CN1842979B - Wlan中自适应轮询的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

在无线网络中对基站(110)和用户终端(130)之间的数据传输进行调度的方法。该方法包含从基站(110)向第一用户终端业务流发送第一轮询(260)(S210)(S210)。响应基站的第一轮询，在第一帧(210)的头中标明第一用户终端的队列状态。当第一帧表明队列状态为空时，基站从活动列表中去掉第一用户终端业务流(S230)。然后该基站计算延迟窗口(220)并对基站与保留在活动列表上的用户终端的其它数据帧的传输进行调度(S240和S250)。当延迟窗口截止时，将第一用户终端返回到活动列表中(S260)。

Description

WLAN中自适应轮询的方法及系统
技术领域
本发明一般性地涉及无线网络中的数据传输的调度，尤其涉及对基站与多个用户终端业务流之间的数据传输进行公平和有效的调度的方法和系统。
背景技术
设计例如基于IEEE 802.11标准或基于蓝牙(BluetoothTM)标准的无线局域网(WLAN)协议以取得高的服务质量(QoS)，通常在使用标准LAN协议的有线网络(例如Ethernet这样的网络)中提供这种高的服务质量(QoS)。高QoS包含不间断的网络连接、高吞吐量和数据的可靠传输。然而在WLAN中保持这种QoS比在有线网络中更困难，因为无线连接展示了有线网络中不会出现的例如“快衰落”、“阴影衰落”和长时间尺度变化这样的负面特征。“快衰落”涉及到由于各种类型的干扰导致的毫秒级的信号完整性快速起伏；“阴影衰落”涉及到数百毫秒级的相对慢的起伏；长时间尺度变化则涉及到常常由用户终端的移动(例如个人数字助理(PDA)的移动)导致的信号完整性的更加缓慢的起伏。因此在WLAN中要保持高QoS需要警觉地注意进行差错检测和纠错，并且需要对无线链路的条件进行仔细的监视。
尽管WLAN有着上述负面的特征，但因为众多的原因，WLAN常常优于有线LAN。例如，由于有了WLAN，易于使用能够迅速组网和拆网的“专用”网络；WLAN也比有线基础设施的高成本更加经济；用户们经常有着对例如笔记本电脑和PDA这样的用户终端的移动性的要求。
IEEE 802.11标准涉及到网络的介质访问控制(MAC)层的操作。MAC层恰好在网络的物理(PHY)层之上并负责控制无线信道的访问。MAC从较高层接收MAC服务数据单元(MSDU)。MSDU可以被分成更小的MAC协议数据单元(MPDU)，然后通过无线介质在网络站点之间进行传递。网络站点是连接到网络上的设备，它可以是移动的、便携式的或固定的。利用带有冲突避免功能的载波监听多路访问协议(CSMA/CA)在网络站点之间传输MPDU。例如在Ethernet协议中所使用的冲突检测技术却不能在无线传输中使用，因为当无线站点进行发送时，由于它自身信号与任何所接收的信号将会产生干扰，因此它不能侦听网络上其它站点。IEEE 802.11标准将上述信道访问方法称为分布式协调功能(DCF)。
在有访问点存在的网络中提供了第二种信道访问方法。这种方法被称为点协调功能(PCF)，其使用轮询提供对无线介质的访问。AP构成轮询表，该表确定网络内站点被轮询的顺序。
在IEEE 802.11的网络中，站点被收集到基本服务集(BSS)中。BSS可以包括专用网络，在这种专用网络中，所有站点能够直接与所有其它的站点进行通信。可选地，BSS可以包含AP，在这种情形中AP被称为基础设施BSS。在基础设施BSS中，所有站点排它性地通过AP进行通信。AP常常被连接到有线LAN上，因此能够显著地增加BSS的可用范围和资源。
对现有的IEEE 802.11协议的扩展将包含对IEEE 802.11(e)QoS扩展。这些扩展既基于CSMA/CA信道访问方法，又基于轮询方法。在提供QoS的基础设施BSS中，AP必须对针对BSS中所有站点的所有下行数据链路和从站点到AP的所有上行数据链路进行调度。对使用调度算法的调度进行优化常常是需要考虑众多变量的复杂处理过程，例如需要考虑各个站点的特定QoS需求、衰落中断以及各个站点的负荷(即等候上行连接到AP的站点中所排队的数据的量)。
在蓝牙网络中，也存在类似的调度需求。蓝牙微微网要求MAC层调度算法来对微微网中主节点和所有从节点之间的上、下行链路进行调度。为了描述本发明，AP或主设备在这里一般被称为基站，而节点或站点一般被称为用户终端。
基站可以使用显式和隐式轮询与用户终端进行通信。只有当基站在紧接在前的时隙中轮询过用户终端的情况下，该用户终端一般才被允许向基站发送数据。显式轮询是当基站没有要向用户终端下载的数据，但需要通知该用户终端可以向基站上行传送数据时进行的。基站因此向用户终端发送空帧(不包含任何数据的帧)，来告诉该用户终端可以上行传送数据。隐式轮询是当基站向用户终端下载数据时进行的，由此隐性地通知该用户终端紧接在下载数据之后可上行传送数据。
存在各种轮询方法，例如循环(Round Robin)轮询，在循环轮询方法中用户终端一个跟着一个的被循环地轮询，而不管用户终端是否有数据发送。因此循环轮询被认为是低效的方法，因为带宽被浪费在空闲用户终端上，即使其它满载的用户终端需要额外的带宽。
彻底公平轮询比循环轮询方法更为有效，因为它将用户终端分成两类：活动的用户终端和不活动的用户终端。利用循环技术对活动的用户终端进行轮询；对于不活动的用户终端，只间歇地进行轮询以确定它们是否会变成活动的用户终端。彻底公平轮询更有效地利用网络可用的有限带宽，并被认为是更加公平的，因为为满载的用户终端提供了更多时间来发送。
还存在尝试实现公平和有效的轮询的众多其它算法。在设计为在上行链路信道上提供概率延迟限制(即对于能够将数据帧的传输延迟多长时间施加限制的QoS要求)，基站需要关于所需要的个别数据流带宽的信息。然而，通过尝试将信道访问延迟最小化，大多数算法将会导致低效的轮询表。这是因为每个有效使用的信道访问机会所发送的多个轮询，或比相应数据帧早得多到达的轮询的概率较高。
因此存在对估计上行链路信道的各个流带宽要求和对公平有效地对无线网络有限带宽的访问进行调度的改进算法的需求。而且，存在克服基站上缺少精确用户终端队列状态信息的需求。设计为使用队列延迟作为业务量度量的QoS调度算法被要求对各个队列延迟进行主动采样。对于上行链路流，必须向基站报告。假若实际的调度算法实现必须基于所收集的信息产生未来调度窗口上的轮询表，很可能存在导致网络性能差的不精确信息或延迟的信息
发明内容
本发明提供了一种对QoS无线网络中基站与多个用户终端之间的数据传输进行调度的方法和系统。该方法和系统包含从基站向第一用户终端业务流发送第一轮询。响应第一轮询，第一用户终端业务流向基站发送第一帧，其中在第一帧的头中指明第一用户终端业务流的队列状态。当第一帧表明队列状态为空时，基站将第一用户终端业务流从活动列表中去掉。然后基站计算延迟窗口，并对基站和保留在该活动列表中的多个用户终端业务流之间的数据帧的传输进行调度。在延迟窗口截止时将第一用户终端业务流返回到活动列表中。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述将会明白本发明的其它方面：
图1是现有技术WLAN的简化示意图；
图2A是图解根据本发明实施例的调度方法的时序图；
图2B是图解与图2A的时序图表示的方法相同的调度方法的概括流程图；
图3是图解根据本发明实施例的调整延迟窗口的算法的操作的时序图；
图4是图解根据本发明实施例通过调度算法生成的轮询表的时序图。
具体实施方式
参照附图，其中各种图例中相似的参考字符标明相似或相应的元素，图1是现有技术WLAN的简化示意图，示出的是与有线LAN 120相连的基站110。基站110通过上行链路信道140和下行链路信道150与数个用户终端130进行无线通信。每个用户终端130可以同时支持多个用户终端业务流。
图2A是图解根据本发明的调度方法的时序图，该方法基于已知的队列状态确定基站110何时应当主动从活动列表中去掉用户终端业务流，并确定何时应当将业务流重新存储到活动列表中。活动列表是估计具有等候从用户终端130上载到基站110的数据，或具有等候从基站110下载到用户终端130的数据的所有用户终端业务流的列表。
图2B是图解与图2A的时序图中所表示的方法相同的调度方法S200的概括流程图。正如图2A和图2B中所表示的那样，本发明涉及在发送步骤S210从基站110向上述活动列表中的第一用户终端业务流发送第一轮询260的步骤。接着，在发送第一帧步骤S220，从第一用户终端业务流向基站110发送第一帧210以响应第一轮询260。在向基站110发送的第一帧的头中标明第一用户终端业务流的队列状态。
在去掉步骤S230，当向基站110发送的第一帧210表明第一用户终端业务流的队列状态为空时，从活动列表中去掉第一用户终端业务流。如果从活动列表中去掉用户终端，在计算延迟窗口步骤S240计算称为延迟窗口220的时间周期。同时，在对数据帧的传输进行调度的步骤S250，对保留在活动列表中的其它用户终端业务流的传输进行调度，并发送其它轮询230和其它的数据帧240。在返回步骤S260，当延迟窗口220截止时，将第一用户终端业务流返回到活动列表中。
用户终端业务流通过：1)向基站110发送是空帧的第一帧210，或2)向基站110发送是数据帧的第一帧，其中数据帧指明该用户终端业务流的队列状态为空，表明它没有等待向基站110发送的数据(即，它的队列状态为空)。用户终端业务流在向基站110发送数据帧210或空帧210的头内指明它的队列状态。初始化时，基站110产生针对上行链路业务流的轮询，对该轮询的响应表明特定用户终端业务流的瞬时队列状态。一旦知道其它数据帧240正等待向基站110发送，基站110可以对该其它数据帧进行调度并因此进行服务。只有当接收的QoS头指明在用户终端业务流缓冲器中没有留下包时，才从活动列表中去掉该用户终端业务流。
在公式(1)中给出的是根据本发明的一个实施例用以计算延迟窗口220的算法：
(1)
其中Ti是如下所讨论的延迟窗口自适应算法所选择的间隔，Tab是所请求的概率延迟限制，Li是标称数据帧长度，ρi是平均数据传输速率，Ts是调度窗口250，TD是延迟窗口220的持续时间。上述算法使用IEEE 802.11草案QoS规范中所要求的业务量参数的最小集合，并测试用户终端业务流是否可能在概率延迟限制内生成新的数据帧240。如果该用户终端业务流可能在每个概率限制内生成大量的数据帧240，则延迟窗口220被设置为等于该调度窗口250。这确保不生成额外的轮询230，直到下一个调度循环。可选地，如果可能生成少量的数据帧240，则为了使浪费的轮询开销最小，选择自适应的延迟周期。
当延迟窗口220截止时，基于数据现在准备好从该用户终端业务流发送并且后面的轮询230将请求上行链路数据帧240的假定，将该用户终端业务流返回到活动列表中。接着，上行链路数据帧240的头中的信息允许基站110确定用户终端业务流的远程队列状态。以这种方式，根据当前所述的实施例，根据用户终端业务流所提供的数据负荷，在每个概率延迟限制或调度窗口250内，对用户终端业务流至少轮询一次。
本发明的方法和系统确保每个概率延迟限制周期内需要较少轮询230的相对不活动的用户终端业务流在每个概率延迟限制周期上将接收最少的一次轮询230。用户终端业务流也保留当需要时请求更大容量的机会。假若一般会存在在用户终端业务流缓冲器中等候的数据帧240，则更高速率的用户终端业务流能够请求适当数量的轮询230，因此本发明的方法和系统去掉多余的轮询开销，从而以上行链路信道传输的某些额外在前信道访问延迟为代价，改进了信道容量。上述所定义的调度算法导致一致的延迟窗口220，其在所提供的数据负荷的范围上与所请求的用户终端业务流的延迟限制是相称的。
延迟窗口220的持续期间也可以得到自适应控制，以匹配将用户终端业务流返回到活动列表的时间，与下一个数据帧240到达用户终端业务流的队列的时间之间的偏移。用户终端业务流指示第一排队数据帧240到达基站110所需要的平均时间延迟，能够通过数据帧的头来实现该指示。
如图3所图解的那样，根据本发明一个实施例的调整延迟窗口220的算法由公式(2)给出：
Ti＝Ti-(TW-TQ)+σ    (2)
其中Ti现在被设置为延迟窗口220，它是当用户终端业务流被从活动列表去掉时的去除点310至用户终端业务流返回到该活动列表的返回点320的时间。(Ti能够被初始化为所请求的概率延迟限制。)TW是自用户终端业务流返回到活动列表开始用户终端业务流队列中第一排队数据帧到达点330与第一轮询340的到达之间的平均时间。TQ是用户终端业务流到活动列表的返回点320与下一轮询340的调度传输之间的平均时间。σ是基于上行链路业务流的到达间周期变化的探试因子。
再一次参照图3，在这种情形中Ti太长，到达点330的新数据帧240被迫等候下一上行链路轮询340，TW为正，因此Ti将减少。相反，当Ti太短，并且轮询340在第一排队数据帧到达点330之前到达时，TW为负，因此Ti将增加。
可选地，本发明的其它实施例可以以不利用上述公式(1)或公式(2)的方式来计算延迟窗口220。在用户终端业务流具有定义的一致的到达间周期的情形下，根据该到达间周期可以计算延迟窗口220。
一致的到达间周期是语音和视频数据流的共同特征，并且与编解码器所产生的语音或视频数据帧240之间的周期相对应。语音或视频应用程序将数据帧240作为一个或多个MSDU向下传递到MAC层。然后将这些MSDU分成适当的MPDU。一致的到达间周期导致用户终端业务流数据队列被定期地填充以可变数量的数据帧240的特性。该用户终端业务流在MAC层通知该到达间周期。然后基站110能够将每个用户终端业务流保留在活动列表中，直到第一数据帧210或第一空帧210指示业务流队列状态为空。然后基站110从活动列表中去掉该用户终端业务流，直到下一个所期望的到达间周期。
本发明的方法和系统也可以可选地包含根据自用户终端业务流的最近信道访问机会开始所经过的时间，计算各个业务流延迟。这有助于调度算法公平地对待上行链路信道140和下行链路信道150。否则，如果该调度算法使用实际的排队延迟来确定哪一个用户终端业务流应接着访问可用网络带宽，该调度将不公平地偏向下行链路信道150。因为在用户终端130本地对该业务流队列进行维护，基站110对于所有下行链路信道150具有实时排队延迟信息。然而，因为上行链路数据帧250在每个用户终端业务流中进行排队，基站110必须等待，直到用户终端业务流通知各个上行链路排队延迟。
因此当调度信道访问机会时，利用最近上行链路或下行链路数据帧240的发送时间是更加公平的。由访问针对所有上行链路信道140和下行链路信道150发送最近数据帧240的时间的基站110来控制调度算法。因此调度算法利用自从最近数据帧传输开始所经过的时间，因为这个变量的时间状态对于所有上行链路信道140和下行链路信道150是一致的。图4是图解通过根据本发明发实施例的调度算法生成的轮询表420的时序图。如图所示，当确定轮询表420中下一业务流以进行服务时，检查所有业务流的最后传输机会延迟(在图4中用针对每个业务流分量410的Dx表示)。
本发明因此是用于估计上行链路信道140的各个流带宽需求并且公平和有效地调度对无线网络有限带宽的访问的新方法和系统。本发明因此能够去掉多余的轮询开销，从而以上行链路信道140的某些额外在前信道访问延迟为代价，改进了信道容量。本发明的实施例也建立了一致的延迟窗口220，其在所提供的数据负荷的范围内与用户终端业务流的所请求概率延迟限制相称。而且，通过当调度信道访问机会时检查发送最近上行链路或下行链路数据帧240的时间，本发明的实施例能公平地对待上行链路信道140和下行链路信道150。
应当理解，上面的描述只是图解性的，而不是限制性的。尽管已经参照附图和本发明的优选实施例描述了本发明，然而应当注意，本领域的技术人员会想到许多变化和修改。这样的变化和修改应当被理解为包含在所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种在无线QoS网络中对基站和多个用户终端业务流之间的数据传输进行调度的方法，包括：
从所述基站向用户终端业务流的活动列表中的第一用户终端业务流发送第一轮询；
从所述第一用户终端业务流向所述基站发送来自一组数据帧中的第一帧以响应所述第一轮询，其中在所述第一帧中标明所述第一用户终端业务流的队列状态；
当所述第一帧表明所述队列状态为空时，从所述活动列表中去掉所述第一用户终端业务流；
为所述第一用户终端业务流计算延迟窗口；
对所述基站和保留在所述活动列表中的所述多个用户终端业务流之间的数据帧的传输进行调度；以及
当所述延迟窗口截止时，将所述第一用户终端业务流返回到所述活动列表中，
其中利用基于下列公式的算法计算所述延迟窗口：
其中Ti是由延迟窗口自适应算法所选择的间隔，Tdb是所请求的延迟限制，Li是标称数据帧长度，ρi是平均数据传输速率，Ts是调度窗口，TD是所述延迟窗口的持续时间。
2.如权利要求1中的方法，其中利用基于下列公式的算法计算Ti：
Ti＝Ti-(TW-TQ)+σ
其中TW是自所述用户终端业务流前一次返回到所述活动列表开始用户终端业务流队列中第一排队数据帧到达点与第一轮询的到达之间的平均时间，TQ是所述用户终端业务流返回到所述活动列表与所调度的下一轮询的传输之间的平均时间，σ是基于上行链路业务流的到达间周期变化的探试因子。
3.如权利要求1中的方法，其中基于所定义的用户终端业务流的到达间周期计算所述延迟窗口。
4.如权利要求3中的方法，其中所述到达间周期与编解码器所生成的语音或视频数据帧之间的周期相对应。
5.一种对数据传输进行调度的系统，包括：
活动列表中的多个用户终端业务流；和
基站，其中所述基站能进行下列操作：
向从所述多个用户终端业务流中选择的第一用户终端业务流发送第一轮询；
从所述第一用户终端业务流接收来自一组数据帧中的第一帧以响应所述第一轮询，其中在所述第一帧中标明所述第一用户终端业务流的队列状态；
当所述第一帧表明所述队列状态为空时，从活动列表中去掉所述第一用户终端业务流；
为所述第一用户终端业务流计算延迟窗口；
对所述基站和保留在所述活动列表中的所述多个用户终端业务流之间的数据帧的传输进行调度；以及
当所述延迟窗口截止时，将所述第一用户终端业务流返回到所述活动列表中，
其中利用基于下列公式的算法计算所述延迟窗口：
其中Ti是延迟窗口自适应算法所选择的间隔，Tdb是所请求的延迟限制，Li是标称数据帧长度，ρi是平均数据传输速率，Ts是调度窗口，TD是所述延迟窗口的持续时间。
6.如权利要求5中的系统，其中利用基于下列公式的算法计算Ti：
Ti＝Ti-(TW-TQ)+σ
其中TW是自所述用户终端业务流前一次返回到所述活动列表开始用户终端业务流队列中第一排队数据帧到达点与第一轮询的到达之间的平均时间，TQ是所述用户终端业务流返回到所述活动列表与所调度的下一轮询的传输之间的平均时间，σ是基于上行链路业务流的到达间周期变化的探试因子。
7.如权利要求5中的系统，其中基于所定义的用户终端业务流的到达间周期计算所述延迟窗口。
8.如权利要求7中的系统，其中所述到达间周期与编解码器所生成的语音或视频数据帧之间的周期相对应。
9.一种对数据传输进行调度的系统，包括：
活动列表中的多个用户终端业务流；
基站，所述基站包括：
用于从所述基站向从所述多个用户终端业务流中选择的第一用户终端业务流发送第一轮询的装置；
用于从所述第一用户终端业务流向所述基站发送来自一组数据帧中的第一帧以响应所述第一轮询的装置；
用于当所述第一帧表明所述队列状态为空时，从活动列表中去掉所述第一用户终端业务流的装置；
用于利用基于下列公式的算法为所述第一用户终端业务流计算延迟窗口的装置：
其中Ti是由延迟窗口自适应算法所选择的间隔，Tdb是所请求的延迟限制，Li是标称数据帧长度，ρj是平均数据传输速率，Ts是调度窗口，TD是所述延迟窗口的持续时间；
用于对所述基站和保留在所述活动列表中的所述多个用户终端业务流之间的数据帧的传输进行调度的装置；和
用于当所述延迟窗口截止时，将所述第一用户终端业务流返回到所述活动列表中的装置。
10.如权利要求9中的系统，其中利用基于下列公式的算法计算Ti：
Ti＝Ti-(TW-TQ)+σ
其中TW是自所述用户终端业务流前一次返回到所述活动列表开始用户终端业务流队列中第一排队数据帧到达点与第一轮询的到达之间的平均时间，TQ是所述用户终端业务流返回到所述活动列表与所调度的下一轮询的传输之间的平均时间，σ是基于上行链路业务流的到达间周期变化的探试因子。
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