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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Wesentlichen auf die Kommunikation
in einem drahtlosen lokalen Netzwerk (WLAN) und speziell auf die
dynamische Einstellung drahtloser Kommunikationsprotokolle zum Erfüllen der
Quality of Service (QoS).
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Der
802.11-Standard für
drahtlose LANs des US-amerikanischen Ingenieurverbandes IEEE entwickelt sich
zu einem beliebten Mechanismus zum Einrichten von Netzwerken in
vielen Industrie-, Büro-,
Heim- und Medizinumgebungen. Das WLAN wird den drahtgebundenen LANs
aufgrund der Einfachheit von Entwicklung und Einrichtung der Infrastruktur
sowie der Tragbarkeit der Netzwerkgeräte bei Konnektivität vorgezogen.
Das IEEE-802.11-Protokoll
beinhaltet eine Media Access Control (MAC)-Schicht zum Steuern der drahtlosen Kommunikation.
Die grundlegende 802.11-MAC-Schicht verwendet eine Verteilte Koordinierungsfunktion
(DCF – Distributed
Coordination Function), um das drahtlose Medium zwischen mehreren
Knoten in dem WLAN zu verteilen. Die DCF vertraut auf Carrier Sense
Multiple Access With Collision Avoidance (CSMA/CA) (Mehrfachzugriff
mit Leitungsabfrage und Kollisionsvermeidung) und optional 802.11-RTS/CTS (Sendeanforderung/Sendebereitschaft),
um das Medium unter den Knoten zu verteilen. Die Hauptbegrenzung
des alten Standards 802.11 liegt darin, dass er keine Differenzierung
der Quality of Service zwischen den verschiedenen Traffic-Arten unterstützen kann.
Das heißt,
jede Traffic-Art wird in dem Netzwerk mit der gleichen Fairness
behandelt. Diese Eigenschaft ist bei Best-Effort-Traffic angemessen,
aber bei verzögerungs-
und durchsatzempfindlichem Traffic, wie z. B. Echtzeitvideo, ist
ein Priorisierungssystem vonnöten,
bei dem Traffic mit hoher Priorität einen größeren Teil des verteilten drahtlosen
Mediums erhält.
(Hinweis: Die Bandbreite wird primär aufgrund von Backoffs und
nicht durch Kollisionen verringert. Kollisionen werden zum Teil
von CSMA und RTS/CTS verhindert).
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Um
eine derartige QoS-Differenzierung bereitzustellen, definiert die
originale 802.11-MAC eine andere Koordinierungsfunktion mit der
Bezeichnung Punktkoordinierungsfunktion (PCF – Point Coordination Function).
Wenn Knoten durch einen Access Point (AP – Zugangspunkt) mit dem Netzwerk
verbunden werden, senden die APs Beaconframes in regelmäßigen Intervallen
(normalerweise alle 0,1 Sekunden). Zwischen diesen Beaconframes
definiert PCF zwei Zeiträume:
den konkurrenzfreien Zeitraum (CFP – Contention Free Period) und
den Konkurrenzzeitraum (CP – Contention
Period). Während
der CP wird DCF einfach verwendet. Während der CFP sendet der AP
konkurrenzfreie Poll(CF-Poll)-Pakete
an jede Station, eine nach der anderen, um ihnen das Recht einzuräumen, ein
Paket zu senden. Der AP ist der Koordinator. Dies ermöglicht ein
besseres Management der QoS. Allerdings verfügt, wie vorstehend erwähnt, die
PCF über
begrenzte Unterstützung,
definiert keine Traffic-Klassen und benötigt eine zentrale Koordinierung,
was für
hochdynamische Umgebungen nicht geeignet ist.
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Da
der alte Standard 802.11 keine angemessene Unterstützung für QoS aufweist,
entwickelte sich ein neuer Standard mit der Bezeichnung 802.11e,
der über
eine priorisierte Traffic-Lieferung
zur Differenzierung zwischen Traffic mit verschiedenen Kritikalitätsgraden
verfügt.
Der neue Standard erfüllt
QoS, indem er separate MAC-Parameter für verschiedene Dienstklassen
aufweist. Das heißt,
der 802.11e verbessert die DCF und die PCF durch eine neue Koordinierungsfunktion:
die Hybridkoordinierungsfunktion (HCF – Hybrid Coordination Functi on).
Innerhalb der HCF gibt es zwei Verfahren des Kanalzugriffs, ähnlich der
im alten Standard 802.11 definierten MAC: HCF-Gesteuerter Kanalzugang
(HCCA – HCF
Controlled Channel Access) und Verbesserter Verteilter Kanalzugang
(EDCA – Enhanced
Distributed Channel Access). Sowohl EDCA als auch HCCA definieren
Traffic-Klassen (TC). Zum Beispiel könnten E-Mails einer Klasse
mit niedriger Priorität
zugeordnet und Voice over Wireless LAN (VoWLAN) einer Klasse mit
hoher Priorität
zugeordnet werden.
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Durch
EDCA erfüllt
der 802.11e die Quality of Service-Differenzierung, indem er für verschiedene
Traffic-Klassen verschiedene MAC-Parameter (TXOP, CW, AIFS, RL)
aufweist. Eine Transmit-Opportunity (TXOP) ist ein begrenztes Zeitintervall,
in dem eine Station so viele Frames wie möglich senden kann (so lange
die Dauer der Übertragungen
die Höchstdauer
des TXOP nicht übersteigt).
Wenn ein Frame zu groß ist,
um innerhalb eines einzigen TXOP übertragen zu werden, dann wird
er in kleinere Frames fragmentiert. Des Weiteren beinhaltet EDCA
Zugriffskategorien und mehrere unabhängige Backoff-Entitäten, um
auf jeden Kanal zuzugreifen, einschließlich: einer Contention Window
Size (CWmin[AC] für
jede Klasse, einem Arbitration Interframe Space (AIFS[AC] und einer
Frame Retransmission Limit (RL[AC]). Bei der Verwendung verschiedener MAC-Parameter
für Traffic-Klassen
mit niedriger und hoher Priorität
erhält
der Traffic mit hoher Priorität
mehr Übertragungsgelegenheiten
als der Traffic mit niedriger Priorität.
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Der
HCCA (HCF (Hybrid Coordinator Function) Controlled Channel Access) ähnelt der
PCF in dem alten Standard 802.11. Allerdings ermöglicht HCCA im Gegensatz zu
PCF (in der das Intervall zwischen zwei Beaconframes in die zwei
Zeiträume
CFP und CP aufgeteilt wird), dass CFPs beinah jederzeit während einer CP
initiiert werden können
(in 802.11e als Controlled Access Phase (CAP) bezeichnet), was mehr
Kontrolle für verschiedene
Traffic-Klassen zulässt.
Eine CAP wird von dem Hybridkoordinator initiiert (welcher eigentlich
der Access Point (AP) ist), wann immer sie einen Frame an eine Station
senden oder einen Frame von einer Station empfangen möchte, auf
konkurrenzfreie Weise. Während
einer CAP steuert der Hybridkoordinator (HC) – der auch der AP ist – den Zugriff
auf das Medium. HCCA definiert ebenfalls zusätzlich zu den Traffic-Klassen (TC)
neue Traffic-Ströme
(TS), was es ermöglicht,
QoS für
Traffic-Sessions an jedem Knoten zu steuern und individuelle Paketwarteschlangen
zu beeinflussen. Das bedeutet, dass der HC nicht auf Warteschlangen-pro-Station
begrenzt ist und eine Art Pro-Session-Dienst bereitstellen kann.
Der HC kann diese Ströme oder
Sessions auf jede Art und Weise koordinieren, die er auswählt, indem
er für
jede Traffic-Klasse (TC) Informationen über die Länge ihrer Warteschlangen ausgibt.
Der HC kann diese Information verwenden, um einem Knoten Priorität vor einen
anderen zu geben, um seinen Zeitvergabemechanismus besser einzustellen. Des
Weiteren wird den Knoten ein TXOP zugewiesen: sie können in
einem gegebenen von dem HC ausgewählten Zeitraum mehrere Pakete
in einer Reihe senden. Durch HCCA können QoS-aktivierte Knoten auch die Fähigkeit
aufweisen, spezifische Übertragungsparameter
(Datenrate, Jitter, etc.) aufzuweisen, die Anwendungen wie VoIP
und Videostreaming ermöglichen,
um auf einem Wi-Fi-Netzwerk effektiver zu arbeiten.
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Obwohl
802.11e unter standardmäßigen Betriebsbedingungen
zwischen den Dienstklassen differenzieren kann, sind die 802.11e-Parameter
statisch, was bedeutet, dass sie nicht unter allen Netzwerkbedingungen
optimal sind. Wenn sich die Netzwerkbedingungen in dem WLAN ändern, passen
sich die 802.11e-Parameter
nicht diesen ändernden
Bedingungen an. Darüber
hinaus sind die Standardparameter für die verschiedenen Traffic-Klassen gedacht,
um speziell lediglich Best-Effort-, Video- und Voice-Traffic zu unterstützen. Das macht
die 802.11e-Standardparameter
für einige
Anwendungen ungeeignet. Zum Beispiel sind die 802.11e-Standardparameter
aufgrund der statischen Natur ihrer Parameter in Bezug auf die Erfüllung der QoS-Anforderungen
medizinischer Geräte
ungeeignet, die in der Patientenüberwachung
in einer Krankenhausumgebung verwendet werden, wo Schwellenwerte
für Signaldurchsatz
und Signalverzögerung
zu erfüllen sind.
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Daher
wäre es
wünschenswert,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, die/das die dynamische
Einstellung von MAC-Parametern für
die Erfüllung
einer QoS-Anforderung ermöglicht.
Es wäre
ebenfalls wünschenswert,
dass das System und Verfahren die automatische Einstellung der MAC-Parameter
in einer verteilten Weise ermöglichen,
lediglich mithilfe des lokalen Wissens, das an den einzelnen Knoten
erhalten wird, und dass die MAC-Parameter auf den QoS-Anforderungen
eines einzelnen Knoten basieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein System und Verfahren zum Einstellen
einer Vielzahl von Betriebsparametern für einen Knoten in einem WLAN
bereit, so dass eine QoS-Anforderung erfüllt wird. Die Betriebsparameter
zum Erfüllen
der QoS-Anforderungen
werden durch lokale Messungen bestimmt, die von dem Knoten erfasst
werden, der mit einem lokalen, analytischen Modell des WLANs verbunden
wird.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung beinhaltet ein drahtloses lokales Netz (WLAN)
mindestens einen Radio Access Point und eine Vielzahl von Knoten
in drahtloser Kommunikation mit dem mindestens einen Radio Access
Point gemäß den Media
Access Control(MAC)-Parametern, wobei jeder der Vielzahl von Knoten einen
Quality of Service(QoS)-Schwellenwert für die drahtlose Kommunikation
mit dem mindestens einen Radio Access Point aufweist, der eine Funktion
der MAC-Parameter ist. Jeder der Vielzahl von Knoten umfasst eine
Steuerung, die konfiguriert ist, um eine individualisierte Steuerung
der den Knoten entsprechenden MAC-Parameter bereitzustellen. Die
Steuerung ist programmiert, um die aktuellen Einstellungen für mindestens
einen Teil der MAC-Parameter für
den Knoten zu messen, die aktuellen Einstellungen für den mindestens einen
Teil der MAC-Parameter
des Knotens in ein WLAN-Systemmodell einzugeben, um eine Systemmodellausgabe
zu erzeugen, und eine Einstellung von mindestens einem der MAC-Parameter
für den
Knoten anzupassen, um den QoS-Schwellenwert für den Knoten zu erfüllen, basierend
auf der Systemmodellausgabe.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Auswählen einer
Vielzahl von Betriebsparametern für einen Knoten in einem drahtlosen
lokalen Netz (WLAN) die folgenden Schritte: Ableiten eines lokalen,
analytischen Modells des WLANs basierend auf Media Access Control
(MAC)-Parametern und
drahtlosen Signal-Traffic-Eigenschaften, Erfassen lokaler Messungen
eines Teils der MAC-Parameter an dem Knoten und Bestimmen einer
erzielten Quality of Service (QoS) für den Knoten durch Anwenden
der erfassten lokalen Messungen des Teils der MAC-Parameter auf
das lokale, analytische Modell. Das Verfahren beinhaltet ebenfalls
die folgenden Schritte: Durchführen
einer adaptiven Optimierung des lokalen, analytischen Modells und
Modifizieren von mindestens einem der MAC-Parameter des Knotens
basierend auf der adaptiven Optimierung, um einem QoS-Schwellenwert
für den
Knoten zu entsprechen.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der Erfindung wird eine Steuerung für einen
drahtlosen lokalen Netzwerk(WLAN)-Knoten programmiert, um eine Quality
of Service(QoS)-Anforderung für
eine drahtlose Signalübertragung
von dem WLAN-Knoten einzustellen, wobei die drahtlose Signalübertragung
von einer Vielzahl von Media Access Control(MAC)-Parametern geregelt
wird. Die Steuerung wird ebenfalls programmiert, um ein Modell eines
WLANs zu erzeugen, das auf einer Vielzahl von MAC-Parametern und
Signal-Traffic-Eigenschaften der drahtlosen Signalübertragung
basiert, Messungen von MAC-Schichtrückmeldungen und Signalneuübertragungen
von dem WLAN-Knoten zu empfangen und die empfangenen MAC-Schichtrückmeldungen und
Signalneuübertragungen
von dem WLAN-Knoten in das erzeugte WLAN-Modell einzufügen. Die
Steuerung wird ferner programmiert, um bei Einfügung der empfangenen MAC-Schichtrückmeldungen
und Signalneuübertragungen
eine adaptive Optimierung des erzeugten Modells durchzuführen, um
einen gewünschten Wert
für den
mindestens einen der Vielzahl von MAC-Parametern zu bestimmen, der
die QoS-Anforderung
für die
drahtlose Signalübertragung
durch den WLAN-Knoten erfüllt
und den mindestens einen der Vielzahl von MAC-Parametern basierend
auf der adaptiven Optimierung in den gewünschten Wert modifiziert, um
die QoS-Anforderung für
die drahtlose Signalübertragung
durch den WLAN-Knoten zu erfüllen.
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Verschiedene
andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung und den Zeichnungen deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Zeichnungen stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, die derzeit
zum Ausführen
der Erfindung in Betracht gezogen werden.
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In
den Zeichnungen ist:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm eines drahtlosen lokalen Netzwerk(WLAN)-Knotens
gemäß der Erfindung.
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2 ein
schematisches Blockdiagramm eines Knotens, der mit einem WLAN gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung verbunden ist.
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3 ein
schematisches Blockdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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4 ein
Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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5 ein
schematisches Blockdiagramm einer Benutzerschnittstelle für einen
Knoten gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Mit
Bezug auf 1 wird ein Beispiel für ein geeignetes
Computergerät 10 dargestellt,
auf dem die Erfindung implementiert werden kann. Das Computergerät 10 ist
nur ein Beispiel für
eine geeignete Computerumgebung und nicht gedacht, eine Begrenzung
z. B. im Anwendungsbereich oder der Funktionalität der Erfindung anzudeuten.
Ferner sollte das Computergerät 10 nicht
als eine Abhängigkeit
von oder Voraussetzung bezüglich
einer oder einer Kombination aus in dem beispielhaften Betriebsgerät 10 dargestellten
Komponenten aufweisend interpretiert werden.
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst das Computergerät 10 eine
Benutzerstation oder einen Knoten in Form eines drahtlosen mobilen
Gerätes.
Wie nachstehend ausführlicher
erklärt
werden wird, wird ein Knoten 10 für den Zugang zu einem draht losen
lokalen Netzwerk (WLAN) eingerichtet. In seiner grundlegendsten
Konfiguration beinhaltet der Knoten 10 mindestens eine
Verarbeitungseinheit 12 und einen Speicher 14.
In Abhängigkeit
von der genauen Konfiguration und der Art des Computergerätes kann
der Speicher 14 flüchtig
(z. B. ein RAM), nichtflüchtig
(z. B. ROM, Flash-Speicher, etc.) oder eine Kombination aus den
beiden sein. Die Verarbeitungseinheit 12 und der Speicher 14 sind
in einer Steuerung 16 enthalten und bilden einen Teil davon.
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Der
Knoten 10 kann ebenfalls zusätzliche Merkmale/Funktionalität aufweisen.
Zum Beispiel kann der Knoten 10 ebenfalls zusätzlichen
Speicher (wechselbar und/oder nicht wechselbar) beinhalten, einschließlich, aber
nicht begrenzt auf, magnetische oder optische Platten oder Bänder. Ein
derartiger zusätzlicher
Speicher ist in 1 durch einen wechselbaren Speicher 18 und
einen nicht wechselbaren Speicher 20 dargestellt. Computerspeichermedien
beinhalten flüchtige
und nichtflüchtige,
wechselbare und nicht wechselbare Medien, die zum Speichern von
Informationen wie z. B. computerlesbare Anweisungen, Datenstrukturen,
Programmmodule und andere Daten in ein beliebiges Verfahren oder
eine beliebige Technologie implementiert werden. Der Knoten 10 kann
ebenfalls eine oder mehrere Kommunikationsverbindungen 22 enthalten,
die es dem Knoten erlauben, mit anderen Geräten zu kommunizieren. Die Kommunikationsverbindung 22 gewährleistet
die Kommunikation mit einem WLAN über zum Beispiel akustische,
RF-, Infrarot- und andere drahtlose Medien. Wie vorstehend erläutert, beinhaltet
der Begriff computerlesbare Medien, wie hierin verwendet, sowohl
Speicher- als auch Kommunikationsmedien.
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Der
Knoten 10 kann ebenfalls ein oder mehrere Eingabegeräte 24 aufweisen,
wie z. B. Tastatur, Maus, Pen, Spracheingabegerät, Berührungseingabegerät etc. Eingabegeräte 24 können e benfalls
analoge oder digitale Signaleingaben beinhalten. Es können ebenfalls
ein oder mehrere Ausgabegeräte 26,
wie z. B. Lautsprecher, Drucker etc. inbegriffen sein. All diese
Geräte
sind in der Technik gut bekannt und brauchen hier nicht ausführlich erläutert werden.
Der Knoten 10 ist ebenfalls mit einer tragbaren Leistungsquelle 28 versehen,
wie z. B. einem Batteriepack oder ähnlichem. Die Leistungsquelle 28 liefert
Strom für
Berechnungen und drahtlose Datenübertragungen
durch den Knoten 10.
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Mit
Bezug auf 2 beinhaltet der Knoten 10 ferner
eine Netzwerkschnittstellenkarte (NIC) 30 zum drahtlosen
Kommunizieren mit verschiedenen drahtlosen Netzwerkarten. Die NIC 30 beinhaltet
ein Übertragungsgerät 32,
das an eine Antenne 34 gekoppelt ist, um Daten drahtlos über einen
geeigneten Frequenzkanal zu übertragen.
Ein Empfangsgerät 36 ist
ebenfalls mit der Antenne 34 gekoppelt, um die von dem
Netzwerk drahtlos übermittelten
Kommunikationspakete zu empfangen. Das Netzwerkschnittstellenmodul 30 und
die Antenne 34 sind Teil der Kommunikationsverbindungen 22 in 1.
In einer Ausführungsform
verwendet die Netzwerkschnittstellenkarte 30 einen drahtlosen
Konfigurationsdienst über
drahtlose Verbindungen des IEEE 802.11e, um die Netzwerkkonfiguration,
einschließlich
Infrastrukturnetzwerken und Ad-Hoc-Netzwerken, zu vereinfachen.
Eine beispielhafte Netzwerkschnittstellenkarte ist eine Drahtlos-PCMCIA-Karte.
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Durch
die drahtlose Netzwerkschnittstellenkarte kann der Knoten 10 mit
verschiedenen drahtlosen Netzwerkarten kommunizieren. Zum Beispiel
umfasst in der in 2 dargestellten Umgebung der
Knoten 10 einen Teil eines WLANs 38 (zusammen
mit zusätzlichen
Knoten 10) und ist durch einen oder mehrere darin enthaltene
Radio Access Points (d. h. Access Points) 40 drahtlos mit
dem WLAN 38 verbunden. Der Knoten 10 kann sich
in ei nem Zustand befinden, in dem er nach Geräten sucht, die zu dem Netzwerk
gehören,
indem er periodisch aktiv scannt, indem er Testabfragen sendet und
nach Testantwortsignalen scannt, die von dem Access Point übertragen
werden. Alternativ kann der Knoten 10 passiv suchen, indem
er nach von dem Access Point 40 übermittelten Beacons sucht.
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Mit
weiterem Bezug auf 2 beinhaltet die Steuerung 16 eine
Network Driver Interface Specification(NDIS)-Schnittstelle 42,
die den Betrieb der Netzwerkschnittstellenkarte 30 steuert.
Gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung entspricht eine beispielhafte NDIS-Schnittstelle 42 dem
IEEE 802.11e-Protokoll und beinhaltet statistische Daten, die den
Netzwerktraffic betreffen, der über
das Übertragungsgerät 32 und
das Empfangsgerät 36 gesendet
und empfangen wird. Gemäß einer
Ausführungsform
beinhaltet die Steuerung 16 ebenfalls einen Netzwerkmonitor 44,
der mit der NDIS-Schnittstelle 42 gekoppelt ist, um einen
oder mehrere statistische Parameter zu empfangen. Die Steuerung 16 beinhaltet
ferner eine Statistikmaschine 46, die, wie nachstehend
ausführlicher
erklärt
wird, die statistischen Parameter empfängt und Operationen auf den
Parametern durchführt,
um Wahrscheinlichkeiten zu bestimmen, wie z. B. Kollisionswahrscheinlichkeiten.
Die Wahrscheinlichkeiten werden an eine adaptive Parametermaschine 48 übertragen,
die in der Steuerung 16 enthalten ist, um neue Parameter
für die
MAC-Schicht zu bestimmen, wie von der NDIS-Schnittstelle 42 erhalten,
um eine QoS-Differenzierung bereitzustellen.
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Mit
Bezug auf 3 in Kombination mit 2 stellt
ein Blockdiagramm einen computerimplementierten(es) Prozess/Verfahren 50 dar,
das auf die Bereitstellung der QoS-Differenzierung in WLANs gerichtet
ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Verfahren 50 auf
eine Anpassung von min destens einem Parameter der MAC-Schicht einer
802.11e-Implementierung eines WLANs gerichtet. Speziell das in 3 dargestellte
Verfahren 50 liefert Aktualisierungen an den Contention
Window(CW)-Parameter, der eine Größe des CWs gemäß der erforderlichen
QoS für
jeden Knoten/jedes Gerät ändert. Ein
adaptives Verfahren zum Bestimmen eines CWs ist wünschenswert,
da der Größenrahmen
des CWs die WLAN-Systemeffizienz als Funktion der Anzahl an über einen
Kanal versuchten Übertragungen
beeinflusst. Wenn ein Kanal überlastet
ist, was bedeutet, dass der Kanal mit Geräten beschäftigt ist, die Übertragungen
versuchen, resultiert ein kleiner feststehender CW-Wert in einem
für alle
Geräte
zu kleinen Zeitraum mit Gelegenheit zur Übertragung. Ein kleiner feststehender
CW führt
zu Kollisionen, welche die Effizienz des Spektrums verschwenden.
Ein Anstieg des CWs reduziert die Kollisionswahrscheinlichkeit.
Außerdem
sind die Zeitkosten für
das Warten viel geringer als die Kosten für Kollision plus Backoffzeitraum.
Allerdings ist, wenn ein WLAN-System nur einige wenige Geräte enthält, die
Kollisionswahrscheinlichkeit ziemlich gering. Dementsprechend bedingt
ein zu großer
CW-Wert, dass ein Gerät
unnötigerweise
wartet, um einen Frame zu übertragen.
Eine Abnahme des CWs fördert
die Datenübertragung
und erhöht
die Durchsatzleistung des Systems. Daher kann sich in Abhängigkeit
von der Anzahl an Geräten
zu einer gegebenen Zeit und dem Kollisionspotential der richtige
CW für
die effiziente Übertragung
im Laufe der Zeit ändern.
Daher wird eine adaptive CW-Berechnung bevorzugt.
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Während in
Bezug auf die Adaptierung einer CW-Größe in einer MAC-Schicht beschrieben
und dargestellt, ist ebenfalls vorgesehen, dass eher als das CW
andere oder zusätzliche
MAC-Parameter modifiziert werden
könnten.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Verfahren 50 über 802.11e
hinaus auf andere drahtlose Kommunikationsprotokolle angewendet
werden könnte,
z. B. aktualisierte 802.11-Protokolle (z. B. 802.11n).
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird eine adaptive CW-Berechnung auf einer Pro-Knoten-Ebene/drahtlosen
Gerätebene
als eine verteilte Art der Steuerung für ein WLAN implementiert, was
die QoS für
jeden Knoten in dem WLAN sicherstellt, wobei die QoS einen Durchsatzgrad
und eine Zeitverzögerung in
der Paketübertragung
definiert, die für
die drahtlose Übertragung
für diesen
Knoten erwünscht
ist. Die Steuerung 16 in jedem Knoten 10 ist konfiguriert,
um einen verteilten und adaptiven Algorithmus zum Adaptieren von
CW-Größen durchzuführen, die
unter dem System des 802.11e-Standards
für WLAN
funktionieren und lokale Berechnungen verwenden, um 802.11e-Betriebsparameter
dynamisch auszuwählen,
um die QoS-Anforderungen (d. h. Durchsatz und Verzögerung),
wie nachstehend ausführlich
dargestellt, zu erfüllen.
In dem verteilten Steuerungsschema wendet die Steuerung 16 in
jedem der Knoten 10 im WLAN 38 das Verfahren 50 an,
basierend auf ihrer individuellen Sicht der WLAN-Betriebsbedingungen.
Das heißt,
basierend auf lokalen Messungen, die an jedem Knoten erfasst werden,
und basierend auf den QoS-Anforderungen eines jeden Knotens bestimmt
jeder Knoten die angemessene Anpassung seiner CW-Größe, die
es erlaubt, die eigenen QoS-Anforderungen zu erfüllen.
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Mit
Bezug auf 3 basiert das Verfahren 50 bei
einem individuellen Knoten 10 auf einer Ausgangseinstellung/bestimmung
der QoS-Anforderungen für
diesen Knoten 52 (d. h. Durchsatz und Verzögerung).
Die QoS-Anforderung für
den Knoten ist eine Funktion der Knotenverwendung, und ein bestimmter
QoS-Schwellenwert wird festgesetzt, der dem Knoten erlaubt, gemäß der ihm
zugewiesenen Verwendung zu fungieren. Zum Beispiel kann in einer
Krankenhauseinstellung entsprechend den Patientenüberwachungsanforderungen ein
DASH-Gerät
(verwendet zum Sammeln von Patientenüberwachungsdaten, wie z. B.
ECG, Herzfrequenz und Blutdruck) eine andere QoS-Anforderung aufweisen
als ein CITRIX-Gerät
(verwendet zum Ansehen von Patientendaten aus der Ferne).
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In
dem Verfahren 50 wird ebenfalls ein lokales, analytisches
Modell des WLAN-Systems an dem Knoten 10 entwickelt 54,
welches das Verhalten der 802.11e-MAC-Schicht einfängt. Des
lokale, analytische Modell basiert auf den MAC-Schichtparametern
(Content Window, AIFS, Neuübertragungen)
und Traffic-Eigenschaften
(Paketerzeugungsraten und -größen). Diese
Parameter treten als ein System aus N-Gleichungen auf (für jeden
individuellen Knoten in dem WLAN, jeder Knoten weist seine eigenen
Parameterwerte auf), die gelöst werden
können,
um den Zustand des WLANs zu bestimmen (Kollisionswahrscheinlichkeit,
Contention Window-Backoff, Neuübertragungen,
erzielter Durchsatz, Verzögerung)
bei ausgeglichenen Bedingungen.
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Die
optimalen Werte für
jeden Parameter werden basierend auf den QoS-Anforderungen für jeden Knoten
bestimmt. Allerdings wird, wie vorstehend dargestellt, die Größe des Contention-Wertes
gesteuert, um die QoS-Anforderungen in der Erfindung zu erzielen,
während
alle anderen Parameter ihre Standardwerte beibehalten, die unterschiedlichen
Klassen im 802.11e zugewiesen wurden. Gemäß dem erzeugten analytischen Modell
54 wird
von den MAC-Parametern und den Traffic-Eigenschaften, die den Zustand
des WLANs definieren, ein System aus Gleichungen gebildet. In einer
Gleichung wird die Anzahl der erwarteten Backoffs in dem System
gegeben durch:
[Glg.
1], wobei K
i = Höchstzahl
von Versuchen, ein Paket zu senden, b
i =
Minimum-CW für
den i
ten Knoten, 2
rb
i = Maximum-CW, und r = Anzahl der Male,
die sich CWs in der Größe auf einen
Höchstwert
verdoppeln. Des Weiteren ist Pa
i = die Versuchswahrscheinlichkeit,
die die Wahrscheinlichkeit darstellt, die ein Knoten Daten in einem generischen
Slot übertragen
wird, und Pc
i = die Wahrscheinlichkeit,
dass die Übertragung
aufgrund von Kollisionen verzögert
wird. Zum Übertragen
eines Paketes wählt
der Knoten
10 willkürlich
eine Slotanzahl aus seiner aktuellen CW-Größe aus.
Wenn eine Kollision vorliegt oder ein Kanal beschäftigt ist,
wird die CW-Größe für den nächsten Versuch
verdoppelt. Bei der erwarteten Anzahl an Backoffs erkennen wir,
dass sich bei jeder Kollision die CW-Größe verdoppelt, bis sie den
maximalen CW-Wert erreicht. Anschließend bleibt die CW-Größe konstant,
während
die Neuübertragungen
oder Versuche weitergehen, bis die Höchstgrenze für Neuübertragungen
(K
i) erreicht ist.
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Gemäß dem analytischen
Modell ist die Wahrscheinlichkeit der Neuübertragung für ein Paket
einfach eine geometrische Verteilung der Kollisionswahrscheinlichkeit
Pc
i. Somit wird die erwartete Anzahl an Übertragungen
gegeben durch:
[Glg.
2].
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Die
Versuchswahrscheinlichkeit Pa
i, zum Übertragen
in einem generischen Slot ist das Verhältnis der erwarteten Neuübertragungen
und Backoff-Slots und wird gegeben durch:
[Glg.
3].
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Als
nächstes
ist die Kollisionswahrscheinlichkeit für einen Knoten die Rate, mit
der eine Paketübertragung
in einem generischen Slot mit einer anderen Paketübertragung
von einem anderen Knoten (d. h. es gibt mindestens einen anderen
Knoten, der versucht, zeitgleich ein Paket zu übertragen) kollidiert. Somit
ist die Kollisionswahrscheinlichkeit:
[Glg.
4].
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Aus
der Versuchs- und der Kollisionswahrscheinlichkeit können Durchsatzgleichungen
abgeleitet werden. Wenn ein neues Paket erzeugt wird, wird die Zeit
zwischen der Paketerzeugung und der erfolgreichen Übertragung
in dem 802.11e-Protokoll gegeben durch:
[Glg.
5], wobei L
i = durchschnittliche
Paketlänge,
B
i = konstanter Overhead in Slots für Paketübertragungen,
T
slot = konstante Slotzeit, R
i =
Datenrate, und AIFSN = die AIFS-Anzahl oder die Anzahl an Arbitration-Slotzeiten,
die der Slot vor dem Übertragungsversuch
wartet.
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Daher
kann der tatsächlich
erzielte Durchsatz errechnet werden durch:
[Glg.
6], wobei C eine Konstante ist, die nach einigen Anfangsmessungen
errechnet würde,
um jede beliebige Ungenauigkeit in dem analytischen Modell zu berücksichtigen,
das für
das System übernommen
würde.
Das heißt, die
TXOP-Grenze wird in den Durchsatzberechnungen nicht berücksichtigt
und daher wird eine Differenz in dem analytischen und tatsächlichen
Durchsatz bestehen, welche die Konstante C berücksichtigt.
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Die
Gleichungen 1–6,
wie vorstehend dargestellt, definieren somit ein analytisches Modell
des WLAN-Systems. Es ist vorgesehen, dass das analytische Modell
zum Einstellen einer Vielzahl von Betriebsparametern für einen
Knoten in einem WLAN erzeugt werden kann, wie vorstehend dargestellt,
und implementiert, um eine QoS-Anforderung zu erfüllen. Es
ist ferner vorgesehen, dass ein analytisches Modell des WLAN-Systems
erzeugt und dann gespeichert werden kann, für die Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt mit
Bezug auf das Einstellen einer Vielzahl von Betriebsparametern für einen
Knoten in einem WLAN oder zur Erzeugung einer Nachschlagetabelle
zur späteren
Verwendung. Das heißt,
beim Bestimmen/Einstellen von Betriebsparametern zum Erfüllen einer
QoS-Anforderung ist vorgesehen, dass ein Knoten auf einen gespeicherten
analytischen Modus des WLANs oder eine das analytische Modell darstellende
Nachschlagetabelle zugreifen kann (eher als ein neues Systemmodell
zu erzeugen), um die Berechnungen zu beschleunigen.
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Um
die Berechnung des analytischen Durchsatzes (gehört zu einer QoS-Anforderung)
zu erlauben, werden Werte von mindestens einem Teil der MAC-Schichtparameter
erhalten und in die Gleichungen eingebunden. Gemäß der Erfindung werden MAC-Parameterwerte
für jeden
der Knoten lediglich mithilfe lokal messbarer Werte geschätzt. Das
heißt,
für jeden
Knoten werden lokal erfasste Daten von dem Knoten verwendet, um
optimale Parameter in dem analytischen Modell zu bestimmen, die
den analytischen Durchsatz erfüllen.
In einer beispielhaften Ausführungsform
werden die MAC-Schichtrückmeldungen 56 und
Signalneuübertragungen 58 (d.
h. Paketneuübertragungsrate)
lokal am Knoten gemessen.
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Zum
Annähern
der Kollisionswahrscheinlichkeit
60 (siehe Glg. 4) wird
davon ausgegangen, dass die Pakete lediglich aufgrund von Kollisionen
verloren gehen. Daher kann die Kollisionsrate unter Berücksichtigung
der Paketneuübertragungsrate
58 in
dem Knoten geschätzt
werden. Unter Verwendung der gemessenen durchschnittlichen Anzahl
an Neuübertragungen,
R, für
einen Knoten und Anwenden der Messung auf das analytische Modell
58 kann
die Kollisionswahrscheinlichkeit durch Lösen der nachstehenden Gleichung
geschätzt
werden
60:
[Glg.
7].
-
Da
die Versuchswahrscheinlichkeit auf der CW-Größe 62 basiert (d.
h. die bekannte, bestehende CW-Größe) und direkt mit Kollisionen
verbunden ist, werden anschließend
die bekannte CW-Größe und der Wert
der Kollisionswahrscheinlichkeit, der in Glg. 7 geschätzt wurde,
verwendet, um die Versuchswahrscheinlichkeit 62 zu schätzen.
-
Für die Annäherung an
den erzielten Durchsatz
66 wird zuerst die Proportionalitätskonstante
C in der Durchsatzgleichung (Glg. 6) angenähert. C wird basierend auf
dem erzielten Durchsatz (geschätzt
mithilfe der gemessenen MAC-Schichtrückmeldungen
56) angenähert, wenn
das Netzwerk als stabil angenommen wird. Die Konstante C wird anschließend berechnet
als:
[Glg.
8].
-
Eine
Durchsatzdifferenz 68 kann somit zwischen dem erforderlichen
Durchsatz 52 (nötig,
um den/die QoS-Schwellenwert/Anforderung zu erfüllen) und dem angenäherten erzielten
Durchsatz 66 erhalten werden.
-
Die
Erfassung der lokalen Messungen und die Annäherung der MAC-Parameter basierend
auf diesen lokalen Messungen und dem analytischen Modell des WLANs
(wie in Glgs. 1 bis 8 dargestellt) führen zu einem Gleichungssystem,
welches das Verhältnis
zwischen CW-Werten, Kollisionswahrscheinlichkeit und Durchsatz darstellt
und gelöst
werden kann, um CW-Größen zu bestimmen,
welche die QoS-Anforderungen erfüllen.
Das System aus nichtlinearen Gleichungen für jeden Knoten
10 ist:
[Glg. 9].
-
Um
die CW-Werte für
jeden Knoten zu finden, welche die Durchsatzanforderungen erfüllen würden, wird
das Gleichungssystem gelöst.
Für N-Knoten
wird das Lösen
der 3 × N
Gleichungen die Werte der drei Unbekannten für jeden Knoten ergeben. Da
die nichtlinearen Gleichungen keine Lösungen von geschlossener Form
aufweisen, wird ein adaptiver Algorithmus in Form einer auf Gradientenabstieg
basierenden Optimierung 72 verwendet, um die nächstbeste
Schätzung
der unbekannten Variablen zu errechnen und den Schritt zu wiederholen,
bis sich die Werte einem optimierten Wert annähern. Eine globale Optimierung
erfordert eine zeitgleiche Lösung
(analytisch oder numerisch) der 3N-Gleichungen, wofür Parameter für jeden
Knoten erforderlich sind. Bei einer verteilten Lösung berechnet jeder Knoten
lediglich seine Teillösungen
basierend auf Teilgradienten seines spezifischen Gleichungssystems,
in Glg. 9 dargestellt, wie nachstehend ausführlich beschrieben.
-
Aus
Glg. 9 wird ersichtlich, dass der auf Gradientenabstieg basierende
adaptive Algorithmus versucht, die nächstbeste Schätzung der
CW-Werte zu ermitteln, welche die Grenzen der Durchsatzgleichungen
erfüllen werden.
Das heißt,
die nächstbeste
Schätzung
der CW-Werte, welche die Durchsatzanforderungen für QoS erfüllt, wird
bestimmt. Da der adaptive Algorithmus verteilt ist, werden die nächsten CWs
lediglich mithilfe lokaler Messungen und dem Lösen der Durchsatzgleichungen
auf verteilte Weise errechnet. Die verteilte Weise dieses adaptiven
Algorithmus bedeutet, dass jeder Knoten 10 des WLANs 38 die
Gleichungen ausrechnet und löst.
Somit werden in dem verteilten Algorithmus die die Durchsatzanforderungen
erfüllenden
CW-Werte durch eine verteilte numerische Lösung dieser Gleichungsmengen
(Glg. 9) ermittelt. In jedem Zeitraum wird ein einzelner Schritt
des Gradientenabstiegs durchgeführt,
um die nächstbeste
Schätzung
des CW-Wertes zu ermitteln. Dieser Wert wird für den nächsten Zeitraum verwendet werden,
nachdem die errechneten Statistiken in den nächsten Schritt des Gradientenabstiegs
eingegeben werden.
-
Es
wird erkannt, dass die Gleichungsmenge in Glg. 9 für jeden
einzelnen Knoten nicht ohne umfassendes Wissen gelöst werden
kann. Daher werden die Parameter anderer Knoten eliminiert, so dass
eine lokale Errechung der CW-Werte möglich ist. Dafür wird das
System der drei Gleichungen von Glg. 9 verkürzt. Zunächst wird der Wert von Pai aus Glg. 1 in F1 eingegeben,
um Pci aus der Gleichung zu eliminieren.
Da F1 eine Funktion von lediglich bi und Pai, ist, gilt
Folgendes: Fi(Pai, bi) ≡ TREQD – Tanalytical(Pai, bi) = 0 [Glg.
10].
-
Da
des Weiteren:
[Glg.
11] ist, kann die Funktion G umgeschrieben werden zu:
G(Pci‚ bi)
= Pci – Paiπi = 0 [Glg.
12]. -
Um π
i in
Glg. 12 zu eliminieren, werden die zu den anderen Knoten gehörenden Gleichungen
berücksichtigt.
Das heißt,
es wird angenommen, dass nur der Knoten i seinen CW (b
i) ändert, während der
Rest des Netzwerkes gleich bleibt und dass, wenn lediglich ein einzelner
Knoten den CW ändert
und die Änderung
gering ist, π
ii eine Quasi-Konstante ist (d. h. sie ändert sich
nur sehr geringfügig
im Vergleich zu den einzelnen Wahrscheinlichkeiten). Das kann folgendermaßen geschätzt werden:
[Glg.
13].
-
Als
nächstes
wird πi als Quasi-Konstante genommen (das in Wirklichkeit
eine Funktion der Versuchswahrscheinlichkeit anderer Knoten ist,
aber sich im Vergleich zu den individuellen Wahrscheinlichkeiten
sehr langsam ändert),
wenn die Anzahl der Knoten groß ist
und nur ein Knoten seinen CW-Wert um einen geringen Wert ändert. Das
liegt daran, dass sich gezeigt hat, dass bei einer großen Anzahl
an Knoten die Wahrscheinlichkeit, an einen willkürlichen Slot zu übertragen,
Pa proportional zu 1/(bi) ist. Das heißt, Pa nähert sich
einem Wert, der von den Versuchswahrscheinlichkeiten anderer Knoten
unabhängig
ist. Daher kann πi als Konstante angesehen werden, wenn die
CW-Werte der anderen Knoten gleich bleiben.
-
Anschließend kann
die nächstbeste
Schätzung
von b
i mithilfe der Newtonschen Restmethode
und dem Lösen
der folgenden linearen Gleichungen ermittelt werden:
[Glg.
14],
[Glg.
15].
-
Durch
Vereinfachen der vorstehenden Gleichungen wird die nächstbeste
Schätzung
für den
CW-Wert gegeben durch:
[Glg.
16].
-
Wie
deutlich wird, rechnet Glg. 16 die partiellen Differentiale der
zwei Funktionale mit Bezug auf die zwei Unbekannten aus. Das ist
im Wesentlichen die Newton-Rhapson-Methode oder der Gradientenabstieg-Schritt
zum numerischen Lösen
eines Gleichungssystems. Es wird angemerkt, dass bei diesem Schritt, der
an jedem Knoten durchgeführt
wird, lediglich die dem Knoten verfügbare Information verwendet
wird.
-
Um
so eine gewünschte
CW-Größe zu erhalten,
welche die erforderliche QoS für
den Knoten erzielt, werden die vorstehenden Verfahrensschritte wiederholt,
bis sich die Lösung
diesem Wert nähert.
Da es allerdings kein umfassendes Wissen des WLAN-Systems gibt (d.
h. erfasste Daten von anderen Knoten), kann der Abstieg nicht bis
zur Vollendung durchgeführt
werden, obwohl ein einzelner Schritt mit lokalem Wissen ausgeführt werden
kann. Somit werden nach jedem Schritt die tatsächlichen Netzwerkstatistiken
gemessen, die als Eingabe für
den nächsten
Schritt in dem Abstieg dienen. Das heißt, die unbekannten Elemente
in dem analytischen Modell (d. h. die Werte aus den Gleichungen,
die zu den anderen Knoten gehören)
werden aus den lokalen statistischen Messungen abgeleitet. Durch
die Verwendung des tatsächlichen
Netzwerkes erscheint der Durchsatz auf der rechten Seite der Glg.
14, wo anstelle der Verwendung des analytischen Modells zum Ausrechnen
des Restes auf der rechten Seite die geschätzten Werte aus Messungen verwendet
werden (d. h. MAC-Schichtrückmeldungen).
Das liefert eine tatsächliche
Rückmeldung
an das System. Die Gradienten auf der linken Seite von Glg. 14 werden
mithilfe des analytischen Modells ausgerechnet. Es wird erkannt,
dass die Annäherung
der Lösung
zum Bestimmen der Größe des CWs
nicht vollständig
sein muss. Das heißt,
eine Toleranz des adaptiven Algorithmus kann festgesetzt werden,
so dass zum Beispiel, sobald der erzielte Durchsatz (und seine entsprechende
CW-Größe) innerhalb
von 10% des erforderlichen Durchsatzes für den QoS-Schwellenwert erreicht,
der Vorgang des Gradientenabstiegs des adaptiven Algorithmus endet.
-
Um
die Annäherungszeit
von Glg. 16 zu verbessern, wird der Aktualisierungszeitraum für die CWs
verkürzt.
Zum Beispiel kann der Aktualisierungszeitraum auf einen Wert von
1 Hz festgesetzt werden. Der unmittelbare Effekt der Verkürzung des
Aktualisierungszeitintervalis ist der starke Anstieg in der Varianz
der gemessenen Statistik. Zur Stabilisierung der CW-Änderungen wird die Änderung
der CW-Größe auf die
Hälfte
der aktuellen Größe des CWs
begrenzt, d. h. (bi t (diff) ≤ 1/2 2bi t-1). Darüber hinaus
sind die gemessenen Differenzen in der Statistik, die in der Berechnung
der analytischen Gradienten verwendet werden, begrenzt, um große Varianzeffekte
auszuglei chen. Die vorstehenden Schritte führen zu einer schnellen Annäherung,
wobei sie den adaptiven Algorithmus für verschiedene Netzwerkbedingungen
vollends stabilisieren.
-
Nützlicherweise
optimiert der auf Gradientenabstieg basierende adaptive Algorithmus
den Gesamtdurchsatz des WLAN-Systems in Fällen mit hohem Traffic. Der
vorstehend dargestellte adaptive Algorithmus wird verwendet, um
die optimalen CW-Werte zu ermitteln, die den Netzwerkdurchsatz maximieren
würden.
Dafür wird
die WLAN-Netzwerkdurchsatzgrenze (Tlimit)
ermittelt, indem ein einzelner Knoten den Traffic in dem Netzwerk
erzeugt. Wenn es zwei oder mehr Knoten gibt, wird der erforderliche
Durchsatzwert für
jeden der Knoten als Tlimit/n festgesetzt.
Das bedeutet, dass der adaptive Algorithmus versuchen wird, die
Netzwerkdurchsatzgrenze bei jedem Knoten mit gleichem Anteil an
der Bandbreite in Übereinstimmung
zu bringen. Das analytische Gradientenschema schafft es somit, den
Gesamtdurchsatz des WLAN-Systems flach und nah an der Grenze zu
halten. Das ergibt sich aus der Tatsache, dass sich mit dem Anstieg
der CW-Größen die
Kollisionswahrscheinlichkeit, die Neuübertragungen und der Paketrückgang erheblich
verkleinern. Selbst bei einer großen Anzahl von Knoten verhält sich
das WLAN-Netzwerk ähnlich
einem Einzelknotenszenario (bei dem es keine Kollisionen gibt) und
somit wird ein fast optimaler Durchsatz für das System erzielt.
-
Die
vorstehend dargestellte „Skalierbarkeit” des Systems
erlaubt einem WLAN somit, eine große Anzahl an Knoten aufzuweisen,
da der Gesamtdurchsatz nahezu konstant bleibt. Im Zusammenhang mit
dem Hinzufügen
zusätzlicher
Knoten zu dem WLAN (d. h. Zugangskontrolle) vereinfacht das die
Analyse durch eine WLAN-Steuerung (z. B. Radio Access Point 40, 2),
ob der Zugang für
einen zusätzlichen
Knoten 10 erlaubt ist oder nicht, sehr. Das heißt, bei
der Zugangskontrolle betrachtet normalerweise der Access Point 40 die
aktuellen QoS-Zuweisungen und ermittelt die Restbandbreite, um neuen
Knoten 10 zu erlauben, in das System zu gelangen. Durch
den analytischen Gradientenalgorithmus würde, da der WLAN-Systemdurchsatz konstant
bleibt, die vor und nach dem Zulassen eines Knotens 10 errechnete
Restbandbreite gleich bleiben, was dem Access Point 40 die
Entscheidung, den Knoten zuzulassen oder nicht, leicht macht. Im
Gegensatz dazu ist es bei den statischen Parametern des 802.11e-Standardprotokolls
schwierig, abzuschätzen,
ob das Zulassen eines neuen Knotens die QoS-Zuweisungen verletzen
würde,
da der Gesamtdurchsatz des WLAN-System mit einer größeren Anzahl
von Knoten geringer wird. Da sich der Gesamtdurchsatz des WLAN-Systems
mit einem neuen Knoten verringern würde, wäre die frühere Berechnung der Restbandbreite ungültig.
-
Mit
Bezug auf 4 wird ein Flussdiagramm des
Vorgangs/Verfahrens 50 von 3 bereitgestellt, welches
das Verfahren 50 als Serie aus aufeinanderfolgenden Schritten
darstellt. Wie in 4 dargestellt, startet das Verfahren 76 mit
der Einstellung/Bestimmung der QoS-Anforderungen für einen
spezifizierten Knoten 78 (d. h. Durchsatz und Verzögerung).
Die QoS-Anforderung für
den Knoten ist eine Funktion der Knotenverwendung, und ein bestimmter
QoS-Schwellenwert wird festgesetzt, der es dem Knoten erlaubt, gemäß der ihm
zugewiesenen Verwendung zu fungieren. Bei der Einstellung/Bestimmung
der QoS-Anforderungen für
den Knoten wird ein analytisches Modell des WLAN-Systems entwickelt 80,
welches das Verhalten der 802.11e-MAC-Schicht einfängt, und
basiert auf den MAC-Schichtparamemtern und Traffic-Eigenschaften.
Diese Parameter treten als ein System aus N-Gleichungen auf, die
gelöst
werden können,
um den Zustand des WLANs mit ausgeglichenen Bedingungen zu bestimmen,
einschließlich
Werten für
die Kollisionswahrscheinlichkeit, CW-Backoffs, Neuübertragungen,
den erzielten Durchsatz und die Signalverzögerung. Es wird angemerkt,
dass lediglich eine dieser N-Gleichungen individuell realisiert
wird und an jedem Knoten verfügbar
ist, d. h. das gesamte Systemmodell aus N-Gleichungen tritt verteilt über alle
Knoten auf.
-
Die
Messungen des WLAN-Systems erfolgen lokal an jedem Knoten 82 und
werden als Eingaben für das
analytische Modell verwendet, das von dem Knoten aufrechterhalten
wird. In einer beispielhaften Ausführungsform werden die Anzahl
der MAC-Schichtrückmeldungen
und Neuübertragungen
gemessen und auf das analytische Modell angewendet 84,
wodurch die Implementierung des verteilten auf Gradientenabstieg
basierenden Algorithmus zugelassen wird. Sowohl die MAC-Schichtrückmeldungen
als auch die Neuübertragungen sind
lokal an jedem Knoten in dem 802.11e-System verfügbar.
-
Basierend
auf der Eingabe der lokal gemessenen Parameter in das analytische
Modell wendet der Knoten einen verteilten und adaptiven Algorithmus 86 zum
Adaptieren seiner CW-Größe und Erfüllen seiner QoS-Anforderungen
(d. h. Durchsatz und Verzögerung)
an. Der adaptive Algorithmus fungiert, um die CW-Größe mithilfe
eines analytischen Gradientenabstiegverfahrens dynamisch auszuwählen. Wie
in 4 dargestellt, wird eine Vielzahl an Messungen
und MAC-Parameteraktualisierungen während der auf Gradientenabstieg
basierenden Optimierung vorgenommen. Somit erfolgt bei Anwendung
des Gradientenabstiegalgorithmus eine Bestimmung einer erzielten
QoS (basierend auf Durchsatz und Verzögerung) 88 basierend
auf einer aktuellen CW-Größe. Eine
Bestimmung erfolgt 90, um festzustellen, ob die erzielte
QoS die festgesetzte/bestimmte QoS-Anforderung für den Knoten erfüllt. Noch
genauer erfolgt eine Bestimmung 90, um festzustellen, ob
der erzielte Durchsatz in einem gewünschten Prozentsatz des erforderlichen
Durchsatzes liegt, welcher nötig
ist, um den QoS-Schwellenwert zu erfüllen. Wenn der er zielte Durchsatz
nicht die QoS-Anforderung für
den Knoten 92 erfüllt,
dann wird die Größe des CW
modifiziert 94. Das Verfahren kehrt dann zurück zum Messen
der Anzahl an MAC-Schichtrückmeldungen
und Neuübertragungen 82 und
dem Anwenden dieser Messungen auf das analytische Modell 84,
um einen aktualisierten Durchsatz, Kollisionsraten und Backoff-Raten
zu bestimmen, und zum Bestimmen einer erzielten QoS 88 basierend
auf der modifizierten CW-Größe. Das heißt, es wird
eine Restmethode angewendet, bei der eine Reihe von CW-Größen bestimmt
wird und bei der basierend auf den Gradientenresten des analytischen
Modells eine nächste
CW-Größe errechnet
wird. Jede Reihe an durchgeführten
Bestimmungen/Anwendungen 82–90 definiert einen „Schritt” 96 in
dem auf Gradientenabstieg basierenden adaptiven Algorithmus. Eine
Reihe dieser Schritte 96 aus Messen/Filtern wird wiederholt
(zusammen mit Modifikationen der CW-Größe 94),
bis der erzielte Durchsatz die QoS-Anforderung für den Knoten erfüllt 98.
Die Schnelligkeit, mit der sich die CW-Größe einem
gewünschten
Wert annähert,
kann durch Einstellen einer Rate gesteuert werden, mit der jeder
der Schritte 96 durchgeführt wird. Daher könnte zum
Beispiel der Aktualisierungszeitraum auf einen Wert von 1 Hz festgesetzt
werden, wenn die Annäherung
innerhalb einer Minute auftreten soll. Beim Einstellen der CW-Größe zur Erfüllung der
QoS-Anforderung kann die Rate von Schritt 96 nominal auf
eine gewünschte
Rate festgesetzt werden.
-
Wenn
der erzielte Durchsatz nicht die QoS-Anforderung für den Knoten 98 erfüllt (d.
h. in einer bestimmten, vordefinierten Toleranz liegt), dann werden
keine weiteren Modifikationen des CWs zu dieser Zeit benötigt. Daher
erfolgt bei Erfüllung
der QoS eine Modifikation 100 der Rate, mit der die Schritte 96 durchgeführt werden.
Nach Anwendung der Modifikation 100 werden die Schritte 96 mit
einer zweiten periodischen Rate ausgeführt, die länger ist als die erste Rate
(z. B. 0,1 Hz).
-
Das
erlaubt dem durch Schritt 96 beschriebenen Algorithmus,
periodisch neuzustarten und die Parameter (z. B. CW-Größe) in Antwort
auf die Änderungen
in der WLAN-Aktivität
und Mitgliedschaft zu aktualisieren, was ein „Überwachen” der WLAN-Aktivität erlaubt.
Der Algorithmus von Schritt 96 könnte bei einer vorbestimmten
Zeit/Rate (d. h. vorbestimmte Modifikation 100 zu Schrittwiederholungsrate)
neugestartet werden. Alternativ könnte in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung die Modifikation 100 abhängig sein von der Erkennung
des Vorhandenseins anderer in der Nähe befindlicher Access Points
und/oder Radioknoten (durch NIC 30 und NDIS-Schnittstelle 42)
durch den Knoten 10. (Siehe 2) Diese
Erkennung könnte
mithilfe des bestehenden 802.11-Mechanismus zum Erfassen von Access
Points und durch Ansehen bestimmter MAC-Adressen in den an den Access
Point gesendeten Pakete erfolgen. Nach der Erkennung einer Änderung in
der Population der Knoten in Kommunikation mit einem Access Point
oder einem neuen Access Point würde der
Knoten entscheiden, dass sich die Umgebung aufgrund der Mobilität anderer
Knoten oder seiner eigenen Mobilität geändert hat, was die Modifikation/Aktualisierung 100 der
periodischen Messrate von Schritt 96 bewirkt.
-
In
einer Anwendung der Erfindung ist vorgesehen, dass die adaptive
CW-Berechnung auf einer vorstehend dargestellten Pro-Knoten-Ebene in Krankenhausnetzwerken
implementiert werden kann, welche die Patientenüberwachung über WLANs umfassen. Eine Anzahl
medizinischer Geräte
würde in
einer derartigen Einstellung die Erfüllung von QoS-Schwellenwerten
erfordern und hat die QoS-Metrik garantiert, da der drahtlose Traffic
dieser Geräte
kritische Patientendaten beinhaltet. Zum Beispiel würden, wie
vorstehend dargestellt, drahtlose Geräte, wie z. B. DASH, CITRIX
und Voice-over-IP-Geräte
derartige QoS-Anforderungen aufweisen. Da der Traffic aus äußerst kritischen
Pati entendaten besteht, müssen
die QoS-Metriken in dieser Umgebung garantiert sein.
-
Mit
Bezug auf 5 wird ein beispielhaftes DASH-Modul 102 gemäß einer
Ausführungsform
dargestellt. Das DASH-Modul 102 folgt dem allgemeinen Design
des Knotens 10, der mit Bezug auf 2 dargestellt und
beschrieben wurde, und somit wird verstanden, dass es die dazugehörenden Merkmale
beinhaltet, die dem Modul erlauben, mit einem WLAN-System zu kommunizieren
und sich damit zu verbinden, wie vorstehend ausführlich dargestellt. Das Modul 102 beinhaltet
ferner eine Benutzerschnittstelle 104, die dem Anwender
erlaubt, die aktuelle WLAN-Umgebung,
die QoS-Ebene, die durch das Modul erzielt wird, und den Annäherungszustand
des adaptiven Algorithmus (d. h. die Annäherung der CW-Größe) zu verstehen.
Das heißt,
die Benutzerschnittstelle 104 kann eine Diagramm/Wellenformanzeige 107 beinhalten,
die eine Kollisionsrate, den Durchsatz und die Datenverzögerung im
Hinblick auf die Schätzung
der Netzwerkumgebung, die von dem adaptiven Algorithmus bereitgestellt
wird, darstellt. Des Weiteren können
auch Signalstärkenmessungen
durch einen Indikator 106 angezeigt werden, um das Verständnis der
drahtlosen Umgebung zu vereinfachen.
-
Der
Vorgang des QoS-Algorithmus und wie dicht er an der Annäherung an
den erforderlichen Durchsatz und die Verzögerung ist, kann ebenfalls
auf der Benutzeroberfläche 104 durch
einen visuellen Indikator angezeigt werden, wie z. B. eine Anzahl
an Indikatorlichtern 108. In einer Ausführungsform wird ein roter,
ein gelber und ein grüner
Indikator 110, 112, 114 verwendet, um
den Leistungsgrad anzuzeigen. Der rote Indikator 110 wird
aktiviert, wenn eine Steuerung (nicht dargestellt) im Modul 102 bestimmt,
dass es nicht möglich
ist, den QoS unter der aktuellen Netzwerkbedingung bereitzustellen.
Der gelbe Indikator 112 wird aktiviert, wenn die Steuerung
bestimmt, dass der adaptive Algorithmus fortschreitet, so dass die
QoS möglich
ist, der Algorithmus aber noch nicht angenähert ist, so dass die QoS innerhalb
einer gewünschten
Toleranz liegt. Der grüne Indikator 114 wird
aktiviert, wenn die Steuerung bestimmt, dass sich der Algorithmus
angenähert
hat und die erforderliche QoS erzielt wurde. Trendidentifikatoren,
die in der Steuerung enthalten sind, würden eine solche Annäherung der
Daten mit Bezug auf den erzielten Durchsatz und die Verzögerung bereitstellen.
Während
vorstehend als visuelle Indikatoren enthaltend beschrieben, ist
ebenfalls vorgesehen, dass das DASH-Modul 102 einen hörbaren Indikator
beinhalten könnte,
der mit verschiedenen Tönen
arbeitet, wenn der erzielte Durchsatz die für das Modul definierte QoS-Anforderung
erfüllt
oder nicht erfüllt.
-
Ein
technischer Beitrag für
das offenbarte Verfahren und die Vorrichtung liegt darin, dass sie
für eine computerimplementierte
Technik sorgt, um drahtlose Kommunikationsprotokolle zum Erfüllen von
QoS-Anforderungen in einem WLAN dynamisch einzustellen. Das drahtlose
Kommunikationsprotokoll, das zur Erfüllung der QoS-Anforderungen
benötigt
wird, wird auf einer Pro-Knoten-Ebene als eine verteilte Form der
Steuerung für
das WLAN errechnet und eingestellt.
-
Daher
beinhaltet gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein drahtloses lokales Netz (WLAN) mindestens
einen Radio Access Point und eine Vielzahl von Knoten in drahtloser
Kommunikation mit dem mindestens einen Radio Access Point gemäß den Media
Access Control(MAC)-Parametern, wobei jede der Vielzahl von Knoten
einen Quality of Service(QoS)-Schwellenwert
für die
drahtlose Kommunikation mit dem mindestens einen Radio Access Point
aufweist, der eine Funktion der MAC-Parameter ist. Jeder der Vielzahl
von Knoten umfasst eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine
individualisierte Steuerung der den Knoten entsprechenden MAC-Parameter
bereitzustellen. Die Steuerung ist programmiert, um die aktuellen Einstellungen
für mindestens
einen Teil der MAC-Parameter für
den Knoten zu messen, die aktuellen Einstellungen für den mindestens
einen Teil der MAC-Parameter des Knotens in ein WLAN-Systemmodell einzugeben,
um eine Systemmodellausgabe zu erzeugen und eine Einstellung von
mindestens einem der MAC-Parameter für den Knoten anzupassen, um
den QoS-Schwellenwert für
den Knoten zu erfüllen,
basierend auf der Systemmodellausgabe.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Auswählen einer
Vielzahl von Betriebsparametern für einen Knoten in einem drahtlosen
lokalen Netz (WLAN) die folgenden Schritte: Ableiten eines lokalen,
analytischen Modells des WLANs basierend auf Media Access Control
(MAC)-Parametern und drahtlosen Signal-Traffic-Eigenschaften, Erfassen lokaler Messungen
eines Teils der MAC-Parameter
an dem Knoten und Bestimmen einer erzielten Quality of Service (QoS)
für den
Knoten durch Anwenden der erfassten lokalen Messungen des Teils
der MAC-Parameter auf das lokale, analytische Modell. Das Verfahren
beinhaltet ebenfalls die folgenden Schritte: Durchführen einer
adaptiven Optimierung des lokalen, analytischen Models und Modifizieren
von mindestens einem der MAC-Parameter des Knotens basierend auf
der adaptiven Optimierung, um einem QoS-Schwellenwert für den Knoten
zu entsprechen.
-
Gemäß einer
noch anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine Steuerung für einen drahtlosen lokalen
Netzwerk(WLAN)-Knoten programmiert, um eine Quality of Service(QoS)-Anforderung für eine drahtlose
Signalübertragung
von dem WLAN-Knoten einzustellen, wobei die drahtlose Signalübertragung
von einer Vielzahl von Media Access Control(MAC)-Parametern geregelt wird. Die Steuerung
wird ebenfalls pro grammiert, um ein Modell eines WLANs zu erzeugen,
das auf einer Vielzahl von MAC-Parametern und Signal-Traffic-Eigenschaften
der drahtlosen Signalübertragung
basiert, Messungen von MAC-Schichtrückmeldungen und Signalneuübertragungen
von dem WLAN-Knoten zu empfangen und die empfangenen MAC-Schichtrückmeldungen
und Signalneuübertragungen
von dem WLAN-Knoten in das erzeugte WLAN-Modell einzufügen. Die
Steuerung wird ferner programmiert, um eine adaptive Optimierung
des erzeugten Modells beim Einfügen
der empfangenen MAC-Schichtrückmeldungen
und Signalneuübertragungen durchzuführen, um
einen gewünschten
Wert für
den mindestens einen der Vielzahl von MAC-Parametern zu bestimmen,
der die QoS-Anforderung für
die drahtlose Signalübertragung
durch den WLAN-Knoten erfüllt
und den mindestens einen der Vielzahl von MAC-Parametern basierend
auf der adaptiven Optimierung in den gewünschten Wert modifiziert, um
die QoS-Anforderung für
die drahtlose Signalübertragung
durch den WLAN-Knoten zu erfüllen.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform
beschrieben und es wird erkannt, dass Äquivalente, Alternativen und
Modifikationen neben den ausdrücklich
genannten möglich sind
und im Anwendungsbereich der beiliegenden Ansprüche liegen.
-
Ein
System zum Einstellen von WLAN-Knotenbetriebsparametern umfasst
mindestens einen Access Point Radio 40 und eine Vielzahl
von Knoten 10 in drahtloser Kommunikation mit dem AP-Radio 40 gemäß den Media
Access Control(MAC)-Parametern. Jeder der Vielzahl von Knoten 10 weist
einen Quality of Service(QoS)-Schwellenwert für die drahtlose Kommunikation
mit dem AP-Radio 40 auf, das eine Funktion der MAC-Parameter
darstellt und eine Steuerung 16 beinhaltet, die konfiguriert
ist, um eine individualisierte Steuerung der MAC-Parameter bereitzustellen.
Die Steuerung 16 ist programmiert, um die aktuellen Ein stellungen für mindestens
einen Teil der MAC-Parameter für
den Knoten 10 zu messen, die aktuellen Einstellungen für diese
MAC-Parameter des Knotens 10 in ein WLAN-Systemmodell einzugeben,
um eine Systemmodellausgabe zu erzeugen, und eine Einstellung mindestens
eines der MAC-Parameter für
den Knoten 10 anzupassen, um den QoS-Schwellenwert für den Knoten 10 zu
erfüllen,
basierend auf der Systemmodellausgabe.
[Glg. 15].
