CN1921421A

CN1921421A - 测量无线信道质量的方法和设备

Info

Publication number: CN1921421A
Application number: CNA2006101265274A
Authority: CN
Inventors: 徐定焕; 金世洪; 文炳人; 南相秀; 崔惠恩
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-08-27
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: JP2007068171A; US8861481B2; CN1921421B; JP5078302B2; KR100657333B1; US20070047461A1

Abstract

提供一种基于通过测量在采用IEEE 802.11标准中规定的载波侦听多路访问/避免冲突(CSMA/CA)媒体访问控制(MAC)方法的无线网络中的站之间的竞争获得的结果，来测量无线信道质量的方法和设备。该方法包括：确定站之间的竞争，其中所述站经由使用基于竞争的媒体访问方法的无线信道传输帧；以及基于确定的竞争测量无线信道质量。

Description

测量无线信道质量的方法和设备

本申请要求于2005年8月27日提交到韩国知识产权局的第10-2005-0079129号韩国专利申请的优先权，该申请公开于此以资参考。

技术领域

与本发明一致的设备和方法涉及测量无线信道质量，更具体地说，涉及通过测量在采用IEEE 802.11标准中规定的载波侦听多路访问/避免冲突(CSMA/CA)媒体访问控制(MAC)方法的无线网络中的站之间的竞争来测量无线信道质量。

背景技术

为了改进发送无线数据的设备的性能，有必要测量发送/接收数据帧的无线信道质量。测量的无线信道质量可以是用于向用户提供高质量服务的标准指数。例如，在多个无线信道中，在当前无线信道质量较差时，通过测量无线信道质量选择最佳质量的无线信道。无线信道质量受到无线电信号的强度以及由使用共同信道的多个无线站导致的竞争等的影响。

为了在经由有线或无线网络发送/接收数据中有效使用网络的功能，提供关于在对象之间进行什么通信、如何进行通信以及何时进行通信的标准通信规范，称之为协议。根据诸如协议是用于有线还是无线网络、使用什么传送介质传输数据等的网络特性来确定基于开放系统互连(OSI)7-层的通信协议。

当OSI 7-层使用无线局域网(LAN)作为传送介质时，数据链路层和物理层按照无线LAN标准所规定的执行无线LAN的功能。数据链路层主要控制无线链路差错，节点对无线网络的访问等。物理层主要经由无线频率传输无线分组。数据链路层可分为逻辑链路控制层和MAC层。逻辑链路控制层同步OSI层2并控制该层的差错。MAC层控制邻近节点的访问和无线介质，从而多个节点可有效使用传送介质而没有冲突。IEEE 802.11无线LAN标准规定MAC层和物理层的功能。

MAC可以是无竞争方法，该方法基于时间和频带将信道划分为频分多址(FDMA)信道或时分多址(TDMA)信道，并将特定的信道映射为仅由特定用户使用，或MAC也可以是竞争方法，其中，多个用户共享介质，每当用户传输数据时就允许访问介质，如果产生竞争，则使用某种算法来解决竞争。载波侦听多路访问/避免冲突(CSMA/CA)是代表性的基于竞争的MAC协议，其中，使用载波侦听方案检查传送介质并控制对传送介质的访问，从而传输节点通过避免冲突而不浪费由于数据帧的冲突导致的传输容量。CSMA/CA方法用作IEEE 802.11中的MAC标准。

图1示出使用随机退避处理的CSMA/CA方法。参照图1，分布式帧间间隔(DIFS)表示用于保护帧传输的帧之间的间隔。

想要传输帧的第一站检测信道的状态。如果信道空闲，则第一站发送帧。否则，如果检测到信道忙碌，则第一站在发送帧之前等待一段时间周期(延迟访问)，这是一个退避处理。仅在进入作为退避时间的退避处理之前随机确定检测帧的传输的时间周期。当其它站完成使用信道时，在DIFS时间期间检查出信道空闲。为了避免与等待帧的传输的第二站冲突，将退避定时器设置为等于退避时间，如果退避定时器减少为0，则第二站可传输帧。

在站传输帧之前，退避时间可能没有完全过去，但在退避处理期间使用检测到信道忙碌的时间周期。当进入退避处理时，站将退避定时器初始化为退避时间，仅当信道空闲时减少退避定时器，如果退避定时器减少为0，则传输帧。因此，如果信道忙碌，则正当信道空闲时减少退避定时器的站停止退避定时器，等待一个时间周期，如果信道再次空闲，则传输帧。在CSMA/CA方法中，诸如请求发送/清除发送(RTS/CTS)的控制分组用于确定站何时使用信道，并防止其它站使用传送介质达到一段时间周期，从而减少无线信道中的冲突概率。

图2示出当基于CSMA/CA的竞争产生时的帧的传输，还示出多个站如何解决竞争以及使用基于CSMA/CA的随机退避处理传输帧。

参照图2，当站B、C、D传输帧时，站B、C和D检查信道是空闲还是忙碌。由于当站A传输帧时信道忙碌，因此站B、C和D不立即传输它们的帧，并进入退避处理。在退避处理期间，站B、C和D随机设置退避时间，等待直到信道空闲，操作退避定时器，减少退避时间。在站A完成帧传输之后，站B、C和D保持在退避处理下。因为站C具有最短退避时间，所有其首先占用信道并传输它的帧。

一旦站C占用信道，其它站就确定信道忙碌。正运行其各自的退避定时器的站B和D停止退避定时器并等待直到信道再次空闲。在站C传输帧的同时，由于信道忙碌，因此具有待传输的帧的站E无法传输帧，并随同站B和D进入退避处理而进入退避处理。通过连续执行这些操作，当在信道具有空闲状态时站B的退避定时器减少到0时，站B传输帧。

在CSMA/CA方法中，站通过接收确认(ACK)帧来确认是否成功传输帧。如果站没有在指定时间内接收到ACK帧，则站判决在帧的传输期间产生信道差错或信道冲突，并通过退避处理再次传输帧。尝试站来传输帧的次数是限定的。如果站在限定的传输尝试次数中没有传输所述帧，则站放弃传输帧。

由于特定的站不使用诸如TDMA或FDMA的特定信道而是多个站使用共同信道，因此CSMA/CA MAC方法目的在于有效解决竞争。基于竞争的CSMA/CA MAC方法受链路质量以及站之间的竞争影响，而链路质量由于在物理信道中产生的诸如噪声或干扰的信号的不安全性而降低。因此，当测量诸如链路吞吐量的无线信道质量时，采用CSMA/CAMAC方法的系统必须关注站之间的竞争。

发明内容

本发明的示例性实施例克服上述缺点和以上未描述的其它缺点。此外，本发明无需克服上述的缺点，本发明的示例性实施例可不克服上述问题中的任意一个。

本发明提供一种用于基于使用共同无线信道的站之间的竞争测量无线信道质量的设备和方法。

根据本发明的一方面，提供一种测量无线信道质量的方法，该方法包括：计算站之间的竞争，其中，所述站用于经由使用基于竞争的媒体访问方法的无线信道传输帧；以及基于计算的竞争测量无线信道质量。

可基于每帧延迟传输的数量计算竞争，可使用有效帧传输速度测量无线信道质量。

根据本发明的另一方面，提供一种测量无线信道质量的方法，该方法包括：测量连接多个站的无线网络中的每帧延迟传输的数量；以及基于测量的每帧延迟帧传输的数量，计算指示帧传输速度受到站之间的竞争影响的程度的竞争系数。

根据本发明的另一方面，提供一种测量无线信道质量的方法，该方法包括：计算经由多个无线链路连接多个站的无线网络中的所述多个站之间的竞争率；以及基于计算的竞争率选择无线链路中的一个作为通信链路。

根据本发明的另一方面，提供一种测量无线信道质量的设备，该设备包括：信号质量分析器，计算连接到多个站的无线网络中的物理信道的传输速度；竞争分析器，计算指示帧传输速度受到站之间的竞争影响的程度的竞争系数；以及有效传输速度计算器，基于竞争系数和物理信道的传输速度计算经由无线网络有效地传输帧的有效传输速度。

根据本发明的另一方面，提供一种测量无线信道质量的设备，该设备包括：竞争分析器，计算经由多个无线链路连接多个站的无线网络中的所述多个站之间的竞争率；信号质量分析器，计算无线网络中的物理信道的传输速度；有效传输速度计算器，基于竞争率和物理信道的传输速度计算用于经由无线链路中的每一个有效地传输帧的有效传输速度；以及链路分配块，基于计算的有效传输速度分配无线链路中的一个作为通信链路。

一种记录能够实现上述方法的程序的计算机可读记录介质。

附图说明

通过下面结合附图对示例性实施例的详细描述，本发明的上述和其它方面将会变得更加清楚，其中：

图1示出使用随机退避处理的载波侦听多路访问/避免冲突(CSMA/CA)方法；

图2示出当基于CSMA/CA的竞争发生时帧的传输；

图3示出根据本发明示例性实施例的包括测量无线信道质量的设备的系统；

图4是根据本发明示例性实施例的测量无线信道质量的设备的框图；

图5是根据本发明示例性实施例的使用测量无线信道质量的设备计算有效帧传输速度的方法的流程图；

图6是解释有效传输速度的计算的示图；

图7是示出自竞争率(SCR)的变化对每个站的吞吐量的变化的图；以及

图8和图9是示出经由一般无线信道和经由使用根据本发明示例性实施例的测量无线信道质量的方法选择的无线信道的帧传输之间的比较的示图。

具体实施方式

以下将参照示出本发明示例性实施例的附图更充分地描述本发明。

根据本发明示例性实施例的测量无线信道质量的设备应用于使用在IEEE 802.11标准中规定的CSMA/CA MAC方法的无线网络环境，但所述设备并非受限于所述示例性实施例。

图3示出根据本发明示例性实施例的包括测量无线信道质量的设备100的系统。测量无线信道质量的设备100通过装置接口50连接到站S1，S2，......，Sn(10a，10b，......10n)。测量无线信道质量的设备100接收诸如信号强度、噪声强度、无线信道的数据率等无线信号的信息、根据竞争延迟帧传输的数量D_cnt、经由装置接口50的帧传输尝试的数量T_cnt，并计算有效传输速度S_eff。测量无线信道质量的设备100可应用于包括一个或多个无线链路的系统。

将由测量无线信道质量的设备100计算的有效传输速度S_eff传递到更高层应用块200，并根据应用要求来使用它。例如，如果应用块200是链路分配块，则测量无线信道质量的设备100基于有效传输速度S_eff对多个无线链路的总体质量进行比较，并选择具有最佳质量的无线链路来传输帧。不受无线信道信号质量影响的系统或对无线信道信号质量不感兴趣的系统可使用竞争率作为无线信道总体质量。

图4是根据本发明示例性实施例的测量无线信道质量的设备100的框图。测量无线信道质量的设备100包括：信号质量分析器110、竞争分析器120、有效传输速度计算器130。竞争分析器120包括延迟率计算器123和竞争系数计算器125。

信号质量分析器110基于无线信号的信息分析无线信道的信号质量S_phy。竞争分析器120基于帧传输尝试的数量以及延迟的数量分析无线信道中的竞争具体值(occurence)C_f。有效传输速度计算器130基于由信号质量分析器110分析的信号质量S_phy和由竞争分析器120分析的竞争具体值C_f来计算无线信道的有效帧传输速度S_eff，即有效吞吐量。

图5是根据本发明实施例的使用测量无线信道质量的设备100计算有效帧传输速度的方法的流程图。包括在竞争分析器120中的延迟率计算器123经由装置接口50接收延迟的数量D_cnt和帧传输尝试的数量T_cnt，并计算延迟率D_rate，其为每帧延迟的数量(操作S300)。可使用下式来计算延迟率D_rate：

D_{rate} = \frac{D_{cnt}}{T_{cnt}} . . . (1)

计算的延迟率D_rate用于计算指示帧传输速度实际受到竞争影响的程度的竞争系数C_f。可使用下式计算竞争系数C_f：

C_{f} = \frac{1}{D_{rate} + 1} . . . (2)

有效传输速度计算器130基于计算出的竞争系数C_f和从信号质量分析器110传递的S_PHY计算无线信道的有效传输速度，

S_{eff} = \frac{S_{PHY}}{D_{rate} + 1} . . . (3)

其中，S_eff表示实际帧传输速度，即考虑到由于由竞争导致的延迟效果的帧传输速度。此外，S_PHY表示当不产生竞争时能够传输帧的物理信道的传输速度，其受到调制方法、无线电信号的强度、噪声强度等的影响。

图6是解释无线信道的有效传输速度的计算的示图。参照图6，多个站经由共同无线信道传输多个帧，同时解决站之间的竞争。站X决定传输其帧，并n次延迟传输该帧。在操作期间，n个站在传输其各自的帧的同时通过基于CSMA/CA的退避处理解决竞争。为了简明，假设不交换RTS/CTS分组，并且不产生分组冲突。

下面是系数的定义：

T_DIFS：分布式帧间间隔(DIFS)的时间长度

T_b_Si：由站i从DIFS直到站i尝试传输帧直到完成帧的传输的退避的时间长度。

T_B_X：由站X决定以当站X开始检测用于帧传输的信道时在确定信道忙碌之后执行退避处理并延迟传输帧的退避时间的长度。

T_Frame：由站i传输帧所需的时间长度，包括在站i传输帧之后接收机传输ACK之后的最短帧间序列(SIFS)所需的时间

L_FRAME_X：由站X传输的数据帧的字节

L_FRAME：当假设站传输相同字节的数据帧时的数据帧的字节

T_FRAME；在物理层传输L_FRAME的数据帧所需的时间长度

站X及其邻近节点，即站S1，S2，S3，......，Sn如下提供帧业务：站X决定传输帧，在部分A中检测信道忙碌，并进入第一延迟处理。站X确定T_B_X为退避时间，设置其退避定时器为T_B_X，并执行退避处理。当信道忙碌时，站X的退避定时器不操作。当信道空闲时，在DFIS部分之后减少由退避定时器设置的T_B_X。

在第一延迟处理之后，由于站S2在部分B中传输帧，由此信道再次忙碌，因此站X执行第二延迟处理。在第一和第二延迟处理之后，如果其它站在部分C和D中使用信道，则站X确定延迟传输帧，停止退避定时器，并执行退避处理。当信道再次空闲时，站X减少由退避定时器设置的T_B_X。最后，当退避定时器在部分E中为0时，站X传输其数据帧。

关于该方面，可如下计算站X的有效帧传输速度：

站X传输帧所需的总时间是在部分A至E的每一个中所需的时间，如图6所示，其可相加如下：

传输帧所需的总时间

＝T_FRAME-S1+(T_DIFS+T_b-S2+T_FRAME-S2)+(T_DIFS+T_b-S3+T_FRAME-S3)

+...+(T_DIFS+T_b-Sn+T_FRAME-Sn)+(T_DIFS+T_b-X+T_FRAME-X)

＝(T_FAME-S1+T_FRAME-S2+...+T_FRAME-Sn+T_FRAME-X)+n×T_DIFS

+(T_b-S2+T_b-S3+...+T_b-Sn+T_b-X)

＝(T_FRAME-S1+T_FRAME-S2+...+T_FRAME-Sn+T_FRAME-X)+n×T_DIFS+T_B-X

.....(5)

当应用层具有诸如在文件传输处理期间的大容量数据时，由于传输层或数据链路层执行解分段以具有与应用层相同的容量数据，因此假定MAC层传输相似容量的数据。因此，假设数据帧的长度是L_FRAME，传输数据帧所需的时间长度是T_FRAME。由站X传输帧所需的总时间如下：

传输帧所需的总时间

＝(n+1)×T_FRAME+n×T_DIFS+T_B-X

＝n×(T_FRAME+T_DIFS)+T_FRAME+T_B-X .....(6)

数据帧远大于帧间间隔，退避时间不可能具有大的值，除非重传数据帧，从而T_FRAM＞＞T_DIFS并且T_FRAM＞＞T_B-X。传输帧所需的总时间如下：

传输帧所需的总时间

(n+1)×T_FRAME ....(7)

因此，将在式7中获得的传输帧所需的总时间代入式4来计算有效传输速度，如下：

= \frac{1}{n + 1} \times \frac{L_{FRAME}}{T_{FRAME}}

= \frac{S_{PHY}}{n + 1} . . . (8)

其中，如式4所示，S_PHY表示当不产生竞争时能够传输帧的物理信道的传输速度，n表示由站X延迟帧传输的数量。如上所述，可从式4得到有效传输速度，从而测量无线信道质量。

图7是通过调整站的数量以传输帧并改变竞争来示出自竞争率(selfcontention rate，SCR)的变化对每个站的吞吐量的变化的图。提供四个接收节点和四个对应的传输节点来进行测试，图7示出测试的结果。接收节点操作“网络服务器(netserver)”，传输节点使用“netpert”产生到每个接收节点的流量，以测量预定的时间周期的平均吞吐量和平均SCR。仅一对节点在初始阶段彼此通信，其后，逐一添加其它对节点来根据竞争中的改变测量节点中的每一个的吞吐量。在测试期间，固定节点以根据纯粹节点的竞争测量无线信道质量中的改变，更具体地说，以防止无线信道质量由于信噪比(SNR)改变而改变。下面的表1示出“netpert”的设置环境

[表1]

测试工具	Netpert
测试工具	Netpert	操作时间	300秒
数据类型	UDP流	操作时间	300秒
数据类型	UDP流	分组大小	1000字节
WLAN	802.11b	分组大小	1000字节
WLAN	802.11b	所用信道	第一信道(固定)

由于SCR，测试的结果示出随节点的数量，即站增加，竞争和冲突彼此更加相关，导致站的吞吐量的改变。在这方面，图7所示的SCR反比于吞吐量。此外，当不产生竞争时，站具有不同的基本吞吐量，其被认为由无线状态中的SNR确定。

图9是示出在包括如图8所示的五个接收节点和五个传输节点的环境中，经由通过节点中的每一个从信道1、6、11中随机选择的信道以及经由通过测量信道中的每一个的链路质量而选择的信道的帧传输之间的比较的表。以Mbps测量信道的质量。参照图9，“随机选择”示出通过使用随机选择的无线信道传输帧获得的结果，而“质量估计选择”示出通过使用根据本发明实施例的测量无线信道质量的方法采用最佳质量无线信道来传输帧所获得的结果。“T”表示一栏的和。

节点中的每一个选择信道1、6和11中的一个，并与其它节点通信。接收节点运行“网络服务器”，并且传输节点使用“netpert”产生用于接收节点中的每一个的用户数据报协议(UDP)流量以测量预定的时间周期的节点的平均吞吐量。下面的表2示出“netpert”的设置环境。

[表2]

测试工具	Netpert
测试工具	Netpert	操作时间	300秒
数据类型	UDP流	操作时间	300秒
数据类型	UDP流	分组大小	1000字节
WLAN	802.11b	分组大小	1000字节
WLAN	802.11b	所用信道	信道1，6和11(选择)

信道的链路质量的测量和最佳质量信道的选择示出比随机信道的选择更好的性能。这是因为链路质量测量算法用于适当地确定当前链路的质量是否恶化，并在信道1、6和11中选择节点之间的竞争很少产生的信道，从而提高信道使用效率。根据本发明示例性实施例的测量无线信道质量的方法用于选择多个无线信道中的一个，并传输帧，从而改进总体通信效率。

也可将本发明示例性地实施为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是可存储其后可用计算机系统读取的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置以及载波。计算机可读记录介质也可以是与计算机系统相连的分布式网络，从而以分布式方式存储和执行计算机可读代码。

如上所述，本发明可基于无线信号或噪声的强度以及当在诸如CSMA/CA 802.11的系统中多个站使用共同无线信道时产生的竞争来更精确地测量无线信道质量。本发明可通过经测量无线信道质量使用最佳质量无线信道传输帧来有效地管理链路质量。

虽然已参照其示例性实施例具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应理解，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行各种变化。

Claims

1、一种测量无线信道质量的方法，该方法包括：

确定站之间的竞争，其中，所述站用于经由使用基于竞争的媒体访问方法的无线信道传输帧；以及

基于确定的竞争测量无线信道质量。

2、如权利要求1所述的方法，其中，基于每帧延迟传输的次数确定竞争。

3、如权利要求2所述的方法，其中，使用有效帧传输速度测量无线信道质量。

4、如权利要求1所述的方法，其中，所述站是在媒体访问控制(MAC)层的节点。

5、如权利要求1所述的方法，其中，所述无线信道使用载波侦听多路访问/避免冲突(CSMA/CA)媒体访问控制(MAC)方法。

6、一种测量无线信道质量的方法，该方法包括：

测量连接到多个站的无线网络中每帧延迟传输的次数；以及

基于测量的每帧延迟传输的次数确定指示帧传输速度受到所述站之间的竞争的影响的程度的竞争系数。

7、如权利要求6所述的方法，还包括：基于竞争系数确定经由无线网络有效地传输帧的有效传输速度。

8、如权利要求7所述的方法，其中，根据下式计算有效传输速度：

S_{eff} = \frac{S_{PHY}}{D_{rate} + 1}

其中，S_eff表示有效传输速度，D_rate表示每帧延迟的传输次数。

9、如权利要求6所述的方法，其中，根据下式计算竞争系数，

C_{f} = \frac{1}{D_{rate} + 1}

其中，C_f表示竞争系数，D_rate表示每帧延迟传输的次数。

10、如权利要求6所述的方法，其中，无线网络使用载波侦听多路访问/避免冲突(CSMA/CA)媒体访问控制(MAC)方法。

11、一种测量无线信道质量的方法，其中，在多个信道中将无线链路选择为通信链路，该方法包括：

确定在经由多个无线链路连接多个站的无线网络中所述多个站之间的竞争率；以及

基于确定的竞争率选择无线链路中的一个作为通信链路。

12、如权利要求11所述的方法，其中，通过基于确定的竞争率比较无线链路的有效帧传输速度中的每一个来选择通信链路。

13、如权利要求11所述的方法，其中，无线链路使用载波侦听多路访问/避免冲突(CSMA/CA)媒体访问控制(MAC)方法。

14、一种用于测量无线信道质量的设备，该设备包括：

信号质量分析器，确定在连接多个站的无线网络中物理信道的传输速度；

竞争分析器，确定指示帧传输速度受到站之间的竞争影响的程度的竞争系数；以及

有效传输速度计算器，基于竞争系数和物理信道的传输速度确定经由无线网络有效地传输帧的有效传输速度。

15、如权利要求14所述的设备，其中，竞争分析器包括：

延迟率计算器，确定无线网络中每帧延迟传输的次数；以及

竞争系数计算器，基于每帧延迟传输的次数确定竞争系数。

16、一种测量无线信道质量的设备，该设备包括：

竞争分析器，确定在经由多个无线链路连接到站的无线网络中所述多个站之间的竞争率；

信号质量分析器，确定在无线网络中物理信道的传输速度；

有效传输速度计算器，基于竞争率和物理信道的传输速度确定经由无线链路中的每一个有效地传输帧的有效传输速度；以及

链路分配块，基于确定的有效传输速度分配无线链路中的一个作为通信链路。

17、如权利要求16所述的设备，其中，无线网络使用载波侦听多路访问/避免冲突(CSMA/CA)媒体访问控制(MAC)方法。

18、一种在其上含有用于执行测量无线信道质量的方法的计算机程序的计算机可读记录介质，该方法包括：

确定站之间的竞争，其中，所述站经由使用基于竞争的媒体访问方法的无线信道传输帧；以及

基于确定的竞争测量无线信道质量。

19、一种在其上含有用于执行测量无线信道质量的方法的计算机程序的计算机可读记录介质，该方法包括：

测量在多个站所连接的无线网络中每帧延迟传输的次数；

基于测量的每帧延迟传输的次数确定指示传输速度受到站之间的竞争影响的程度的竞争系数；以及

基于竞争系数确定经由无线网络有效地传输帧的有效传输速度。

20、一种在其上含有用于执行测量无线信道质量的方法的计算机程序的计算机可读记录介质，该方法包括：

确定在经由多个无线链路所连接的无线网络中所述多个站之间的竞争率；以及

基于确定的竞争率选择无线链路中的一个作为通信链路。