CN1946056A - 一种无线局域网分组传输延迟的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无线局域网分组传输延迟的控制方法，提供了一种在更为实际的“非饱和状态”下的IEEE 802.11无线局域网之性能分析模型，进而提出了一种通过调节各个发送终端最小竞争窗尺寸从而控制无线局域网分组传输延迟的方法。利用该延迟控制方法，无线通信终端可以通过对网络业务量的动态实时检测，自适应地调整其“最小竞争窗尺寸”，从而满足预定的分组传输延迟。本发明实现简单，可以作为无线网卡固件的一部分或作为网卡驱动程序的一部分加以实现，支持全分布式的工作方式，可以将发送终端以较高的精度锁定在一定的目标平均分组延迟上。

Description

一种无线局域网分组传输延迟的控制方法

(一)技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种应用于无线局域网的传输控制方法。

(二)背景技术

当前IEEE 802.11标准已经成为了无线局域网接入技术的公认国际标准。在IEEE 802.11标准中主要定义了两种多址接入协议：其一是分布式协调功能(DCF)，另外一个是点协调功能(PCF)。其中，DCF是被业界广泛采用的多址接入标准，是基于载波侦听与冲突回避机制的一种多址随机接入策略。以下对IEEE 802.11标准中DCF的基本工作原理给予简要的介绍。

随着多媒体技术的发展，人们需要考虑如何在基于IEEE 802.11的无线局域网上支持多种业务，并为不同的业务提供不同的服务质量，如提供不同的分组传输延迟等。遗憾的是在IEEE 802.11标准中，并未考虑到对多种业务的有效支持。也就是说，所有业务流的数据分组均被等同对待。这样的工作模式显然不能适应多媒体业务的要求。解决这个问题的关键是使DCF具有“差分服务”的支持能力。所谓差分服务的支持能力就是指网络对不同业务提供不同的服务质量，比如说不同的分组传输延迟。在最近完成的IEEE 802.11E标准中，人们提出了通过给不同发送终端分配不同的“最小竞争窗”，来为不同的发送终端提供不同的服务质量的思想。基于DCF的工作原理，可以知道如果发送终端具有较小的“最小竞争窗”，该终端将比别的终端更容易接入无线信道。也就是说，较小的“最小竞争窗”，将带来较小的分组延迟。然而，如何根据网络业务量的变化，自适应的调整“最小竞争窗”，从而满足预定的分组平均传输延迟的具体实现技术在标准中并未给出。要解决这个问题，主要的技术难点就在于对IEEE 802.11无线局域网深入的性能分析上。因为只有掌握了IEEE 802.11无线局域网的内在规律，才能有效的去控制网络的性能。G. Bianchi教授和E.Gregori教授等人分别提出了两种关于IEEE 802.11无线局域性能分析的理论模型，然而这些分析均是基于系统工作于“饱和状态”下的假设。在饱和状态下，发送终端在发送完一个分组后，便马上会有下一个分组在发送队列中等待发送。这样的假设方便了理论分析，但由于和实际系统工作状态不相一致(实际系统主要是工作在非饱和状态下)，因此这些分析模型很难被应用到实际的系统中去控制分组的传输延迟。

(三)发明内容

为了克服现有技术不能有效控制数据分组传输延迟的缺陷，本发明提供了一种在更为实际的“非饱和状态”下的IEEE 802.11无线局域网之性能分析模型，进而提出了一种通过调节各个发送终端最小竞争窗尺寸从而控制无线局域网分组传输延迟的方法。利用该延迟控制方法，无线通信终端可以通过对网络业务量的动态实时检测，自适应地调整其“最小竞争窗尺寸”，从而满足预定的分组传输延迟。

本发明基于对非饱和状态下IEEE 802.11无线局域网的性能分析所取得的，所述的控制方法则是基于这些理论分析结果提出来的具体实现方案。

考虑无线局域网中有H个发送终端。每个发送终端均承载有一个业务流。为了叙述方便起见，我们对H个发送终端予以编号，从1号一直到第H号。业务流由数据分组组成，每个数据分组的有效载荷在无线信道上的传输时间为T_L。另外，第i(i＝1，...，H)个业务流的数据分组间的到达平均间隔为T_p，i(i＝1，...，H)。系统中所有发送终端所贡献的数据吞吐率记为s。由第i(i＝1，...，H)个业务流所贡献的数据吞吐率为s_i(i＝1，..，H)。

下面结合第i(i＝1，...，H)个发送终端，给出实现本延迟控制方法的具体步骤：步骤1：在时刻t_k，第i(i＝1，...，H)个发送终端在成功发送完它的第k个分组后，估计数据吞吐率s和s_i(i＝1，...，H)。考虑编号为i的发送终端。在时刻t_k该终端成功发送了它的第k个分组。该发送终端将其最近成功发送的D个分组所对应的发送时刻均记录在一个缓存中。t_k-j(j＝0，...，D；D≥1)对应着第k-j个分组成功发送的时刻。这样在时刻t_k，该发送终端可以将其所贡献的数据吞吐率估计为 $s_i\≈\frac{D\·T_L}{t_k-t_{k-D}}.$ 同时，该发送终端还记录下来在时刻t_k-D至t_k期间，编号为j(j≠i)的发送终端所成功发送的分组数N_j。这样，在时刻t_k，我们可以将其他各个发送终端所贡献的数据吞吐率估计为 $s_j\≈\frac{N_j\·T_L}{t_k-t_{k-D}}.$ 估计出所有发送终端所贡献的数据吞吐率s_j(j＝1，2，...，H)，于是总的数据吞吐率可估计为 $S=\underset{j=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j.$ 注意D取值越大，发送终端对网络业务量的动态变化的反应就越慢。因此，参数D建议取值为10至20。另外需要说明的是，在IEEE 802.11无线局域网中，某个发送终端发送的数据分组可以被其它终端所接收。发送终端所发送的数据分组中有该发送终端的多址接入地址(即MAC地址)，其他终端通过这个地址便可以识别出该数据分组是由谁发送的。

步骤2：基于估计得到的数据吞吐率S和s_i(i＝1，...，H)，计算

${\mathrm{\θ}}_{1,i}=T_L\·\underset{j=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j}{s_i}(i=1,...,H),{\mathrm{\θ}}_{2,i}=T_s\·\underset{j=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j}{s_i}(i=1,...,H)$ 和 ${\mathrm{\θ}}_{3,i}=T_c\·\underset{j\≠k}{\underset{1\≤j,k\≤H}{\mathrm{\Σ}}\frac{s_j\·s_k}{{s_i}^2}}(i=1,...,H)$

其中I_c和I_s可根据如下公式计算：

           T_s＝PHY_header+MAC_header+T_L+SIFS+ACK+DIFS        (1)

               T_c＝PHY_headedr+MAC_header+T_L+DIFS            (2)

公式中，PHY_header表示物理层数据分组头的信道传输时间MAC_header表示多趾接入层数据分组头的信道传输时间；ACK表示确认分组的信道传输时间；SIFS和DIFS为IEEE 802.11标准中规定的固定参数。这些参数均可参照IEEE 802.11的规定得到。

步骤3：根据公式(3)计算参数τ_i(i＝1，...，H)。

${\mathrm{\τ}}_i=\frac{({\mathrm{\θ}}_{1,i}-S{\mathrm{\θ}}_{2,i})-\sqrt{{({\mathrm{\θ}}_{1,i}-S{\mathrm{\θ}}_{2,i})}^2-4\mathrm{\σ}{\mathrm{\θ}}_{3,i}{S}^2}}{2S{\mathrm{\θ}}_{3,i}}---\left(3\right)$

公式中，σ表示退避过程中一个空闲时隙的长度。该值在IEEE 802.11标准中有明确规定。

步骤4：根据公式(4)计算参数p_i(i＝1，...，H)。

$p_i=1-\underset{j=1,j\≠i}{\overset{H}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{\τ}}_j)---\left(4\right)$

步骤5：根据公式(5)计算“最小竞争窗尺寸”的目标值，并完成对“最小竞争窗尺寸”W_i的调整。

$W_i=\frac{{\hat{T}}_{d,i}-\frac{T_s}{1-p_i}}{(\frac{T_L}{s_i}-\frac{T_s}{1-p_i})\·\frac{(1-p_i)\·{\mathrm{\τ}}_i}{2(1-2p_i)}}---\left(5\right)$

公式中

为第i(i＝1，...，H)个发送终端的目标平均分组延迟；W_i为第i(i＝1，...，H)个发送终端的“最小竞争窗尺寸”。为了达到 W_i应依照公式5设定。

步骤6：发送终端根据公式(5)计算得到的“最小竞争窗尺寸”的目标值设置其自身的W_i，并以该新的“最小竞争窗尺寸”按照IEEE 802.11标准的规定去控制其退避过程，具体退避过程完全按照标准规定执行。以该计算出的“最小竞争窗尺寸”去执行IEEE 802.11标准所规定的退避过程，将产生出平均分组延迟约等于目标值 的实际分组延迟。

上述步骤给出了通过调节发送终端“最小竞争窗尺寸”从而达到控制分组传输延迟目的的方法。具体的无线接入协议，即DCF，可参照IEEE 802.11标准之规定。

本发明实现简单，可以作为无线网卡固件的一部分或作为网卡驱动程序的一部分加以实现，支持全分布式的工作方式。无需中心控制器的介入。本发明可以保证发送终端达到其各自的目标平均分组延迟 ${\hat{T}}_{d,i}(i=\mathrm{1,2},...,H),$ 可以将发送终端以较高的精度锁定在一定的目标平均分组延迟上。而且，随着网络业务的动态变化，可以做到自适应的调整发送终端的“最小竞争窗尺寸”，从而保证达到的分组延迟并不随网络业务量的动态变化而改变。下面，通过仿真结果，给出本方法所能达到的技术效果。

以一个拥有H＝15个发送终端的无线局域网的仿真试验为例，每个发送终端均承载有一个业务流。T_L＝0.0014545(s)，T_p，i＝0.043636(s)(i＝1，2，...，15)，D＝10，其它参数均按照IEEE 802.11b的标准规定设置。在时刻0到时刻20(s)，只有编号为1至5的5个发送终端传输数据。从时刻20(s)到时刻60(s)，编号为6到15的发送终端加入到系统中并发送数据。编号为1至5的发送终端的目标平均分组延迟为10毫秒。编号为6至15的发送终端的目标平均分组延迟为30毫秒。这样在时刻20(s)处，系统的业务量便存在着一个跳变。由于本方法可以根据网络业务量的变化自适应调整相应发送终端的“最小竞争窗尺寸”W_i，因此保证了各个发送终端的分组发送延迟保持不变，并且锁定在目标值上。图1给出了各个发送终端的目标平均分组延迟以及利用本方法所最终达到的平均分组延迟的对比。可以看出，使用本方法可以很好的锁定目标分组延迟。图2给出了从时刻0(s)到时刻60(s)间，1号发送终端的“最小竞争窗尺寸”W₁随网络业务量的动态变化不断进行调整的情况。注意，在时刻20(s)处，由于有10个新的发送终端加入到网络中，网络的业务量有所突变，这时W₁也随之快速的调整到一定的值，从而保证分组延迟不受网络业务量的变化而受到影响。

(四)附图说明

1、附图1为本发明所述的目标分组延迟和实际达到的分组延迟对比图。

2、附图2为“最小竞争窗尺寸”随网络业务量的变化进行自适应调整图。

(五)具体实施方式

总体来说本方法可以作为固件在IEEE 802.11无线接入网卡中实现，或实现在无线接入网卡的驱动程序里。下面对每一步的实现进行详细的说明。

考虑无线局域网中有H个发送终端。每个发送终端均承载有一个业务流。为了叙述方便起见，我们对H个发送终端予以编号，从1号一直到第H号。业务流由数据分组组成。每个数据分组的有效载荷在无线信道上的传输时间为T_L。这里所指的有效载荷指的是多址接入层的分组中所承载的来自通信协议上层的有效数据。系统中所有发送终端所贡献的数据吞吐率记为S。由第i(i＝1，...，H)个业务流所贡献的数据吞吐率为s_i(i＝1，..，H)。

下面，结合具体实例对本方法加以说明。考虑无线局域网中有H＝2个发送终端。每个发送终端均承载有一个业务流。我们对H＝2个发送终端予以编号(1号和2号)。每个数据分组的有效载荷为16000比特。这里我们结合IEEE 802.11b之规定加以说明。在IEEE 802.11b中，无线信道的数据传输速率为11M比特每秒。因此，我们可以计算有效数据的信道传输时间T_L为 $T_L=\frac{16000\mathrm{bit}}{11000000\mathrm{bit}/s}=0.0014515s.$ 接下来，我们考虑发送终端1是如何按照我们的方法实现对其“最小竞争窗尺寸”进行调节的。设发送终端1的目标分组平均延迟为 ${\hat{T}}_{d,i}=0.010s.$

步骤1：在时刻t_k＝0.020s，1号发送终端在成功发送完它的第k个分组后，估计数据吞吐率s和s_i(i＝1，2)。1号发送终端在时刻t_k＝0.020s该终端成功发送了它的第k个分组。该发送终端将其最近成功发送的D＝2个分组所对应的发送时刻均记录在一个缓存中。设t_k-2＝0.005s和t_k-1＝0.015s。这样在时刻t_k＝0.020s，1号发送终端所贡献的数据吞吐率可估计为 $s_1\≈\frac{D\·T_L}{t_k-t_{k-2}}=\frac{2*0.0014545}{0.020-0.005}=0.19393.$ 同时，1号发送终端还记录下来在时刻t_k-2至t_k期间，2号发送终端所成功发送的分组数N₂＝3。这样，在时刻t_k，我们可以将2号发送终端所贡献的数据吞吐率估计为 $s_2\≈\frac{N_2\·T_L}{t_k-t_{k-2}}=\frac{3*0.0014545}{0.020-0.005}=0.29090.$ 总的数据吞吐率可估计为s＝s₁+s₂＝0.48483。

步骤2：基于估计得到的数据吞吐率S和s_i(i＝1，2)，计算θ_1，1、θ_2，1、θ_3，1、θ_1，2、θ_2，2和θ_3，2。首先根据公式(1)和(2)计算参数T_c和T_s。根据IEEE 802.11b的规定，我们有以下参数设定：PHY_header+MAC_header＝0.0002167s，ACK＝0.0002022s，SIFS＝0.00001s，DIFS＝0.00005s，σ＝0.00002s。这样

T_s＝PHY_header+MAC_header+T_L+SIFS+ACK+DIFS

＝0.0002167+0.0014545+0.00001+0.0002022+0.00005

＝0.0019334s

T_c＝PHY_header+MAC_header+T_L+DIFS

＝0.0002167+0.0014545+0.00005

＝0.0017212s

有了T_c和T_s，我们可以得到：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{1,1}}=T_L\·\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j}{s_1}=0.0014545*(1.0+1.5)=0.0036363$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{2,1}}=T_s\·\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j}{s_1}=0.0019334*(1.0+1.5)=0.0048335$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{3,1}}=T_c\·\underset{j\≠k}{\underset{1\≤j,k\≤2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j\·s_k}{{s_1}^2}=0.0017212*1.5=0.0025818$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{1,2}}=T_L\·\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j}{s_2}=0.0014545*(1.0+0.6666)=0.0024242$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{2,2}}=T_s\·\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j}{s_2}=0.0019334*(1.0+0.6666)=0.0032223$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{3,2}}=T_c\·\underset{j\≠k}{\underset{1\≤j,k\≤2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j\·s_k}{{s_2}^2}=0.0017212*0.6666=0.0011475$

步骤3：根据公式(3)计算参数各个发送终端所对应的τ_i(i＝1，2)。

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{1,1}}-S{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{2,1}})-\sqrt{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{1,1}}-S{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{2,1}})}^2-4\mathrm{\σ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{3,1}}{S}^2}}{2S{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{3,1}}}=0.0075557$

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{1,2}}-S{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{2,2}})-\sqrt{{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{1,2}}-S{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{2,2}})}^2-4\mathrm{\σ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{3,2}}{S}^2}}{2S{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{3,2}}}=0.011334$

步骤4：根据公式(4)计算参数各个发送终端所对应的p_i(i＝1，2)。

p₁＝1-(1-τ₂)＝0.011334

p₂＝1-(1-τ₁)＝0.0075557

步骤5：根据公式(5)计算“最小竞争窗尺寸”的目标值。

$W_1=\frac{{\hat{T}}_{d,1}-\frac{T_s}{1-p_1}}{(\frac{T_L}{s_1}-\frac{T_s}{1-p_1})\·\frac{(1-p_1)\·{\mathrm{\τ}}_1}{2(1-2p_1)}}$

$=\frac{0.010-\frac{0.0019334}{1.0-0.01133354}}{(\frac{0.0014545}{0.1939333}-\frac{0.0019334}{1.0-0.01133354})*\frac{(1.0-0.01133354)*0.00755574}{2.0*(1.0-2.0*0.01133354)}}$

$=379.66$

这样，1号发送终端将其“最小竞争窗尺寸”设置为380(注意，“最小竞争窗尺寸”必须取整数值)即可保证其数据分组的平均延迟达到 ${\hat{T}}_{d,1}=0.010s.$ 确定了“最小竞争窗尺寸”的值以后，该发送终端便严格按照IEEE 802.11标准所规定的退避算法进行。关于退避算法请参照IEEE 802.11标准。当该发送终端每成功发送一个分组后，便可以重复由步骤1到步骤5的过程，从而不断调整其“最小竞争窗尺寸”，并将分组延迟保持在 ${\hat{T}}_{d,1}=0.010s.$

步骤6：使用公式(5)计算得到的新的“最小竞争窗尺寸”去控制发送终端的退避过程(参见IEEE 802.11之标准规定)。

Claims (1)

1、一种无线局域网分组传输延迟的控制方法，其特征在于具体步骤为：

步骤1：在时刻t_k，第i(i＝1，...，H)个发送终端在成功发送完它的第k个分组后，估计数据吞吐率S和s_i(i＝1，...，H)；

步骤2：基于估计得到的数据吞吐率S和s_i(i＝1，...，H)，计算

${\mathrm{\θ}}_{1.i}=T_L\·\underset{j=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j}{s_i}(i=1,...,H),$ ${\mathrm{\θ}}_{2,i}=T_s\·\underset{j=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\frac{s_j}{s_i}(i=1,...,H)$ 和 ${\mathrm{\θ}}_{3,i}=T_c\·\underset{\underset{j\≠k}{1\≤j,k\≤H}}{\mathrm{\Σ}}\frac{s_j\·s_k}{{s_i}^2}(i=1,...,H);$

步骤3：计算参数各个发送终端所对应的τ_i(i＝1，...，H)；

${\mathrm{\τ}}_i=\frac{({\mathrm{\θ}}_{1,i}-{\mathrm{S\θ}}_{2,i})-\sqrt{{({\mathrm{\θ}}_{1,i}-{\mathrm{S\θ}}_{2,i})}^2-{4\mathrm{\σ\θ}}_{3,i}{S}^2}}{{2\mathrm{S\θ}}_{3,i}}$

步骤4：计算参数各个发送终端所对应的p_i(i＝1，...，H)；

$p_i=1-\underset{j=1,j\≠i}{\overset{H}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{\τ}}_j)$

步骤5：计算“最小竞争窗尺寸”的目标值，并完成对“最小竞争窗尺寸”W_i的调整；

$W_i=\frac{{\hat{T}}_{d,i}-\frac{T_s}{1-p_i}}{(\frac{T_L}{s_i}-\frac{T_s}{1-p_i})\·\frac{(1-p_i)\·{\mathrm{\τ}}_i}{2(1-{2p}_i)}}$

步骤6：使用步骤5计算得到的新的“最小竞争窗尺寸”去控制发送终端的退避过程。

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