CN1856966B

CN1856966B - 用于无线网络中的争用控制的方法和设备

Info

Publication number: CN1856966B
Application number: CN2004800279620A
Authority: CN
Inventors: 刘昌文
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: MY136651A; US7376143B2; DE602004019434D1; US20080212604A1; EP1668834B1; EP1668834A1; US20050070317A1; US7787487B2; ATE422762T1; HK1087561A1; CN1856966A; WO2005034437A1

Abstract

系统和方法提供用于控制无线网络装置中的争用。这些系统和方法在无线网络上发送分组。如果发送不成功，则根据快速补偿操作调节争用窗口参数。如果分组发送成功且争用窗口参数的当前值小于阈值，则根据争用避免操作减小争用窗口参数。如果分组发送成功且争用窗口参数的当前值大于所述阈值，则根据慢速启动操作减小争用窗口参数。

Description

用于无线网络中的争用控制的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及无线网络系统，尤其涉及提供这种网络中的争用控制。

版权通知/许可

背景技术

无线网络的使用持续快速增长。出于许多理由，无线网络都是吸引人的。它们方便，允许灵活性和漫游，并可以支持动态环境。此外，与有线对应网络相比，它们相对易于安装。在一些情况下，例如在旧建筑物中，它们的部署更廉价。由于不需要布线或重新布线，可以在几小时而非几天内将整个网络装配在一起。在许多情况下，尽管有线LAN卡的成本较低，但无线网络与其有线对应网络相比拥有更低的成本。

随着无线网络变得更加普及，加入无线网络的网络装置数量会增加。这会造成对无线网络资源(特别是无线网络带宽)的更多争用。无线网络中的争用比有线网络更成问题，因为在无线网络中从冲突(例如，两个或更多节点尝试同时发送)中恢复相对是昂贵的。

在1999年出版的IEEE 802.11标准中，IEEE std.802.11-1999以及无线LAN(WLAN)的更新版本(以下“IEEE 802.11标准)，媒介访问控制(MAC)协议是确定共享无线信道的有限通信带宽方面效率的主要元件。IEEE 802.11MAC的基本访问方法是分布式协调函数(DCF)，即具有避免冲突的载波监听多路访问或CSMA/CA，随机访问的基于CSMA的冲突避免方案。一般情况下且根据IEEE 802.11标准，DCF如下工作：

对于发送的工作站，该站首先确定无线媒介是否空闲大于或等于DIFS(分布式帧间间隔)周期或EIFS(扩展帧间间隔)周期。如果是，则将立刻发送。如果第一次发送失败或媒介不空闲，则为该站调用补偿程序。该站通过从区间[0，CW]中随机选择一值来确定随机补偿区间计数器。将补偿区间计数器初始化到随机选择的值并如下管理：对媒介空闲的每个媒介空闲时隙递减该计数器。如果媒介未被确定为忙且站的补偿区间计数器被递减到零，则可以进行发送。

如上所述，争用窗口确定空闲补偿时隙和每个争用周期内的分组冲突。因此，争用窗口CW的选择会显著地影响802.11MAC的性能。在标准802.11MAC中，争用窗口选择一般遵循以下的两条规则：

1)每当在一不成功的发送尝试后使争用窗口CW加倍直到达到该媒介的最大争用窗口大小CWmax。站将为该帧进行再试。

2)在成功发送后或者当再试计数器达到其极限时将争用窗口CW复位到该媒介的最小争用窗口大小CWmin。

可以看到，标准IEEE 802.11MAC协议的吞吐量性能不能良好地处理高负荷无线局域网。特别是，当活动站数量增加时，由于检测到较高的冲突率，系统吞吐量明显劣化。结果，本领域需要本发明的各种实施例。

发明内容

本发明涉及控制无线网络装置中的争用。

根据本发明，提供一种用于无线网络中争用控制的方法，包括：在无线网络上发送分组；如果发送分组不成功，则执行以下任务：如果发送紧接的先前分组成功，则增大阈值；以及急剧增大争用窗口参数；如果发送所述分组成功且争用窗口参数的当前值小于所述阈值，则逐渐减小争用窗口参数；以及如果发送所述分组成功且争用窗口参数的当前值大于所述阈值，则急剧减小争用窗口参数。

根据本发明，还提供一种用于无线网络中争用控制的设备，包括：用于在无线网络上发送分组的装置，用于如果发送分组未成功，则执行以下任务的装置：如果发送紧接的先前分组成功，则增大阈值；以及通过以下方式之一增大争用窗口参数：按指数方式增大所述争用窗口参数；使所述争用窗口参数实质上加倍；以及将所述争用窗口参数设定为预定最大值；用于如果发送分组成功且所述争用窗口参数的当前值小于所述阈值，则通过以下方式之一减小所述争用窗口参数的装置：按实质上线性的方式减小所述争用窗口参数；以及从所述争用窗口参数中减去预定步长值，以及用于如果发送分组成功且所述争用窗口参数的当前值大于所述阈值，则通过以下方式之一减小所述争用窗口参数的装置：按实质上指数的方式减小所述争用窗口参数；以及使所述争用窗口参数值实质上减半。

附图说明

图1A和1B是示出结合本发明实施例的硬件和软件环境的系统级概观的框图。

图2是示出用于控制无线网络中的争用的方法的流程图。

图3是示出根据本发明实施例的方法对无线分组传输的示例性序列的应用的示图。

图4A-4C是示出通过本发明实施例实现的示例性性能结果的图表。

具体实施方式

在本发明示例性实施例的以下详细描述中，参考构成本发明一部分的附图，其中作为说明示出了可以实施本发明的具体示例性实施例。充分详细地描述了这些实施例以使本领域的熟练技术人员能实施本发明的实施例，应理解，可以使用其它实施例且可以进行逻辑、机械、电气和其它变化而不背离本发明的范围。因此，以下的详细描述不是限制性的。

附图中，相同的标号用于贯穿始终表示多个图中出现的相同组件。信号和连接可由相同的标号或标志表示，且实际意义通过其在描述上下文中的使用而变得清楚。此外，当一般地表示一组相同组件的动作或特征时，在说明书和附图中使用相同的基本标号(例如120)。当该相同组件组中的特定组件执行一动作或具有一特征时，使用引入了小数点的数字索引(例如，120.1)。

将详细描述分成多个部分。在第一部分中，描述了本发明不同实施例的硬件和软件操作环境。在第二部分中，描述了根据本发明各种实施例的方法。

操作环境

图1A是结合了本发明各种实施例的硬件环境130的主要组件的框图。一般，本发明各种实施例的系统和方法可以结合在支持无线网络的任何硬件或软件系统上。一般，这种硬件包括个人计算机、服务器计算机、大型计算机、膝上计算机、便携式手持计算机、个人数字助理(PDA)、网络使能的蜂窝电话、无线基站、网络接口卡和前述装置的混合。在本发明的一些实施例中，硬件环境130包括处理器132、存储器134和对于无线网络126的无线网络接口124。处理器132、存储器 134和无线网络接口124可通过系统总线或专门的数据传输总线进行通信。

处理器132可以是任何类型的计算电路，例如但不限于微处理器、复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、图形处理器、数字信号处理器(DSP)或任何其它类型的处理器、处理电路、执行单元或计算机器。在本发明的一些实施例中，处理器132可以是可从Intel Corporation，Santa Clara，California获得的

或系列处理器中的处理器。在可选实施例中，处理器132可以是专用网络处理器。虽然只示出了一个处理器132，但硬件环境130中可以包括多个处理器。

存储器134可包括能存储处理器132使用的指令和数据的任何类型的易失性或非易失性存储器。存储器134可包括RAM(随机存取存储器)，ROM(只读存储器)，硬盘驱动器，软驱，CD-ROM，DVD-ROM和闪存，或者其任何组合。

无线网络装置124可以是网络接口卡，硬件芯片或芯片组，或者被设计成发送和接收符合无线协议的无线传输的数据的任何其它硬件。在本发明的一些实施例中，无线协议可以是IEEE 802.11协议系中的任一种。

在一些实施例中，处理器132、存储器134和无线网络装置124可集成为单个单元，诸如移动计算机(诸如膝上计算机、笔记本计算机、PDA等)的无线网络接口卡或主板。在可选实施例中，处理器132和存储器134可以是整数计算机系统的一部分，且无线网络装置124可以是经由总线(诸如PCI总线)或其它通信接口(诸如USB、PCMCIA或IEEE 1394(火线)接口)可拆卸地耦合到整数计算机系统的分开的装置(具有自己的处理器和存储器)。

图1B是结合本发明各种实施例的软件操作环境100的主要组件的框图。在本发明的一些实施例中，操作环境100包括用于无线网络装置的网络堆栈。操作环境中运行的软件组件可以从机器可读媒体中读取并在操作系统的控制下运行，并与操作系统接口。这种机器可读媒体的示例包括硬盘、软盘、CD-ROM、DVD-ROM和快闪ROM。此外，机器可读媒体包括网络上传送的有线和无线信号。操作系统的示例包括Mi crosoft Corporation的

和但是，本发明的实施例不限于任何特殊操作系统，且在可选实施例中，软件组件可以在Palm Inc.的

UNIX和Linux操作系统的变型以及蜂窝电话操作系统内运行。

此外，本发明实施例的系统和方法可以在固件中实现。

如图1B所示，网络堆栈包括应用层106、传输层108、因特网协议层110、MAC (媒体访问控制)层112、装置驱动器和装置驱动器层122。应用层106提供与用于软件应用程序102的网络服务的接口。软件应用程序102可以是利用网络与网络上的主机发送和接收数据的任何软件应用程序。这种应用程序包括电子邮件应用程序、文件传输应用程序和web浏览器应用程序。本发明的实施例不限于任何特殊的软件应用程序。通常，应用层106提供被设计为独立于网络的接口。这样，设计应用层106以使它提供的接口不随网络类型而变化。

传输层108通常提供与应用层106的接口，并包含管理虚拟无错误、点对点连接的软件，使得主机A可以向主机B发送消息且它们将不破坏地按正确顺序到达。传输层建立和解除主机之间的连接。在本发明的一个实施例中，传输层是TCP(传输控制协议)层。

网络层110由传输层108使用，并确定经由数据链接层从发送器到接收器的消息数据的分组路由。在一些实施例中，网络层协议是IP(因特网协议)。

MAC(媒体访问和控制)层112提供网络层和依赖物理媒体的网络功能之间的接口。在本发明的一些实施1例中，MAC层112包括用于无线网络126的接口，并包括用于无线网络的DCF(分布式协调函数)114。在一些实施例中，DCF114包括CSMA/CA(具有冲突避免的载波监听多路访问)DCF。DCF114可结合一个或多个快速补偿(fast backoff)、慢速启动118和/或争用避免120函数。以下参考图2提供这些函数的细节。

装置驱动器122提供与MAC层112和特殊物理硬件的接口，用于将一工作站连接到无线网络126。MAC层功能的一些或全部可以在装置驱动器122中实现。如本领域所示的，装置驱动器122使用用于在无线网络126上发送和接收数据的、由特殊无线网络装置124提供的特殊命令和物理接口。除了依赖硬件之外，装置驱动器通常也是依赖操作系统的。

图1B所示的网络堆栈是本发明一些实施例中使用的典型TCP/IP实现。本领域的熟练技术人员将理解，可以用其它协议代替TCP/IP，并且也在本发明的范围之内。

此外，本领域的熟练技术人员将理解，上述层所提供的功能可按任何方式在硬件和软件上分配。例如，DCF函数可设置于操作系统提供的MAC层内，或者它们可以作为与主机计算机或网络装置相连接的网络接口卡(NIC)的一部分提供。本发明的实施例不限于网络功能的任何特殊分类。

图2是说明根据本发明实施例的用于控制无线网络中的争用的方法的流程图。这些方法可以在诸如以上参考图1A和1B所述的操作环境中执行。通过操作环境执行的这些方法组成了由计算机可执行指令构成的计算机程序。参考流程图描述这些方法使得本领域熟练技术人员能开发包括这些指令的这种程序，以便在合适的计算机上实施这些方法(计算机处理器执行来自计算机可读媒体的指令)。图2所示的方法包含执行本发明示例性实施例的操作环境所执行的动作。

方法

图2是示出用于确定争用窗口区间以提供无线网络中的争用控制的方法的流程图。当执行该方法的系统初始化争用控制参数(框202)时，该方法开始。在本发明的一些实施例中，争用控制参数包括争用窗口值“CW”、阈值“阈值”和成功标记“成功”。在一些实施例中，这些参数可如下初始设定：

CW＝CWmax；

阈值＝CWmin；

成功＝假；

其中CWmax是CW的预定最大值，CWmin是CW的预定最小值，且成功指示最近的传输是否成功。CWmax和CWmin的值可取决于正使用的基础无线协议。在本发明的一些实施例中，成功参数可被初始化为真值，导致稍许更保守的用于调节CW参数的方法。

接着，系统接收发送数据的请求(框204)。数据通常源自软件应用程序并可以包括由软件应用程序下的网络层添加其上的首部。在一些实施例中，如果媒介空闲超过DIFS周期或者如果用于该工作站的补偿区间计数器是零，则系统尝试在无线网络上发送数据。否则，系统将通过从区间[0，CW]中选择补偿时间区间计数器、当媒介不忙时减少该补偿计数器并在补偿计数器为零时尝试发送分组来调用补偿程序。假定前者情况：系统尝试在无线网络上发送数据。

随后，系统检查以了解发送是否成功(框206)。如果发送不成功，则系统通过检查成功参数来着手判断紧接在当前传输尝试之前的传输尝试是否成功(框208)。如果先前传输是成功的(即，成功＝1)，则向上调节阈值(框210)，随后将成功复位到0。在一些实施例中，阈值被加倍直到达到CWmax的最大值。在本发明的可选实施例中，快速补偿包括将CW参数直接设定为CWmax。随后，该方法着手对争用窗口参数执行快速补偿(块212)。

如果先前传输不成功(即，成功＝0)，则系统直接着手对CW参数进行快速补偿(框212)而不调节阈值参数。在本发明的一些实施例中，快速补偿包括加倍 CW参数直到达到值CWmax。在本发明的可选实施例中，快速补偿包括将CW参数直接设定到CWmax。

根据一些实施例的用于框206-212的伪代码如下：

快速补偿

If(出现了不成功的传输)

If(成功＝1)

阈值＝min(2*CW+1，CWmax)；

成功＝0；

Endif

CW＝min(2*CW+1，CWmax)；

Endif

根据可选实施例的框206-212的伪代码如下：

快速补偿(可选实施例)

If(出现了不成功的传输)

If(成功＝1)

阈值＝min(2*CW+1，CWmax)；

成功＝0；

Endif

CW＝CWmax；

Endif

如果框206处的检查确定该传输是成功的，则系统着手判断当前的CW参数是否大于阈值参数(框214)。如果CW大于阈值，则系统执行慢速启动函数(框216)。在一些实施例中，慢速启动函数包括将CW参数实质上减半，直到CWmin最小值。

用于根据实施例的框216的慢速启动函数的伪代码如下：

慢速启动

If(出现成功的传输且CW＞阈值)

成功＝1；

CW＝max((CW-1)/2，CWmin)；

Endif

或者，如果框214处的检查确定当前CW参数值小于或等于阈值参数，则系统执行争用避免函数(框218)。在一些实施例中，争用避免函数包括从当前CW参数中减去递减步长值“α”，直到CW等于CWmin。一般，争用避免提供了CW参数的实质上线性减少。

在本发明一些实施例中使用的争用避免函数的伪代码如下：

争用避免

If(出现成功的传输且CW≤阈值)

成功＝1；

CW＝max(CWmin，CW-α)；

Endif

在一些实施例中，可以根据如表1所示的CW的当前值确定α。在这些实施例中，根据分段常数函数确定α以近似α(CW)，如下所述。

表1

在本发明的可选实施例中，α的值可以如以下表2中所示地确定。在这些实施例中，可以利用α(CW)的更高次近似来确定α，如下所述。

表2

基于IEEE 802.11标准中的资源BSS是每个站的带宽的事实，表1和2中的α值可通过近似α(CW)导出。对于每个站，使得BW_i是第i个站使用的带宽，且CW_i是其争用窗口大小。随后，平均起来，

{BW}_{i} (t) = \frac{c}{{CW}_{i} (t) \times aSlotTime}

对于一些常数系数c。因此，对于乘法因子b＞0，

且对于加法因子a＞0，

{CW}_{i} (t + 1) = \frac{1}{\frac{a \times aSlotTime}{c} + \frac{1}{{CW}_{i} (t)}}

= \frac{{CW}_{i} (t)}{\frac{a \times aSlotTime}{c} \times {CW}_{i} (t) + 1}

由于aSlotTime＜＜1且

\frac{a \times aSlotTime}{c} \times {CW}_{i} (t) = \frac{a}{{BW}_{i} (t)} < < 1 &DoubleRightArrow;

{CW}_{i} (t + 1) = {CW}_{i} (t) -

a \times {CW}_{i} (t) \times {aSlotTime \times {CW}_{i} (t)} / c +

{CW}_{i} (t) \times O ({({CW}_{i} (t) \times aSlotTime)}^{2})

= {CW}_{i} (t) - \frac{a \times aSlotTime}{c} \times {CW}_{i} {(t)}^{2} +

{CW}_{i} (t) \times O ({({CW}_{i} (t) \times aSlotTime)}^{2})

= {CW}_{i} (t) - α ({CW}_{i} (t)) +

{CW}_{i} (t) \times O ({({CW}_{i} (t) \times aSlotTime)}^{2})

\approx {CW}_{i} (t) - α ({CW}_{i} (t))

其中加法递减值

α ({CW}_{i} (t)) = \frac{a \times aSlotTime}{c} \times {{CW}_{i} (t)}^{2}

图3是示出根据本发明实施例的方法对无线分组传输的示例性序列的应用示例的示图。图3中的示例示出分组传输序列期间获得的CW常数值，在该分组传输序列期间成功地发送了三个分组后面是一个不成功发送和一个成功的再试。如通过该示例性序列可了解的，对于每个成功的发送，该方法急剧地(例如，通过慢速启动函数指数降低直到达到阈值)或逐渐地(例如，在达到阈值后通过争用避免函数线性减少)降低了争用窗口大小CW。在不成功的发送后，争用窗口大小CW会急剧增加，例如通过指数增加或通过获得最大争用窗口大小进行快速补偿。在一些实施例中，阈值是不小于其中已发生成功发送的最后争用窗口大小的值，或者阈值是用于该媒介的最大争用窗口大小CWmax。

图4A-4C是示出通过本发明实施例实现的示例性性能结果的图表。这些性能结果基于使用与标准IEEE 802.11MAC DCF比较和混合的用于上述创新争用控制方法的OPNET Techologies，Inc.的Opnet模拟器的模拟研究。针对三种无线LAN情况进行这些模拟：10个站、50个站和100个站。对于每种情况，运行三种模拟例：

·所有站运行标准802.11MAC DCF，如曲线406所示的。

·所用站使用来自表1的协议参数运行创新的争用控制方法，如曲线402 所示。

·一半的站使用来自表1的协议参数运行创新的争用方法且另一半运行称作混合802.11DCF的标准802.11 MAC DCF以及算法1，如曲线404所示。

在模拟情况中不使用RTS/CTS。表3示出了无线LAN系统配置和模拟配置。

表3

参数	值
		SIFS	20m sec
DIFS	128m sec
		一时隙	50m sec
比特率	1mbps
		PLCP开销	128m sec
CWmin	15
		CWmax	1023
参数	值
		分组大小	1400字节和2000字节之间均匀分布
分组间到达时间	10个站：0.01和0.02之间均匀分布。 50个站：0.1和0.2之间均匀分布。 100个站：0.1和0.2之间均匀分布
		模拟持续时间	300秒

在模拟例中，生成通信量以使在尝试开始传送新帧时所有站总是经历忙媒体，因此总需要经过补偿程序来发送帧。

图4A示出了模拟的10个站的网络的性能，图4B中是模拟的50个站网络，且图4C中是模拟的100个站网络。应注意，图4A-4C所示的性能水平是示例性的，且本发明的实施例不限于所示的性能值。

提供了用于提供无线网络中的争用控制的系统和方法。本发明的实施例提供了先前系统的优点。例如，本发明实施例的系统和方法可以明显减少争用并实现较高的系统吞吐量同时仍维持对所有站的公平性。此外，可以在不改变TCP/IP且对IEEE 802.11MAC标准改变最小的情况下支持系统和方法。这些方法可直接应用于其它基于争用的媒介访问协议，诸如IEEE 802.11e EDCF(增强分布式协调函数)。

虽然这里说明并描述了特定的实施例，但本领域的普通技术人员将理解，计算用于实现相同目的的任何结构都可替换所示的特定实施例。本申请旨在覆盖本发明的任何修改或变型。

本申请中所使用的术语意在包含所有这些环境。应理解，以上描述旨在是说明性而非限制性的。通过以上描述，许多其它实施例将是本领域熟练技术人员显而易见的。因此，很清楚本发明旨在仅由所附权利要求书及其等效物限定。

Claims

1.一种用于无线网络中争用控制的方法，包括：

在无线网络上发送分组；

如果发送分组不成功，则执行以下任务：

如果发送紧接的先前分组成功，则增大阈值；以及

通过以下方式之一增大争用窗口参数：

按指数方式增大所述争用窗口参数；

使所述争用窗口参数实质上加倍；以及

将所述争用窗口参数设定为预定最大值；

如果发送分组成功且争用窗口参数的当前值小于所述阈值，则通过以下方式之一减小争用窗口参数：

按实质上线性的方式减小所述争用窗口参数；以及

从所述争用窗口参数中减去预定步长值；以及

如果发送分组成功且争用窗口参数的当前值大于所述阈值，则通过以下方式之一减小争用窗口参数：

按实质上指数的方式减小所述争用窗口参数；以及

使所述争用窗口参数实质上减半。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述争用窗口参数确定所述步长值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在发送任何分组前将所述争用窗口参数设定为预定的最大值。

4.一种用于无线网络中争用控制的设备，包括：

用于在无线网络上发送分组的装置，

用于如果发送分组未成功，则执行以下任务的装置：

如果发送紧接的先前分组成功，则增大阈值；以及

通过以下方式之一增大争用窗口参数：

按指数方式增大所述争用窗口参数；

使所述争用窗口参数实质上加倍；以及

将所述争用窗口参数设定为预定最大值；

用于如果发送分组成功且所述争用窗口参数的当前值小于所述阈值，则通过以下方式之一减小所述争用窗口参数的装置：

按实质上线性的方式减小所述争用窗口参数；以及

从所述争用窗口参数中减去预定步长值，以及

用于如果发送分组成功且所述争用窗口参数的当前值大于所述阈值，则通过以下方式之一减小所述争用窗口参数的装置：

按实质上指数的方式减小所述争用窗口参数；以及

使所述争用窗口参数实质上减半。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，根据当前争用窗口参数确定所述步长值。

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括用于在发送任何分组前将所述争用窗口参数设定为预定的最大值的装置。

7.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备用于网络装置中，所述网络装置包括：

处理器；

与所述处理器耦合的存储器；

与所述处理器耦合的无线网络接口。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述处理器、存储器和无线网络接口结合入一网络接口卡。

9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述处理器、存储器和无线网络接口结合入一无线基站。

10.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述处理器、存储器和无线网络接口结合入一个人数字助理。

11.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述处理器、存储器和无线网络接口结合入一个人计算机。

12.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述处理器、存储器和无线网络接口结合入一服务器计算机。

13.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述无线网络接口是与符合IEEE802.11协议的网络的接口。

14.如权利要求4所述的设备，所述设备用于一系统中，所述系统包括：

媒体访问和控制模块；

与所述媒体访问和控制模块耦合的分布式协调函数模块。