一種無線區域網上行帶寬動態分配方法

2023-06-20 02:53:21 3

專利名稱：一種無線區域網上行帶寬動態分配方法
技術領域：
本發明涉及無線區域網(WLAN，Wireless Local Access Network)技術領域，具體 涉及一種無線區域網上行帶寬動態分配方法。
背景技術：
WLAN的出現和迅速發展極大地豐富了接入技術，不過目前的WLAN大都僅提供"盡 力而為"(Best effort)服務，不能滿足服務質量(QoS， Quality ofservice)需求，特別是 不能滿足高品質語音、視頻等對時延敏感的多媒體業務的QoS需求。為此IEEE制定了新 協議IEEE 802. lle，定義了優先級從高到低的四種業務類型語音業務(voice)、視頻業務 (video)、視頻探測業務(videoprobe)和盡力而為業務(best effort);引入了混合協調機 制(Hybrid CoordinationFunction，簡寫為HCF)，以增強WLAN對各類業務的QoS支持，同 時提高整體網絡的容量和效率。具有IEEE802. lie QoS功能的站點和無線接入點分別被稱 為QSTA(QoS—capable Station)禾口 QAP (QoS Access Point)。其中，基石出(Infrastructure) 結構模式的WLAN由QAP、 QSTA和分布式系統(DS)構成。 一個QAP覆蓋的微蜂窩就是一個 基本服務集(BSS)。 QAP可看作無線集線器(Hub)，主要有兩個作用協調QSTA對無線介質 的訪問和將QSTA接入有線網。 HCF實際上是一種將原有IEEE 802. 11協議中關於信道接入的分布式協調功能 (DCF， Distributed Coordination Function)禾口點協調功會g (PCF， PointCoordination Function)進行改進和增強後混合而成的協調機制。改進後的DCF稱為增強型分布式協調 接入(EDCA，Enhanced Distributed Channel Access)，改進後的PCF稱為混合協調控制信 道接入(HCCA，HCF Controlled ChannelAccess) 。 EDCA採用載波監聽多路訪問/避免衝突 (CSMA/CA， Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance)來實現QSTA與 QAP之間的無線介質共享；而HCCA則是QAP通過輪詢的方式實現QSTA之間公平有序地訪 問信道，避免對無線介質的競爭。 HCCA是一種集中控制信道接入的功能，它通過QAP上的混合協調器(HC， Hybrid Coordinator)對每個QSTA各類業務的發送機會(TXOP， Transmission 0卯ortunity)進行 計算和設置，來實現執行分配TX0P的帶寬管理功能。從2006年IEEE 802. lie協議頒布以 來，對EDCA接入方式的研究和成果層出不窮，然而對於HCCA的研究卻相對平淡。其主要原 因是傳統的基於輪詢的信道接入方式PCF在WLAN中只是可選項， 一般WLAN設備製造商僅 在其設備中實現DCF接入方式；並且802. lle協議對HCCA接入機制並沒有規定控制接入的 算法細則，只是在概念上給與大致的定義和說明。國內外WLAN設備提供商普遍採用的信道 接入控制策略是EDCA，對各QSTA的上行發送帶寬則不進行控制。這種接入機制是從技術角 度出發來考慮，其目的是為了區分四類業務的QoS。但是從網絡運營的角度來看，EDCA控制 策略則沒有考慮到運營商需要保證各QSTA公平性的問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種無線區域網上行帶寬動態分配方法，該方 法符合IEEE802. le HCCA機制，通過使用協調控制的方式集中管理各QSTA對無線媒體介質 的訪問，不僅能夠為業務提供QoS保證，並且可以保證各QSTA的公平性。
為解決上述技術問題，本發明提供方案如下 —種無線區域網上行帶寬動態分配方法，應用在由QAP和多個QSTA組成的基礎結 構模式的無線區域網中，在當前超幀周期中，QAP按照以下步驟為各QSTA分配帶寬
初次分配步驟為所有QSTA分配用於發送語音業務的固定帶寬，所述固定帶寬保 證上一超幀周期內各QSTA緩存的語音業務數據能夠全部發送完畢；根據各QSTA的視頻探 測業務的帶寬申請值和該QSTA的視頻探測業務的保證帶寬中的較小者，確定各QSTA的視 頻探測業務的分配帶寬；為各QSTA的視頻業務分別分配初次分配帶寬，該初次分配帶寬為 該視頻業務的帶寬申請值和該視頻業務的保證帶寬中的較小者； 再次分配步驟將系統上行可用帶寬減去各QSTA的語音業務的固定帶寬、視頻探 測業務的分配帶寬和視頻業務的初次分配帶寬，得到第一剩餘帶寬；選擇出視頻業務的初 次分配帶寬不小於該視頻業務的帶寬申請值的QSTA作為第一組QSTA，並將第一組QSTA中 的各QSTA的視頻業務的初次分配帶寬作為該視頻業務的最終分配帶寬；選擇出視頻業務 的初次分配帶寬小於視頻業務的帶寬申請值的QSTA作為第二組QSTA，根據第二組QSTA中 各QSTA的權重與第一剩餘帶寬的乘積，計算並確定第二組QSTA中各QSTA的再次分配帶 寬，並將第二組QSTA中各QSTA的視頻業務的帶寬申請值和兩次分配帶寬中的較小者，作為 第二組QSTA中各QSTA視頻業務的最終分配帶寬，其中所述兩次分配帶寬是該QSTA的初次 分配帶寬與再次分配帶寬之和； 最後分配步驟將系統上行可用帶寬減去各QSTA的語音業務的固定帶寬、視頻探 測業務的分配帶寬和視頻業務的最終分配帶寬，得到第二剩餘帶寬；將所述第二剩餘帶寬 平均分配給申請了盡力而為業務的QSTA，作為各QSTA的盡力而為業務的帶寬。
優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，還包括所述QAP分 別向各QSTA下發輪詢幀，所述輪詢幀中攜帶有所述QAP為該QSTA的各業務所分配的帶寬。
優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，所述輪詢幀的MAC 幀頭的服務質量QoS控制域為8個字節，其中每2個字節對應於一種業務類型，並在該2個 字節中攜帶有該2個字節所對應的業務類型信息以及為該業務類型的業務所分配的帶寬。
優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，還包括各個QSTA 提取QAP下發的輪詢幀中所攜帶的各業務所分配的帶寬，並在各業務所分配的帶寬內將各 業務上行發送至QAP。 優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，還包括如果所有 QSTA在各自業務所分配的帶寬內將各自業務的數據發送完畢後本超幀周期還未結束，QAP 提前發送控制幀CF-End以提前結束本超幀周期。 優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，在每個超幀周期中， 各個QSTA在其所發送的視頻業務、視頻探測業務或盡力而為業務的最後一個數據幀中，將 自身緩存中該業務的剩餘數據量作為該業務在下一超幀周期的帶寬申請值，攜帶在該數據 幀的MAC幀頭的QoS控制域中發送給QAP。
優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，所述QSTA視頻探測 業務的保證帶寬和視頻業務的保證帶寬是該QSTA所籤訂的服務水平協議中所規定的。
優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，所述系統上行可用 帶寬等於WLAN系統帶寬與一比例係數的乘積，所述比例係數小於l。 優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，所述第二組QSTA中 各QSTA的權重等於該QSTA的保證帶寬與第二組QSTA中所有QSTA的保證帶寬之和的比值。
優選地，本發明所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法中，所述超幀周期為 10240微秒。 從以上所述可以看出，本發明提供的無線區域網上行帶寬動態分配方法，至少具 有以下的有益效果針對不同優先級的各業務，充分考慮各業務的時延、時延抖動及帶寬需 求，為優先級高的業務優先分配帶寬，並儘量滿足帶寬需求較大的視頻業務的帶寬需求，同 時還保證了各QSTA的盡力而為業務之間的公平性；本發明利用各業務數據幀的MAC幀頭 的QoS控制域，向QAP上報該業務的帶寬申請值，即不需要發送額外的系統幀上報帶寬申請 值，有利於節約系統帶寬；本發明通過將系統上行可用帶寬設置為WLAN系統總帶寬的一個 固定比例，大大簡化了帶寬分配計算；最後，本發明相對於PCF接入方式，能夠對高優先級 的語音業務提供更好的時延指標，並且能夠提高系統的總吞吐量和帶寬利用率。


圖1是Infrastructure型的WLAN的網絡構架示意圖； 圖2是本發明實施例所述上行接入控制的流程圖； 圖3為本發明實施例所述DBA方法的執行流程圖。 圖4是擴展後的帶寬授權幀QoS(+)CF-Poll的QoS控制域的示意圖。
具體實施例方式
本發明在符合IEEE 802. lie對HCCA機制規定的前提下，設計出一種動態帶寬分 配(DBA, Dynamic Bandwidth Allocation)方法，來實現QAP對各QSTA乃至各種業務的接 入控制。該DBA方法不僅能防止Infrastructure型WLAN系統各QSTA上行數據的衝突，還 可以按各用戶籤訂的上行帶寬協議(例如，服務水平協議(SLA， Service Level Agreement) 中規定的保證帶寬)來管理各QSTA的上行帶寬，為運營商提供一種靈活可靠的帶寬管理手 段。以下結合附圖通過具體實施例對本發明作進一步說明。 本發明實施例中，通過配置QAP上的HC，由HC根據本發明提供的DBA方法對QSTA 進行上行接入控制，從而規定在一個超幀周期內各QSTA四種業務數據分別獲得的上行發 送帶寬，如圖2所示，本發明實施例所述的上行接入控制的流程圖包括以下步驟
步驟21 ，上行方向，在HC的控制下，各QSTA將自身緩存中的各種業務數據發送至 QAP。其中，各QSTA的發送控制器根據自身上行授權寄存器中保存的每類業務上行帶寬授 權信息，連續發送多個數據(Data)幀，並在本QSTA所發送視頻、視頻探測和盡力而為業務 數據的最後一個數據幀時，在該數據幀的MAC幀頭的QoS控制域填入緩存中該業務剩餘的 數據量信息，作為該業務的下一超幀周期的帶寬申請值發送給HC，HC將各QSTA的各業務的 帶寬申請保存在帶寬申請記錄寄存器中。本發明實施例中，HC對所有QSTA的語音業務是採用分配固定帶寬的方法，所以不需要該業務上報帶寬需求。 步驟22，當所有QSTA根據帶寬授權完成上行數據發送後，HC通過廣播CF-End幀 結束本超幀周期，隨即進入了下一超幀周期。HC從帶寬申請記錄寄存器中獲取所有QSTA在 上一超幀周期所發送的各業務的帶寬申請值，並根據本實施例提供的上行帶寬動態分配方 法計算出本超幀周期每個QSTA的各類業務所獲得的帶寬(包括各業務的上行發送時間以 及各業務的帶寬大小)。帶寬分配算法的執行是由HC瞬時完成的，HC計算出各QSTA的各 種業務在本超幀周期的帶寬後，保存在QAP側的帶寬授權寄存器中。 步驟23，下行方向，HC通過向每個QSTA分別發送輪詢幀(QoS (+) CF-Poll幀)來 控制每個QSTA接入無線信道，其中，在QoS (+) CF-Poll幀的MAC幀頭中的QoS控制域填入帶 寬授權寄存器中保存的該QSTA的各種業務的帶寬，作為各業務的上行帶寬授權；各個QSTA 接收到輪詢幀後，提取其中攜帶的帶寬信息，保存在自身的上行授權寄存器中。
步驟24，各QSTA在當前超幀周期重複步驟21 ，以將自身緩存中的各類業務數據以 及緩存中的各業務的剩餘數據量信息發送給QAP。 通過以上步驟，本發明實施例實現了對QSTA的上行接入控制。
本發明實施例的DBA方法，區分了不同業務的QoS，保證時延敏感業務的時延要 求，保證有最小保證帶寬需求的業務的保證帶寬，保證各QSTA獲得的業務帶寬不超過該業 務的請求帶寬。以下詳細介紹本發明實施例的DBA方法。 本實施例所述DBA方法，首先滿足語音業務的時延和時延抖動要求，並且儘量給 予視頻業務足夠的帶寬。而對於視頻探測和盡力而為業務，本發明實施例所述DBA方法則 不提供QoS保證。語音業務需要固定分配帶寬並且需要控制信元傳輸時延，它對吞吐量、時 延及時延抖動都有嚴格的要求，因此必須分配足夠的固定帶寬。視頻業務的主要特性是變 化比特率，需要比較高的傳輸帶寬，當信元速率大於保證帶寬時，不僅需要為該QSTA分配 其與運營商籤訂的SLA中規定的保證帶寬，還需要為該QSTA分配一部分的非保證帶寬。然 而對每個QSTA而言，其視頻業務所獲得的保證帶寬和非保證帶寬之和應當不超過該業務 的帶寬申請值。視頻探測業務也屬於變化比特率的業務，對時延和吞吐量有一定要求，其唯 一特徵是只需要獲得保證帶寬。該類業務的保證帶寬在SLA中保證，並且只有在被QSTA請 求後才會被分配。盡力而為業務沒有QoS要求，僅僅需要分配盡力而為的帶寬，並沒有任何 帶寬保證。為了保證各QSTA之間的公平性，在分配完上述三種業務的帶寬之後，將系統的 剩餘帶寬平均分配給需要發送盡力而為業務的QSTA。 本發明實施例的DBA方法採用時分控制策略，因此，在Infrastructure型WLAN系 統中，首先需要確定DBA周期，也就是超幀周期的長度。根據運營商與各QSTA用戶之間籤 訂的SLA將每個超幀周期分段成若干時隙，並規定各QSTA只能在自己的授權時隙內發送數 據。每超幀周期內實際的數據發送時間可設置為超幀周期長度的70%，超幀周期的其餘時 間可足夠用於系統幀的發送和幀間隔的開銷，即系統實際帶寬為WLAN系統總帶寬的70X， 從而在帶寬分配計算中無需考慮系統幀和幀間隔的開銷，而是直接利用系統上行可用帶寬 (該帶寬為一固定數值)進行計算，可以大大簡化帶寬分配計算。若所有QSTA根據帶寬授 權將各業務的數據發送完畢後本超幀周期還未結束，QAP可以提前發送CF-End幀來提前結 束本超幀周期，避免了因系統的停滯導致帶寬的浪費。 本發明實施例DBA方法的實現需要設計WLAN的嵌入式軟體，包括QAP側和QSTA側
7的嵌入式軟體。WLAN的嵌入式軟提供上層網絡管理接口和硬體驅動接口 ，實現對WLAN系統 設備的配置、性能、帶寬的管理，並與WLAN硬體配合完成系統的交換和傳輸等各種業務功 能。QAP側嵌入式軟體需要完成帶寬的計算和分配功能，是實現算法的核心部分。與QAP側 執行算法相關的硬體寄存器有帶寬授權寄存器、帶寬申請寄存器、SLA寄存器和數據緩存器 等；QSTA側嵌入式軟體用於根據帶寬授權來驅動硬體完成各業務上行數據的發送，與QSTA 側執行算法相關的硬體寄存器有上行授權寄存器、數據緩存器等。 本發明實施例中，為實現DBA方法的時分控制策略，首先QAP需要通過網管界面獲 取各QSTA籤訂的上行帶寬協議，並保存在相應的SLA寄存器中。其次，QAP側的CPU從帶寬 申請記錄寄存器中獲取各QSTA業務的在前一超幀周期發送的帶寬申請值，通過本實施例 的DBA算法，計算出本超幀周期各QSTA各類業務的上行帶寬授權信息(TXOP)，然後將所有 QSTA的TXOP值保存在QAP側的帶寬授權寄存器中。接下來，在QAP側， 一方面由FPGA芯 片將各QSTA上行帶寬授權信息封裝成根據802. lie協議所擴展的MAC控制幀格式的帶寬 授權幀QoS (+) CF-Poll，輪詢各相應的QSTA， QSTA側接收上述TXOP並保存在相應的上行授 權寄存器中；另一方面，上行方向，在HC的控制下，各QSTA根據上行帶寬授權信息，將自身 緩存中的各類業務數據發送至QAP，其中，QSTA的發送控制器根據上行授權寄存器保存的 每類業務上行帶寬授權內容，連續發送多個數據幀。並且在發送視頻、視頻探測和盡力而為 業務數據的最後一個上行數據幀中，QSTA的FPGA晶片讀取這三類業務數據緩存寄存器的 值(即這三類業務緩存中的數據量)，並作為下一個超幀周期的帶寬申請值填入MAC幀頭的 QoS控制域，發送給HC。至於盡力而為業務，由於本實施例中QAP是將系統的剩餘帶寬平均 分配給所有需要發送盡力而為業務的QSTA， QAP根據QSTA的盡力而為業務的帶寬申請值， 判斷該QSTA是否存在盡力而為業務，進而決定是否為該QSTA分配系統的剩餘帶寬。
本發明實施例需要完成QSTA帶寬授權計算、帶寬授權信息傳遞、數據緩存、數據 發送的時分控制等子任務。本實施例以在1個QAP和若干個QSTA組成的Infrastructure 結構模式的WLAN系統為例，以下說明本發明實施例中的各子任務。 QSTA帶寬授權計算子任務該子任務是本實施例的核心部分，在QAP側CPU中，通 過執行DBA方法的系統軟體，並根據前一超幀周期所有QSTA業務的帶寬申請值和SLA中籤 訂的保證帶寬值，計算出各QSTA的上行帶寬授權。算法的執行分三個步驟初次分配步驟， 再次分配步驟和最後分配步驟，具體算法流程參照圖3。經過這三個步驟後，每個QSTA各類 業務數據在當前超幀周期所獲得的TXOP都可以計算出來。 第一步是初次帶寬分配完成所有QSTA的語音業務和視頻探測業務的帶寬分配， 並且分配完所有QSTA的視頻業務的保證帶寬。具體的，QAP分配給所有QSTA的語音業務 的帶寬都是固定值，大小為FixecLTxop。無論QSTA是否存在語音業務的數據，QAP在每個 超幀周期都會為所有QSTA固定分配這部分帶寬。該固定帶寬可以保證上一超幀周期內各 QSTA緩存內所有的語音業務數據可以全部發送給QAP ;QAP給每個QSTA的視頻探測業務分 配的帶寬等於該QSTA的視頻探測業務的保證帶寬和該QSTA視頻探測業務的帶寬申請值 中的較小值，也就是說視頻探測業務在每個超幀周期中最終獲得的帶寬不得超過其保證帶 寬；QAP為各QSTA的視頻業務分別分配初次分配帶寬，該初次分配帶寬為該業務的帶寬申 請值和該視頻業務的保證帶寬中的較小者，即QAP給視頻業務初次分配的帶寬和視頻探測 業務一樣，不得超過該業務的保證帶寬。
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第二步是再次帶寬分配將WLAN系統的系統上行可用帶寬減去各QSTA的語音業 務的固定帶寬、視頻探測業務的分配帶寬和視頻業務的初次分配帶寬，得到初次分配後的 系統剩餘帶寬Sys_TXOp_l。經過再次分配後可以完成所有QSTA的視頻業務的非保證帶 寬分配，QSTA的視頻業務分配到總的帶寬值是各自的初次分配帶寬和再次分配帶寬之和。 首先，QAP判斷各QSTA的視頻業務的帶寬申請值是否大於初次分配帶寬(保證帶寬)，若 是，則該QSTA將參與再次帶寬分配，否則不需要再次分配帶寬。按照上述判斷結果，對所有 QSTA進行選擇分組，其中一組QSTA需要參與再次帶寬分配，另一組QSTA不參與再次帶寬分 配。對於不參與再次帶寬分配的QSTA，該QSTA視頻業務的最終分配帶寬就是初次分配帶 寬。對於參與再次帶寬分配的QSTA，該QSTA能夠獲得的再次分配帶寬的大小與該QSTA視 頻業務的保證帶寬的大小成正比，即該QSTA再次分配帶寬的權重值正比於該QSTA視頻業 務的保證帶寬，以優先滿足保證帶寬要求高的QSTA，同時還需要保證該QSTA視頻業務所分 配到的總帶寬不能超過該視頻業務的帶寬申請值。按照參與再次分配的各QSTA的權重與 系統剩餘帶寬Sys_TXOp_l的乘積，計算得到各QSTA的再次分配帶寬(即非保證帶寬)，用 表達式表示為 Nonassured—Txop(k) = Sys—Txop—l*[Assured—Txop(k)/ I] Assured—Txop (k)]
其中，AssurecLTxop(k)是QSTA(k)的保證帶寬，E Assured_Txop (k)是參與再次 帶寬分配的所有QSTA的保證帶寬之和，[Assured_Txop(k)/ E Assured_Txop (k)]表示第 k個QSTA的權重值，即權重等於該QSTA的保證帶寬與所有參與再次分配的QSTA的保證帶 寬之和的比值。 分配完QSTA的非保證帶寬後，還需要檢驗經過兩次分配視頻業務所獲得總帶寬 是否超出該視頻業務的帶寬申請值，取兩次分配的總帶寬和帶寬申請值中的較小值，作為 參與再次帶寬分配的QSTA的視頻業務的最終分配帶寬。 第三步是最後帶寬分配經過再次帶寬分配後，WLAN系統的剩餘上行帶寬為Sys_ Txop_2。將系統上行可用帶寬減去各QSTA的語音業務的固定帶寬、視頻探測業務的分配 帶寬和視頻業務的最終分配帶寬，得到的剩餘帶寬即是Sys_TXOp_2。最後帶寬分配是為了 給最低優先級的盡力而為業務分配帶寬。在第二步的再次帶寬分配中，由於可能存在兩次 分配的總帶寬大於帶寬申請值的視頻業務，因此Sys_TXOp_2的值可能大於零，此時，需要 將Sys_TXOp_2平均分配給系統中申請了盡力而為業務帶寬的QSTA。這裡，可用根據QSTA 在上一超幀周期所發送的盡力而為業務的最後一個數據幀中攜帶的帶寬申請值，判斷QSTA 是否申請了盡力而為業務，例如，當該帶寬申請值大於零時即表明該QSTA有盡力而為業務 需要發送，即該QSTA申請了盡力而為業務。 這樣，通過以上步驟，實現了對系統中各QSTA的各類業務的帶寬分配。
帶寬授權信息傳遞子任務該任務將上行帶寬授權信息自QAP側傳遞到QSTA側。 在本實施例中，利用擴展的802. lie的輪詢幀QoS(+)CF-Po11作為帶寬授權幀，承載並傳遞 上行帶寬授權信息。本實施例對輪詢幀的QoS控制域進行了擴展，將其由2個字節擴展為 8個字節，其中每兩個字節攜帶有該QoS(+)CF-Po11幀所發送到的QSTA的其中一個業務所 分配的帶寬授權信息。圖4顯示了擴展後的輪詢幀QoS(+)CF-Po11的QoS控制域的格式， 一共8個字節，其中每兩個字節定義為一個QoS子控制域，用於描述一種類型業務的上行帶 寬授權信息。在每個QoS子控制域中，包括前4個比特的TID用於標識業務類型，我們只需用前兩個比特即可以區分出四類優先級不同的業務；第5個比特的E0SP是其它用途的標 志位；第6 7比特ACK Policy用於標識該輪詢幀發送至QSTA後，需要QSTA所做出的應 答方式；第8個比特Reserved是預留比特位；第9到16比特位為TXOP Limit,用於標識該 業務所獲得的上行發送時間，也就是該業務所分配的上行帶寬。 數據緩存子任務由於採用時分控制策略，各QSTA只能在自己的授權帶寬時隙內 發送數據。因此，上行方向WLAN系統需要在QSTA側緩存數據。四類優先級的業務數據緩 存在QSTA不同的緩存隊列中。同樣，WLAN系統也需要在QAP側緩存數據，並將所有接收到 的來自QSTA的數據傳輸至有線接入網。 數據發送的時分控制子任務該任務是WLAN系統上行可用帶寬控制策略的核心。 上行方向，各QSTA接收到帶寬授權幀QoS (+) CF-Poll後，提取其中各個業務的帶寬授權信 息，據此配置上行授權寄存器，並利用該上行授權寄存器控制上行發送起始時間點及發送 時長，並且QSTA在發送視頻、視頻探測及盡力而為這三類業務的最後一個上行數據幀中， 通過MAC幀頭的QoS控制域中填入緩存中該業務的剩餘數據量，作為下一個超幀周期帶寬 申請值發送給QAP側的HC。 本發明實施例的DBA方法，使得在有帶寬資源發生衝突的時候，能夠保證各QSTA 同種類型的業務之間的公平性。對於語音業務，系統分配足夠的固定帶寬，因此不存在資 源衝突，也不存在公平性的問題；對於視頻業務，在資源有衝突的時候，所獲得的保證部分 帶寬和非保證部分的帶寬應該分別與根據SLA所配置的保證帶寬成正比，所以對於不同的 QSTA，如果申請帶寬相同的情況下也可能獲得不同的帶寬授權；對於視頻探測業務，同視頻 業務一樣，在有資源衝突的時候，所獲得的帶寬應該與事先根據SLA配置好的保證門限的 大小成正比；而對於盡力而為業務，在有資源衝突的時候，不同QSTA的所獲得的帶寬應該 基本相等。 本發明的技術方案可以明顯提高系統的帶寬利用率。在本發明提出的DBA方法下 的帶寬利用率要顯著高於PCF接入機制下的帶寬利用率。提高帶寬利用率應該儘量減小物 理層開銷，例如在性能滿足要求的前提下，系統幀發送的頻率應該越低越好，兩次發送數據 的時間間隔可以適當拉長，也就是超幀周期可以適當變長。但是，若將時間間隔拉得太大， 算法就無法保證時延敏感的語音業務的QoS需求了 。因此，要在上行帶寬利用率和QoS之 間取一個平衡，在符合協議的前提下，本實施例中取超幀周期為10240微秒(us)，可很好地 滿足上述平衡性的需求。 本發明的技術方案，不僅能滿足WLAN性能的要求，而且軟體實現的算法複雜度不 高，硬體實現也相對簡單並且響應速度較快。軟體應該能夠在較短的時間內完成DBA的計 算，硬體根據軟體計算出的帶寬授權填充QoS域形成輪詢幀QoS (+) CF-Poll的下發，保證各 QSTA能夠及時正常地發送上行數據。 這裡，需要說明的是，本發明實施例中，輪詢幀QoS(+)CF-Po11並不附帶向QSTA發 送下行數據。HCCA機制主要是針對QSTA的上行接入控制，因此，本發明實施例所述DBA方 法中並不用對WLAN的下行的數據予以考慮。基於802. lie協議中HCCA機制，在競爭期和 非競爭期的時間長度總和(即超幀周期)不變的情況下，競爭期和非競爭期各自的時間長 度是可動態調整的。802. lle協議所規定競爭期的最小時間相對於超幀周期而言，可以忽略 不計。因此，不妨將整個超幀周期都看作非競爭期，QAP以HCCA機制控制各QSTA接入無線信道，從而可以忽略競爭期的EDCA機制下的數據傳輸，有利於本發明實施例所述DBA方法 的實現。為了方便本發明實施例所述DBA方法的實現，本發明所實施例中設置一個超幀周 期內系統幀和幀間隔的開銷佔系統總帶寬為固定比例，根據相關資料以及仿真經，本發明 實施例中選取該比例為30%，即實際的系統上行可用帶寬的比例係數為70%，即WLAN系統 帶寬(即總帶寬，按照目前IEEE802.1e標準為54Mbps)的70%。選取固定的比例係數，可 以避免由於系統幀和幀間隔的不確定的開銷而大大增加帶寬分配計算的複雜度。當然，該 比例係數也可以根據WLAN系統實際需求進行相應地調整。 利用仿真工具對本發明提出的DBA方法在不同負載條件下進行仿真。仿真網絡的 拓撲結構為一個QAP和多個QSTA組成的Infrastructure網絡。每個QSTA發送4種優先 級的數據流中的一種或多種，通過改變QSTA個數n和STA發送的數據類型來改變系統負載 的大小。通過對兩種接入方式(現有的PCF接入方式和採用本發明實施例DBA方法的HCCA 接入方式)下在不同負載時語音業務和盡力而為業務的平均時延、吞吐量以及系統總的帶 寬利用率進行仿真，比較仿真結果可以發現，採用本發明實施例所述DBA方法的HCCA接入 方式的QoS指標明顯優於PCF接入方式的QoS指標。 具體的，在負載逐漸增大的過程中，PCF接入方式下兩類業務(語音和盡力而為業 務)數據流的時延一直相差不大，而在本發明實施例的HCCA接入方式下兩類業務的平均時 延是隨著負載的增大而呈現高優先級的語音業務時延明顯小於低優先級的盡力而為業務 時延的特點。同時，本發明實施例的HCCA接入方式可以增大高優先級語音業務的吞吐量， 其代價是降低了低優先級盡力而為業務的吞吐量；本發明實施例的HCCA接入方式比PCF接 入方式大大提高了系統的總吞吐量，帶寬利用率也隨之增大。 從而可以看出，本發明實施例提出的基於IEEE802. lie HCCA機制的DBA方法，可 以很好地支持WLAN基礎網絡的QoS。對於優先等級越高的數據流，獲得帶寬的優先級也越 高，並且相對於低優先級數據可以保證獲得足夠的帶寬，滿足時延的要求。因為系統可用帶 寬是一定的，高優先級業務數據獲取帶寬的"優勢"是建立在"損害"低優先級業務數據帶寬 的基礎上的。相比較PCF接入和本發明實施例的HCCA接入，可以看出在低負載情況下，每 種業務帶寬和時延的性能基本一致；而在中高負載情況下，本發明HCCA接入中高優先級業 務平均時延明顯小於低優先級業務，而系統的吞吐量明顯大於PCF接入方式下的吞吐量。
綜上所述，本發明實施例所述的DBA方法，不僅有效地提高了 WLAN系統的鏈路帶 寬利用率，而且滿足了各類業務QoS和生存性要求，保證了網絡的靈活性和有效性，為設備 製造商提供了動態帶寬控制的WLAN設備軟硬體的實現方案，也為電信運營商提供真正安 全可靠的寬帶管理方法。 以上所述僅是本發明的實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為 本發明的保護範圍。
1權利要求
一種無線區域網上行帶寬動態分配方法，應用在由QAP和多個QSTA組成的基礎結構模式的無線區域網中，其特徵在於，在當前超幀周期中，QAP按照以下步驟為各QSTA分配帶寬初次分配步驟為所有QSTA分配用於發送語音業務的固定帶寬，所述固定帶寬保證上一超幀周期內各QSTA緩存的語音業務數據能夠全部發送完畢；根據各QSTA的視頻探測業務的帶寬申請值和該QSTA的視頻探測業務的保證帶寬中的較小者，確定各QSTA的視頻探測業務的分配帶寬；為各QSTA的視頻業務分別分配初次分配帶寬，該初次分配帶寬為該視頻業務的帶寬申請值和該視頻業務的保證帶寬中的較小者；再次分配步驟將系統上行可用帶寬減去各QSTA的語音業務的固定帶寬、視頻探測業務的分配帶寬和視頻業務的初次分配帶寬，得到第一剩餘帶寬；選擇出視頻業務的初次分配帶寬不小於該視頻業務的帶寬申請值的QSTA作為第一組QSTA，並將第一組QSTA中的各QSTA的視頻業務的初次分配帶寬作為該視頻業務的最終分配帶寬；選擇出視頻業務的初次分配帶寬小於視頻業務的帶寬申請值的QSTA作為第二組QSTA，根據第二組QSTA中各QSTA的權重與第一剩餘帶寬的乘積，計算並確定第二組QSTA中各QSTA的再次分配帶寬，並將第二組QSTA中各QSTA的視頻業務的帶寬申請值和兩次分配帶寬中的較小者，作為第二組QSTA中各QSTA視頻業務的最終分配帶寬，其中所述兩次分配帶寬是該QSTA的初次分配帶寬與再次分配帶寬之和；最後分配步驟將系統上行可用帶寬減去各QSTA的語音業務的固定帶寬、視頻探測業務的分配帶寬和視頻業務的最終分配帶寬，得到第二剩餘帶寬；將所述第二剩餘帶寬平均分配給申請了盡力而為業務的QSTA，作為各QSTA的盡力而為業務的帶寬。
2. 如權利要求l所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於，還包括所述 QAP分別向各QSTA下發輪詢幀，所述輪詢幀中攜帶有所述QAP為該QSTA的各業務所分配的 帶寬。
3. 如權利要求2所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於， 所述輪詢幀的MAC幀頭的服務質量QoS控制域為8個字節，其中每2個字節對應於一種業務類型，並在該2個字節中攜帶有該2個字節所對應的業務類型信息以及為該業務類 型的業務所分配的帶寬。
4. 如權利要求3所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於，還包括各個 QSTA提取QAP下發的輪詢幀中所攜帶的各業務所分配的帶寬，並在各業務所分配的帶寬內 將各業務上行發送至QAP。
5. 如權利要求4所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於，還包括如 果所有QSTA在各自業務所分配的帶寬內將各自業務的數據發送完畢後本超幀周期還未結 束，QAP提前發送控制幀CF-End以提前結束本超幀周期。
6. 如權利要求1所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於， 在每個超幀周期中，各個QSTA在其所發送的視頻業務、視頻探測業務或盡力而為業務的最後一個數據幀中，將自身緩存中該業務的剩餘數據量作為該業務在下一超幀周期的帶 寬申請值，攜帶在該數據幀的MAC幀頭的QoS控制域中發送給QAP。
7. 如權利要求1所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於，所述QSTA視 頻探測業務的保證帶寬和視頻業務的保證帶寬是該QSTA所籤訂的服務水平協議中所規定的。
8. 如權利要求1所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於，所述系統上 行可用帶寬等於WLAN系統帶寬與一比例係數的乘積，所述比例係數小於1。
9. 如權利要求1所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於，所述第二組 QSTA中各QSTA的權重等於該QSTA的保證帶寬與第二組QSTA中所有QSTA的保證帶寬之和 的比值。
10. 如權利要求1所述的無線區域網上行帶寬動態分配方法，其特徵在於，所述超幀周 期為10240微秒。
全文摘要
本發明提供了一種無線區域網上行帶寬動態分配方法，應用在由QAP和多個QSTA組成的基礎結構模式的無線區域網中。所述方法包括為所有QSTA分配用於發送語音業務的固定帶寬，為各QSTA的視頻探測業務分配該業務的帶寬申請值和保證帶寬中的較小者；通過初次分配和再次分配步驟確定各QSTA的視頻業務的最終分配帶寬；將系統上行可用帶寬的剩餘帶寬平均分配給申請了盡力而為業務的QSTA。按照本發明所述方法，不僅能夠為業務提供QoS保證，並且可以保證各QSTA的公平性。
文檔編號H04L12/56GK101741713SQ20081022657
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月14日 優先權日2008年11月14日
發明者張民, 張郭, 陳雪 申請人:北京郵電大學