更加常用，需要加强对在接入点和无线站/节点之间的无线通信业务的更好处理。例如，在诸如无线局域网(WLAN)之类的无线网络中，存在可能出现的至少三种类型的通信业务。第一类被称作上行链路通信业务，其指的是把内容从无线站发送到接入点。第二类被称作下行链路通信业务，其指的是把内容从接入点发送到无线站。第三类被称为侧行链路(sidelink)通信业务，其指的是把内容从一个无线站发送到另一个无线站。

不幸地是，对于从接入点到无线站的下行链路通信业务，可能出现特定的效果变差的问题。当与特定的无线站通信时，确保到其它站有足够的广播时间和带宽公平性(fairness)常常是一个问题。例如，接入点可以从分布式系统接收多个内容流，每个内容流被指定到不同的无线站。接入点不仅必须确定向它们各自的无线站发送所述流的次序，而且所述接入点必须保证不会向一个无线站分配太多的带宽和广播时间。

然而，由于无线站的移动性质，不容易实现公平性。特别对于具有不同的物理传输速率的移动网络来说更是如此。这种网络的例子是通用分组无线业务(Generalized Packet Radio Service GPRS)和无线局域网(WLAN)。在这些网络中，站和接入点(在GPRS网络的情况下为基站)根据到所述接入点(在GPRS网络的情况下为基站)的距离来以不同的物理传输速率通信。

例如，在I.E.E.E.802.11b的标准下，在WLAN之内存在至少四种通信速率；即，11Mb/s、5.5 Mb/s、2Mb/s和1Mb/s。在IEEE 802.11aWLAN的情况下，在从6Mb/s到54 Mb/s范围内存在八种不同的物理传输速率。在IEEE 802.11b WLAN协议中，当无线站迁移或离开其接入点时，同其的物理通信速率也会下降。即，非常接近于接入点的第一无线站可以以11Mb/s的速率接收数据，而从所述接入点移开的第二无线站只可以以5.5Mb/s或2Mb/s或1Mb/s速率接收数据，这取决于该站到接入点的距离。为了举例，假定站该移到远处并且其传输速率是1Mb/s。

因为第二无线站移开并且其物理传输速率降低到1Mb/s，所以用于发送其MAC帧的时间增加到11倍(这是因为其传输速率从11Mb/s降低到1Mb/s)。因而，在此帧的过渡时间期间，其它无线站在可以访问无线介质并转送它们的日期帧之前，将必须等待相对较长的时间。这导致来自其它站的分组错过其发送的最后期限并且还降低了它们的吞吐量。由于一个站的移开所有站吞吐量都会变低，从而降低了系统吞吐量。

可以容易地理解，这些延迟可能导致网络内无线站的服务有不可接受的中断等级。例如，典型情况下视频和音频内容对延迟非常敏感，这意味着它们不能容许延迟；并且所述视频和音频内容对丢失并不敏感，这意味着它们能够承受丢失某些帧。这与诸如电子邮件和FTP通信业务之类的数据内容形成对比，这些数据内容对丢失非常敏感，但是对延迟并不敏感。因而，分组和帧的延迟发送对各种类型的通信业务会产生不可接受的服务质量(Quality of Service QoS)等级，所述通信类型包括但不局限于音频和视频类型的通信业务。当网络负载加重时这尤其是一个问题。

鉴于上文，对于下行链路通信业务，需要一种在不使分组或帧发送延迟进而满足服务质量(QoS)需要的情况下，向无线站提供广播时间和带宽公平性的方法。例如，需要一种在不会不利影响到与网络中其它无线站通信业务的情况下能够向单个无线站发送连续分组的接入点。

依照示例性实施例，一种用于在无线网络中提供带宽公平性的方法包括：为所述网络中多个无线站中的每个无线站确定在特定服务间隔的带宽需求。所述方法还包括：根据最小物理传输速率来为多个无线站中的每个无线站确定分配的传输时间。另外，如果至少一个无线站以小于最小物理传输速率的其它传输速率进行发送，那么该说明性方法包括：分割该至少一个无线站的分组。

依照另一示例性实施例，一种无线网络包括至少一个接入点和多个无线站。例如，在每个服务间隔中，接入点基于最小物理传输速率下每个无线站的传输需求来为它们分配传输时间，在所述服务间隔内所述最小物理传输速率是固定的。

当阅读附图时根据下列详细描述将更好地理解本发明。应当强调不必按比例地描绘各个细节。实际上，为了清楚论述可以任意地增减尺寸。

图1是依照示例性实施例的分布式无线网络的示意图。

图1是依照示例性实施例的无线站的示意性框图。

图3是依照示例性实施例用于提供广播时间公平性的方法的流程图。

在下面的详细描述中，为了解释而不是限制，阐明了公开具体细节的示例性实施例以便提供对本发明的彻底了解。然而，掌握本公开益处的本领域内普通技术人员清楚：在不脱离这里所公开的具体细节的情况下可以在其它实施例中实施本发明。此外，可以省略对公知的装置、方法和材料的描述，以便不致模糊对本发明的描述。最后，如果适用，同样的附图标记指代同样的部件。

简言地，如这里结合说明性实施例所述，公开了用于在具有多个物理传输速率的无线网络中提供广播时间公平性的方法和设备。依照示例性实施例，公平的广播时间是指基于认可的下游站的通信业务特性分配给一个站的时间，并且所述时间等于服务在信标间隔中所产生的所有分组除以前面段落中所述的最小物理传输速率。

为了比较，在已知的系统中，如果第一无线站移开其原始位置到达传输速率是原始速率一半的位置，如果能够完全地发送分组，那么它将花费其所分配的用户时间的两倍。同时，第二无线站可能会‘醒来’并且不能向所述接入点发送直到所述第二无线站已经完成它的传输。换句话说，站2的分组的传输时间现在移动2个真实的时间单位。由于所述分组可能错过它们的“最后期限”，所以这可能会导致流2的服务质量(QoS)受损。据此，第二站的服务质量(QoS)被减损，并且无线网络或系统的整体吞吐量也降低。

作为对比，依照说明性实施例，只降低了第二站的QoS，而没有降低第一站的QoS。为此，示例性实施例根据需要在特定的传输速率下根据传输时间来提供传输能力。在目前的示例性实施例中，接入点为第一站分配一个分组传输时间，并且为第二站分配三倍的分组传输时间。因而，第一站的传输时间已经被接入点设置为第二站的三分之一。如果第一站从接入点移开并且作为结果其传输速率被减半，那么因为它具有与其在网络内的位置/移动无关的、所设定的发送时间，所以它的流将是唯一一个受到影响的。即，‘未移动的’站将继续以它们设置速率和序列发送，并且它们的QoS不受其它站移动的影响。

在目前的示例性实施例中，第一站将根据其物理传输速率被降低多少倍来把分组分割为相等长度的两个或多个分组。然后，第一站将在所分配的时间内发送其第一分段或最初几个分段，并且此后第二站将在指定时间开始其传输，因而没有任何延迟。因而，不管系统中其它站(一个或者多个)移动与否，在特定会话中将其物理传输速率维持在最小物理传输速率的任何无线站的QoS将维持不变。因此，依照示例性实施例，有益地是，通过根据需要向每个无线站最初分配传输时间来实现公平性。

图1示出了依照示例性实施例的无线系统100。无线系统100可以是分布式无线系统(未示出)中的多个无线系统之一。无线系统100包括接入点101(AP)、第一无线站102、第二无线站103和第N无线站104，其中N是整数并且N≥3。

无线站102-104可以是通过无线链路连接到分布式网络的任何适当的装置。例如，无线站通常可以是移动计算机、个人数字助理、便携式设备(诸如蜂窝GPRS电话)、UWB(超宽带，Ultra Wide BandUWB)装置或无线装置。此外，示例性实施例并不限于GPRS和WLAN网络，而可以是站和中央控制器(即，WLAN中的AP和GPRS中的基站)以不同的物理传输速率通信的所有网络。还正在标准化中的超宽带系统还可以包括在不同的站之间的多物理速率传输。

AP 101是在无线联网领域中的公知元件。依照示例性实施例，对于所选择的特定协议，可以从标准类型的接入点装置中选择AP 101。AP 101用作向系统100的无线站发送分组的发送器和从其接收分组的接收器，以及调度装置。例如，AP 101包括为每个无线站选择广播时间要求，并且向每个站分配此时间。此外，AP 101提供从一个无线站到另一个无线站的通信。即，AP 101可以经由下行链路从无线站102接收要发送到无线站104的分组。然后AP 101将保持此分组直到适合于利用下行链路传输到无线站104的适当时间为止。

无线系统100提供在系统100内的基站102-104和接入点101之间以及在系统100的元件和分布式系统之间的无线通信。此外并且特有地，无线系统100提供了其中存在多个物理传输速率的系统。例如，遵循IEEE 802.11b的系统在WLAN内具有至少四个通信速率；即11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s。在IEEE802.11a WLAN标准中，在从6Mb/s到54Mb/s范围内存在八个不同的物理传输速率。当然，所引用的IEEE协议仅仅是说明性的，并且可以使用允许多个物理传输速率的其它系统。这些包括但不局限于新的Bluetooth^TM(蓝牙)标准，即IEEE 802.15.3，以及上面所参考的说明性网络。依照这些及其它协议，当无线站迁移或远离接入点时，此站的通信物理速率可能会下降到由移动量所确定的设置速率。随着继续给出的描述，所述系统的说明性实施例的这些及其它细节将变得更加清楚。

操作中，在特定的无线会话中，第一无线站102可能需要传输1Mbit的数据，第二站103可能需要传输2 Mbit的数据，而第N站可能需要传输3 Mbit的数据。在此会话中，AP101将根据特定的传输速率(常常被称为最小物理传输速率)来确定每个站完成会话所需要的时间量。由AP所选定的速率基于AP和请求QoS的流量之间的协定。在AP和站之间协商为每个站分配时间。在确定此分配之后，为每个无线站设置特定分组传输时间。为了维护公平性以及提供无线网络或系统的改进的整体传输速率，一旦这些分配被设置，那么它们就保持固定直到会话结束，此时才可以进行新的分配，这将随着本发明描述的继续变得更清楚。现在结合示例性实施例描述分配的例子。

在示例性实施例中，会话包括以下要求，第一无线站102需要经由AP101发送1Mbit的数据，第二站103需要经由AP101发送2Mbit的数据，而第N站104(在此实施例中N＝3)需要经由AP101发送3Mbit的数据。这些站中的每个经由初始化分组向AP101发送这些请求。例如，所述协议是IEEE802.11，并且最大传输速率是11Mb/s。

AP101将使用下列关系来计算用于发送分组的时间：用于发送分组的时间＝分组长度/最小物理传输速率。因而，用于发送分组的各个时间由AP101计算并且被传送到相应的无线站102-104。

在此示例性实施例中，向第三站104分配的广播时间是第一站102的三倍，并且向第二站103分配的广播时间为AP101的两倍。在分配之后，假定站102远离AP101，或由于其它原因而导致物理传输速率降低。依照协议，物理传输速率必须降低。例如，假定分配基于11Mb/s的传输速率，并且站102移到足够远以致它的传输速率现在是5.5Mb/s。在这种情况下，所述站发送1Mbit的数据的时间长度将变为原来的两倍。依照该示例性实施例，站101将把分组分割为两个分组以便在两个独立的传输中传输。为此，在本例子中，当由AP询问时，第一站101将进行发送并持续其所分配的时间，因此将发送一个分段。在此传输的末尾，第二站103(例如)将‘醒来’并进行发送并持续其所分配的时间，并且类似地第三站104将进行发送并持续其所分配的时间。

在本示例性实施例中，第二和第三站没有移动或没有由于其它原因而导致其物理传输速率降低，因而完成了它们对于此会话的传输。然而，第一站102没有完成，并且必须在等于其所分配时间的持续时间段内发送第二分段。这可以发生在下一次访问机会期间。还可以是这种情况，原始分组被分割为‘n’个小分组，并且移动并降低了其物理传输速率的此移动站可以选择子集k(k＜＝n)并且在其原始的分配时间内发送。

有利地是，由于示例性实施例的时间分配，第二和第三站的QoS没有因为第一站102的移动而受损。为此，因为在每个传输会话开始时为每个站设置用于发送的时间，所以不管这些站怎样移动，每个站都可以在指定时间醒来从而开始其传输。如果一个或多个站移动或由于其它原因而导致物理传输速率降低，那么这些站中的每个站必须将其分组(一个或多个)分割以便在多次事件中传输。

应当理解，因为在特定会话中一个无线站的移动并不会对其它站的传输带来不利影响，所以整个网络的总体吞吐量并没有显著降低。因而，依照示例性实施例，在基本上不影响来自网络中所存在的其它无线站的流的QoS要求的情况下保证了连续的分组传输，并且还减少了所述网络中的吞吐量的降低。

图2示出了依照示例性实施例的无线站200。无线站200可以是在图1中所示出的无线站102-104之一。此外，应当注意为了不模糊示例性实施例的描述，图2的无线站200只示出了与示例性实施例有密切关系的元件。当然，根据装置的类型，还可以包括许多其它元件。例如，无线站200可以是移动计算机或PDA。在这种情况下，与本描述有密切关系的元件只是整个装置的一小部分元件。

无线站200包括存储器201，所述存储器201特别包括要发送的分组202以及其它数据。无线站201还包括分组拆分部件203，所述分组拆分部件203把分组拆分为分段以便在多个分配的传输时间内发送。无线站200还包括处理器204和通信系统205。该处理器是用于定序传输、计时以及在无线网络上发送并接收分组数据所需的其它功能的已知微处理器。

操作中，如果无线站远离AP或者由于其它原因而导致物理传输速率降低，那么所述无线站的传输速率将依照协议的要求而变低，其中网络在所述协议下工作。在这种情况下，处理器204将向分组拆分部件203发送命令以便把分组拆分为完成传输所需要的分段数目。例如，如果传输速率被降低为四分之一，那么该处理器将命令分组拆分器把所述分段拆分为四个分段以便在四个独立的传输上传输，每个传输花费所分配的广播时间的一个周期。

在由无线站200所发送的第一分段的首部中，提供一个位用于向接收器(AP)表明其在稍后几次传输还将接收三个另外的分段。在最后的分段的传输中，将复位更多的分段位来表明这是最后的分段。

应当注意在示例性实施例中，一旦‘移动的’站往回移近AP并且其物理传输速率大于最小物理传输速率，那么所述站可以在不使其QoS降级的情况下成功地发送它的分组并且这会产生更好的系统吞吐量。

图3是用于无线网络(诸如图1的网络)中的上行链路和下行链路通信业务的说明性方法300的流程图。为了与先前描述的实施例相一致，方法300可以在各种协议之一下起作用，并且其特征在于在其操作网络内包括多个物理传输速率。因而，支配分布式无线网络、网络100和无线站200的许多概念和原理也适用于方法300。为了清楚地描述，在说明性方法的描述中并不重复这些概念和原理中的大部分。

在步骤301，新的通信会话在网络中的AP和多个无线站之间开始。在步骤302，AP向无线站询问关于它们对当前会话的带宽需求。在步骤303，对于当前会话，AP为每个无线站分配广播时间或传输时间。此分配根据特定的最小物理传输速率确定，并且仅仅通过将所需要的带宽除以最小物理传输速率来确定。例如，在此计算中所使用的传输速率是在协议下能够进行的最大速率。

步骤304是：如果一个或多个站在会话期间移动或由于其它原因而导致其物理传输速率降低，导致移动的站(一个或多个)的传输速率改变，那么开始在网络中所遵循的子方法。如同所见，如果没有站移动，那么如同所示所述序列遵循路线309。

在步骤304，每个移动的站可能必须将其各自的传输速率改变为新的速率，所述新的速率比步骤303的传输速率要低。这些传输速率同样是依照支配该系统的协议的。为了不会有害影响网络中其它站的QoS，移动的站必须分割它们的分组以便在所分配的传输时间内发送每个分段。如可以容易地确定，所移动站的分组中分段的数目等于初始传输速率(例如，步骤303的传输速率)除以特定(一个或者多个)站的新的、较低的传输速率。例如，如果在步骤303中由AP用来确定传输时间分配的初始传输速率是11Mb/s，并且站移到被协议命令以1Mb/s发送的位置，那么分组必须被分割为11个分段。

在步骤305，在其排定的传输时间，这些移动的站(一个或多个)发送第一分段，所述分段在首部中包括在当前会话中将要发送的分段总数。由于此站远离，所以它并没有足够的时间来发送完整的分组，并且会在以协定速率保持传输的所有站完成之后发送分段。在示例性实施例中，移动或由于其它原因而导致物理传输速率降低的站可能会发送其分段，直到其物理传输速率大于所协定的最小物理传输速率。

在步骤306，其余站根据AP排定的会话来执行与AP之间的对话。应当注意，所具有的其它站可能移动或由于其它原因而导致物理传输速率降低，并且每次在步骤304把分组分割为所要求数目的分段。这些站可能会在与AP对话的分派的时间遵循步骤305。总之，每个站将在步骤306在所安排的调度下工作。

一旦终止所有其它排定的对话，每个站将发送它的其余分段直到发送了所有分段。对话的排定由AP确定并且在由协议所设置的服务间隔期间传送到移动的站。最后，一旦发送了所有分段，那么终止会话，并且在适当时间(如在步骤301)开始新的会话。

可以理解，向每个无线站分配传输间隔促进对排定的对话的维持，并且促进对在网络中并没有将其传输从最小物理传输速率改变的每个站的某一QoS等级的维持。同样，如果一个站没有移动，那么它的QoS不会因为其它站移到了传输速率降低的位置受到损害。此外，如果一个或多个站移动，虽然网络会话的总体吞吐量并不是最优的，但是仍然不会降低到移动的站可以以较低速率完成传输的情况下其会出现的那种程度。

结合示例性实施例的论述已经详细描述了本发明，显然对已经掌握本公开益处的一个本领域内普通技术人员来说可以修改本发明。这种修改和变化包括在附加权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种用于在无线网络中提供带宽公平性的方法，所述方法包括：

为网络中多个无线站中的每个无线站确定特定服务间隔的带宽需求；

根据最小物理传输速率来为多个无线站中的每个无线站确定分配的传输时间；并且

如果至少一个无线站以小于所述最小物理传输速率的其它传输速率发送，那么将该至少一个无线站的分组分割成分段，其中分段数目基于所述最小物理传输速率除以各自的所述其它传输速率。

2.如权利要求1所述的方法，其中为多个无线站中的每一个所分配的时间与在服务间隔期间要由各个站发送的数据量成比例。

3.如权利要求1所述的方法，其中所分配的时间等于所述多个无线站中的每一个在信标间隔中所产生的所有分组的总数据除以所述最小物理传输速率。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述无线网络是多物理传输速率无线网络。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述无线网络是通用分组无线业务(GPRS)网络。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述无线网络是无线局域网(WLAN)。

7.如权利要求1所述的方法，其中在所有以最小物理传输速率发送的无线站完成发送其分组之后，所述至少一个无线站中的每一个发送所有剩余的分段。

8.如权利要求7所述的方法，还包括为在服务间隔期间以最小物理传输速率维持传输的每个无线站，维持特定的服务质量QoS。

9.如权利要求1所述的方法，所述至少一个无线站中的每一个发送所有剩余的分段，直到其物理传输速率大于所述最小物理传输速率为止。

10.一种无线网络，包括：

至少一个接入点；和

多个无线站，

其中在每个服务间隔中，接入点根据最小物理传输速率下无线站的传输需求来为它们分配传输时间，在所述服务间隔内所述最小物理传输速率是固定的，

其中所述多个无线站以所述最小物理传输速率发送，如果所述多个无线站中的任何无线站在服务间隔期间将其传输速率改变为比所述最小物理传输速率更低的传输速率，那么改变了传输速率的每个无线站将其各自的分组分割成分段，其中分段数目基于所述最小物理传输速率除以所述更低的传输速率。

11.如权利要求10所述的无线网络，其中所述传输时间等于所述多个无线站中的每一个在信标间隔中所产生的所有分组的总数据除以所述最小物理传输速率。

12.如权利要求10所述的无线网络，其中所述多个无线站中的每一个适于以多个物理传输速率发送。

13.如权利要求12所述的无线网络，其中所述无线网络是通用分组无线业务(GPRS)网络。

14.如权利要求12所述的无线网络，其中所述无线网络是无线局域网(WLAN)。

15.如权利要求10所述的无线网络，其中在整个服务间隔，为以最小物理传输速率发送的多个无线站中的每个无线站维持特定的服务质量(QoS)。

16.如权利要求10所述的无线网络，其中在所有以所述最小传输速率发送的无线站完成其各自分组的传输之后，在服务间隔期间将其传输速率改变为比所述最小物理传输速率更低的传输速率的每个无线站发送剩余的分段。

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