在TV白色空间中执行操作的QoS感知型多射频接入点的制作方法

在TV白色空间中执行操作的QoS感知型多射频接入点的制作方法
【专利摘要】公开了在TV白色空间中执行操作的QoS感知型多无线接入点。本发明涉及接入点操作，更具体地说，本发明涉及接入点在TV白色空间中的操作。所述AP被配置为以智能方式选择射频，判定频谱中的可用白色空间，以及将射频分配给频谱中的可用白色空间。所述方法判定需要由AP服务的客户端并将与AP关联的每个客户端指派给其中一个射频。此外，所述方法还考虑不同服务的QoS，因此处理每个服务以满足其QoS要求。所述方法通过说明频谱特定的特性，确保最大程度上利用可用的白色空间频谱。所述方法考虑到用于操作的频带跨频谱分布，因此根据整个频谱中的频带可用性分配客户端。
【专利说明】在TV白色空间中执行操作的QoS感知型多射频接入点
【技术领域】
[0001]本发明涉及接入点操作。更具体地说，本发明涉及TV白色空间中的接入点操作。【背景技术】
[0002]对宽带服务的需求正在爆炸式发展。在过去的数年里，各种通信设备连接到因特网来获取各种服务。进一步地，随着新服务通过无线通信提供，对服务频谱的需求也在增力口。这样，有人已经尝试利用许可频谱中的未使用部分。这种未使用频谱部分被称为TV白色空间。由于频谱的白色空间部分在美国位于50-698MHZ的频率范围内，在英国遍布于470-790MHZ范围内，因此，可以利用频谱将各种无线服务提供给用户。
[0003]现有的通信机制开发了各种采用白色空间频谱进行通信的服务。其中一种服务包括在白色空间频谱上执行操作的无线接入点。但是，现有接入点具有自身的限制。例如，这些接入点不具备智能地选择可用白色空间并将客户端分配给白色空间的机制。进一步地，接入点也无法说明频谱特定的特性。这是因为目前的分配机制假设频谱在本质上是同质的，因此将分配集中于频谱的一部分。这些假设仅在可用频谱的全范围并不那么多样化的情况下有效。但是在多数情况下，分配并不集中于频谱内的一个区域或频带，而是遍布可用频谱分散。进一步地，这些机制未考虑频谱的异质性以及频谱中的频带可用性。因此，在多数时间内，频谱中的所有可用频带并未得到利用，而且分配仅集中于频谱中被开发的部分。这样，忽略频率依赖性传播的白色空间选择未能利用低频频带提供的优点，从而导致低效的频谱分配。
[0004]另外，现有的接入点不具备高效的客户端位置识别机制，这样便无法适当地为客户端选择白色空间。例如，如果客户端距离接入点很近，则与距离接入点较远的客户端相t匕，每个带宽单位的数据传输速率可能较高。此外，需要考虑以下因素:例如客户端是否接近覆盖范围的边缘等。然而，在目前的接入点中，未考虑这些因素，因此无法高效地利用白色空间。
[0005]另外，现有的接入点假设无线系统拥有单速率，而当前的无线系统为多速率并支持自适应调制和编码机制。换言之，具有较佳信号强度的客户端获取较佳的数据速率，具有较差信号强度的客户端获取较差的数据速率。现有接入点假设客户端数据速率与信号强度无关并且如果客户端位于接入点的某一指定范围内，便可实现数据速率。
[0006]进一步地，现有接入点具有有限的射频并且事实是频谱具有各种必要的多射频以为多个客户端提供服务。已经做出某些努力来针对频道分配实施基于多射频的解决方案，但是，没有一种现有机制明确地针对基于多射频的体系结构执行频谱分配。此外，现有接入点中基于单射频的解决方案不能扩展为多射频解决方案。
[0007]另外，现有机制未考虑不同服务的QoS要求。这样，接入点无法服务根据用户的QoS要求为用户提供服务。
[0008]此外，有些现有解决方案针对企业无线LAN中的频谱规划提供。但是，这些解决方案采用中央控制器来了解企业设置中的接入点冲突图；它们还需要判定与每个接入点关联的客户端数量。如果出现不协调的部署，则此信息将不可用。由于上述缺陷，现有接入点不能高效地为客户端提供服务以及有效地利用带宽。

【发明内容】

[0009]根据上面所述，此处的实施例提供一种用于将电视白色空间频谱中的频带分配给客户端的接入点。所述接入点包括中间件服务质量处理模块，所述模块包括电视白色空间选择和客户端指派引擎。所述引擎被配置为判定可被选为执行操作的所述接入点的射频数量；选择对应于所述射频的可用电视空白频谱；以及通过确保针对所述射频具有加权比例公平数据速率分配，将所述客户端指派给所述射频。一种决策模块被配置为通过加权比例公平介质访问控制模块获取输入并且在必要时调用所述电视白色空间选择和客户端指派引擎以更改所述客户端指派。在所述接入点中，根据加权比例公平数据速率将所述客户端指派给所述射频，其中选择权重以反映所述客户端的所述服务质量要求。所述接入点进一步包括被配置为获取所述客户端的位置和信号强度的客户端度量和分配引擎。所述接入点进一步包括所述加权比例公平介质访问控制模块，其根据所述客户端对所述服务的所述服务质量要求提供所述客户端的权重。所述接入点进一步被配置为如果在将所述客户端移至第二频带时发生正向改变，则执行所述客户端的重新指派。在所述接入点中，根据包括客户端位置、不同频带上的信号强度和服务质量要求中的至少一者的因素指派所述权重。所述接入点根据不协调的部署和纯客户端策略选择所述白色空间和所述客户端。所述接入点进一步根据不协调的部署和混合客户端策略选择所述白色空间和所述客户端。
[0010]所述实施例进一步公开了一种用于将接入点的客户端分配给电视白色空间频谱的方法。所述方法包括所述接入点判定加入所述接入点的客户端的信号强度；所述接入点指示所述客户端加入所述电视白色空间中基于所述客户端的所述信号强度的可用最佳频带；所述接入点判定所述客户端的所述服务质量要求自上一分配以来的变化是否超过阈值；所述接入点在所述客户端的所述服务质量要求的变化超过阈值时执行新的客户端指派并且所述接入点广播所述分配细节。所述方法进一步根据周期、事件中的一者针对所述客户端执行信号强度度量。所述方法进一步包括跟踪客户端离开并在必要时重新分配所述客户端。
[0011]此处的实施例还公开了用于将客户端指派给电视白色空间频谱中的频带的方法。所述方法包括判定所述电视白色空间中对应于非零数据速率的频带；将所述客户端指派给所述频带；判定用于新客户端执行操作的最佳频带；检查在将所述新客户端移至所述最佳频带时是否存在正向改进；以及在存在正向改进时将所述新客户端移至所述最佳频带。所述方法检查是否存在所述正向改进，其中所述正向改进根据以下至少一者判定:由于将所述客户端移至另一频带发生的比例公平性度量的变化；所述频带中已有的所述客户端的度量的下降；以及由于从所述初始频带中删除所述客户端而导致的度量的提升。所述方法进一步根据所述频带的最佳总对数效用判定分配给所述客户端的所述最佳频带。
[0012]将结合下面的描述和附图考虑此处的实施例时，可以更好地领会和理解所述实施例的上述以及其它方面。
【专利附图】

【附图说明】[0013]通过下面参考附图的详细描述，可以更好地理解此处的实施例。其中:
[0014]图1示出根据此处的实施例为多个客户端提供服务的接入点的网络图；
[0015]图2示出根据此处的实施例的接入点的体系结构；
[0016]图3是示出根据此处的实施例的接入点作用过程的流程图；
[0017]图4是示出根据此处的实施例的算法的初始化的流程图；
[0018]图5是示出根据此处的实施例选择客户端的射频的过程的流程图；
[0019]图6是示出根据此处的实施例的客户端指派算法的流程图；
[0020]图7是示出根据此处的实施例的算法与公平性度量指标之间的比较的图形；以及
[0021]图8是示出根据此处的实施例的算法与速率比较之间的比较的图形。
【具体实施方式】
[0022]将参考附图所示并在下面的描述中详细说明的非限制性实施例更全面地说明此处的实施例及其各种特征和优点。省略了对公知的组件和处理技术的描述，以避免不必要地混淆此处的实施例。此处使用的实例仅为了便利理解此处的实施例的实现方式以及进一步使得本领域的技术人员实现此处的实施例。因此，这些实例不应被视为限制此处的实施例的范围，
[0023]此处的实施例公开了考虑不同服务的QoS要求并相应地将TV白色空间频谱分配给客户端的接入点的方法和体系结构。现在参考附图，更具体是指参考图1至图8，其中在所有附图和所示实施例中，类似的参考标号一致地指示对应的特征。
[0024]公开了无线接入点(AP)的操作的体系结构。所提出的体系结构采用AP操作的系统和方法。此方法进一步采用AP操作的算法。AP被配置为智能地选择用于其操作的射频，然后判定频谱中的可用TV白色空间并将射频分配给频谱中的可用TV白色空间。此方法然后判定需要由AP服务的客户端并将与AP关联的每个客户端指派给其中一个射频。此外，此方法还考虑不同服务的QoS，因此处理每个服务以满足其QoS要求。此方法通过说明频谱特定的特性，确保最大程度上利用可用的TV白色空间频谱。此方法考虑到用于操作的频带跨频谱分布，因此根据整个频谱中的频带可用性分配客户端。这样频率依赖性传播的形式确保了利用低频带提供的优点，从而导致有效地利用频谱。
[0025]图1示出根据此处的实施例为多个客户端提供服务的接入点的网络图。如图所示，AP的体系结构被设计为能够为多个客户端提供各种服务。APlOl是为其操作范围附近的客户端提供服务的无线AP。APlOl通过网络102连接到客户端103a、103b、103c和103d。在一个实施例中，该网络可以是无线网络、有线网络、局域网(LAN)等。APlOl由射频构成，这些射频允许检测客户端并通过网络102建立与客户端的连接。
[0026]首先，APlOl判定射频可用于为客户端提供服务。在该实例中，考虑存在三个可提供服务的射频。APlOl选择这三个射频。然后，它使用这三个射频判定TV白色空间频谱中可用于为客户端提供服务的频带。这些频带可分布于频谱的不同部分上。进一步地，选择可用频带。APlOl然后判定其附近可用的客户端103。例如，客户端103a、103b、103c和103d可以在其附近可用。APlOl判定客户端103的服务要求类型。根据服务要求，判定服务的QoS要求。根据QoS要求，为客户端指派频谱中的频带。在另一实施例中，AP可被配置为定期(时间间隔可预定)执行检查，以查看QoS要求是否偏离阈值，如果偏离，APlOl执行频谱中频带的重新指派。在一个实施例中，在两个条件下执行重新指派:此指派是否可正向改进客户端，以及其它现有客户端是否不受此指派的影响。因此，此方法确保为客户端103分配频谱中的频带来满足客户端的要求。
[0027]图2示出根据此处的实施例的接入点的体系结构。APlOl由多个模块构成，这些模块驻留在该接入点内，其中包括客户度量模块201、加权比例公平MAC模块202、中间件QoS模块203。中间件QoS模块203进一步由白色空间选择和客户端选择引擎204以及决策模块205构成。这些模块相互对接以支持APlOl的功能。
[0028]客户端度量模块201负责跟踪客户端103的活动。这些活动包括针对客户端103进行不同频带、信号强度、不同客户端服务的QoS要求等方面的度量。客户端度量模块201记录在不同频带中分配的客户端数量。当新客户端进入APlOl的服务区域时，客户端度量模块201记录客户端的信号强度并且还跟踪客户端的周期性信号强度。在客户端的信号强度或QoS发生变化时，客户端度量模块201将这一变化通知给中间件模块203。此外，客户端度量模块还记录客户端的位置以在适当的频带中分配客户端。
[0029]加权比例公平介质访问控制(MAC)模块202负责确保将频带分配给客户端时的比例公平性。为此，MAC模块202与客户端度量模块201进行交互以判定客户端103的信号强度和位置数据，然后完成分配。
[0030]中间件QoS模块203是APlOl的关键组件。中间件QoS模块203采用白色空间选择和客户端选择引擎204以及决策模块205以在不同的频带中执行客户端分配。电视白色空间选择和客户端选择引擎204智能地选择与APlOl的每个射频对应的电视白色空间，将不同的客户端103指派给射频，并且针对每个射频，确保MAC提供加权比例公平数据速率。在一个实施例中，为了实现公平分配，为服务指派权重以实现其QoS。进一步地，根据服务和服务的QoS要求，将权重分派给服务。在一个实例中，VOIP服务与音频服务相比可能具有较高的权重。根据服务的QoS优先级，完成分配。电视白色空间选择和客户端选择引擎204然后指示决策模块205执行TV白色空间选择和客户端指派。
[0031]决策模块205负责接受来自TV白色空间选择和客户端选择引擎204的输入并相应地执行决策。决策模块205判定何时调用白色空间选择并执行客户端指派。该模块还判定何时应该根据需要更改客户端分配。决策模块205确保客户端不必太频繁地更改其频带。如果需要通过修改频带来实现大量收益，则执行此修改。
[0032]在一个实施例中，中间件QoS模块203可以同时考虑服务的硬QoS要求和软QoS要求。在服务的软QoS实例中，所需的QoS依赖于针对其采用服务的应用类型并且并不绝对保证QoS。另一方面，在硬QoS实例中，每个服务的QoS的QoS要求或多或少固定并且不会随着应用而变化。
[0033]图3是示出根据此处的实施例的接入点作用过程的流程图。APlOl涉及判定附近的客户端并根据该客户端的QoS要求在频谱中分配用于客户端103的频带。当新客户端103进入APlOl附近范围时，APlOl检查客户端是否位于其服务范围内(301)。如果客户端103为新客户端，则APlOl记录信号强度度量并报告这些信号强度度量(302)。根据报告，APlOl判定哪个频带最适合于客户端103并指示客户端103加入最适合于其QoS要求的频带(304)。同时，APlOl还跟踪移出APlOl覆盖范围的任何客户端(303)。此外，APlOl定期记录客户端103的信号强度(305)以判定信号强度是否发生任何变化。在一个实施例中，信号强度还按事件进行度量，即，在客户端103触发事件等时进行度量。根据所有这些输出，APlOl检查自上一分配完成以来已分配的客户端103的QoS要求的变化是否超过阈值(306)ο在一个实施例中，该阈值可以预定。如果已定义的阈值中的QoS值发生变化,贝Ij检查是否需要为客户端103重新指派频带(307)。在需要重新指派的情况下，APlOl执行新的QoS感知型客户端指派(308)。在该新的指派中，根据客户端的不断变化的QoS要求，为客户端重新指派白色空间中的频带。进一步地，将新的分配机制广播到客户端103(309)。方法300中的各种动作可以按照所呈现的顺序执行，以不同的顺序执行或者同时执行。进一步地，在某些实施例中，图3列出的某些动作可以省略。
[0034]图4是示出根据此处的实施例的算法的初始化的流程图。所提出的算法使用TV白色空间选择和客户端指派的耦合问题的策略。客户端的策略空间是在特定白色空间上执行操作，直到进一步地执行频带与客户端的重新分配。此方法具有优势，因为在不频繁执行重新分配的情况下，此方法的开销很低。
[0035]该算法具有以下假设=APlOl假设具有K个射频进行操作。“M”TV中可用的白色空间和K个射频的所需频带为K个。进一步地，非常需要注意，频带宽度可以是6MHz或更多，但是不超过射频的最大操作带宽。客户端103然后被指派给K个频带之一，以便最大化适当的目标。进一步地，射频选择的每个频带可以由多个TV频道组成，前提是这些多个TV频道所跨越的频谱不大于射频的可调带宽。
[0036]然后定义算法的输入(401)。在此过程中，分配说明客户端103可从被定义为j的频带中获取的每Hz的数据传输速率(下文称为RPH)。进一步地，客户端i在频带j中的每Hz速率由Jlij表示。参数Jlij是频谱上的频谱效率和客户端103识别到频带空闲的占用时间的乘积。在Hij不同于上行和下行流量的情况下，我们可以采用对应于下行案例的niJ；因此下行流量占主要，或者我们可以采用加权平均值，其中下行RPH占更大权重。需要注意，对于各种频带(例如，其中使用无线麦克风的频带)可以为零。
[0037]在下一步骤，定义限制(402)。其中假设每个客户端103在至少一个频带中识别到非零RPH。存在两个限制:第一限制是每个客户端103不应被指派给某一频带，并且没有一个客户端103可以指派给一个以上的频带。第二限制是每个客户端103只有一个用于通信的射频。
[0038]然后定义目标函数(403)。目标函数的选择应该反映QoS以及有效的系统利用率。为此，采用加权比例公平性，这种公平性已经在EV-DO、GPRS和其它许多蜂窝系统中成功使用。在一个实施例中，在比例公平性中，系统尝试最大化Si Wi 1g(Ri),其中Ri是客户端I接收的平均速率，wi是反映QoS保证的客户端的权重。概括地讲,在比例公平性中，每个客户端获取的速率与“频道”及其权重成比例。
[0039]然后选择权重以确保相应地满足QoS要求(404)。所选择的权重基本判定QoS级另Ij，只有相对权重才有用。如果为两个客户端103a、103b指派权重I和2，则本质上表示如果所有因素(位置、信号强度、可用频带)相等，则根据加权比例公平性，客户端103b与另一客户端相比将获取双倍的数据速率。在一个实施例中，为了选择权重，执行以下操作:i)将QoS空间分为少量QoS级别，ii)设置QoS级别的优先级以便iii)以相对权重反映相对优先级的方式将较高的权重指派给高优先级QoS。进一步需要注意，如果权重相等，则我们仅保证3G/EV-D0中那样的比例公平数据速率。[0040]图5是示出根据此处的实施例选择客户端的射频的过程的流程图。在此处的一个实施例中，针对小K值提供算法，其中K是射频数量。该算法是客户端与频带数量的多项式，但是指数为K。随后，我看扩展该算法以开发K多项式的启发法，针对小K开发算法具有三个优点。首先，在许多实际案例中，我们假设典型的K值小于3或4。第二，假设一般问题与集合覆盖问题一样难，该集合覆盖问题位于更难的NP难题(就意义而言，不存在任何具有常数因子近似保证的已知算法)中；开发具有可证明的保证的算法仅可能在限制体系中实现。最后需要注意，此处的问题具有两个重要成分:选择K频带集，并以最优的方式将客户端指派给选定的频带。很明显，该算法的这两个成分相互依赖。所提出的用于小K值的算法处理以最优的方式将客户端指派给APlOl选择的给定频带集的问题。
[0041]首先，选择可用于传输的射频(501)。选择可用于在TV白色空间频谱中进行分配的频带数量(502)。选择可被所选的频带服务的客户端103并以最优的方式将客户端103指派给所选的K个频带(503)。进一步地，获取总对数效用(504)。此获取对数效用的过程可以针对在被尝试的K个频带当中的某一频带中获取非零数据速率的客户端103执行。在其中每个客户端103在某一频带中获取非零数据速率的K个频带的所有可能的选择(具有O(Mk)个选择)当中，选择具有最佳对数效用的带宽(505)。进一步地，选择具有最佳对数效用的频带(506)。执行多次迭代(507)，根据客户端103的度量指标将其指派给频带。因此，此方法确保针对客户端103实现最大比例公平性。
[0042]完成将客户端最优地指派给K个频带。考虑一种简单的客户端指派算法，该算法假设针对每个客户端，存在其中可以以非零数据速率传输给AP的频带。假设AP具有选定的F个频带，这些频带由集合F表示；集合F将表示被考虑的频带的指数(所有频带的集合可以为B1、B2…BM，在此，F是被考虑的频带数量)。假设客户端i (如果它是频带j中的唯一客户端)实现的数据速率为rijt)该算法依赖于下面的重要事实。如果N个客户端被指派给频带Bj，并且客户端的总权重为W，则根据比例公平性，客户端i应该获取的数据速率为rij/W。
[0043]图6是示出根据此处的实施例的客户端指派算法的流程图。在该算法的第一步，执行初始化。将每个客户端指派给其中客户端获取的每Hz的数据速率非零的频带(601)。在下一步，执行迭代以随机地获取其它客户端(602)。判定适合于所选客户端的最佳频带
(603)。进一步地，检查在将客户端移至为该客户端选定的最佳频带时是否存在正向改进
(604)。在一个实施例中，正向改进可以表示在加权比例公平性发生变化时，其它客户端的度量的下降等。如果在移动客户端时未出现正向改进，则可以将客户端保留在同一频带中
(605)。另一方面，如果在移动客户端时出现正向改进，则将客户端移至该频带(606)。进一步地,如果存在任何变化,则更新其它客户端的权重(607)并重复此过程。方法600中的各种动作可以按照所呈现的顺序执行，以不同的顺序执行或者同时执行。进一步地，在某些实施例中，图6列出的某些动作可以省略。
[0044]下面示出了该算法:
[0045]
【权利要求】
1.一种用于将电视白色空间频谱中的频带分配给客户端的接入点，所述接入点包括: 中间件服务质量处理模块，所述模块包括: 电视白色空间选择和客户端指派引擎，其中所述引擎被配置为 判定可被选为执行操作的所述接入点的射频数量； 选择对应于所述射频的可用电视空白频谱；以及 通过确保针对所述射频具有加权比例公平数据速率分配，将所述客户端指派给所述射频； 决策模块，其中所述模块被配置为 从加权比例公平介质访问控制模块获取输入；以及 在必要时调用所述电视白色空间选择和客户端指派引擎以更改所述客户端指派。
2.根据权利要求1的接入点，其中根据加权比例公平数据速率将所述客户端指派给所述射频，其中选择所述权重以反映所述客户端的所述服务质量要求。
3.根据权利要求1的接入点，其中所述接入点进一步包括被配置为获取所述客户端的位置和信号强度的客户端度量和分配引擎。
4.根据权利要求1的接入点，其中所述接入点进一步包括所述加权比例公平介质访问控制模块，其根据所述客户端对所述服务的所述服务质量要求提供所述客户端的权重。
5.根据权利要求1的 接入点，其中所述接入点进一步被配置为如果在将所述客户端移至第二频带时发生正向改变，则执行所述客户端的重新指派。
6.根据权利要求1的接入点，其中根据包括客户端位置、不同频带上的信号强度和服务质量要求中的至少一者的因素指派所述权重。
7.根据权利要求1的接入点，其中所述接入点根据不协调的部署和纯客户端策略选择所述白色空间和所述客户端。
8.根据权利要求1的接入点，其中所述接入点根据不协调的部署和混合客户端策略选择所述白色空间和所述客户端。
9.一种用于将接入点的客户端分配给电视白色空间频谱的方法，所述方法包括: 所述接入点判定加入所述接入点的客户端的信号强度； 所述接入点指示所述客户端基于所述客户端的所述信号强度加入所述电视白色空间频谱中的可用最佳频带； 所述接入点判定自上一分配以来所述客户端的所述服务质量要求的变化是否超过阈值； 如果所述客户端的所述服务质量要求的变化超过阈值，则所述接入点执行新的客户端指派；以及 所述接入点广播所述分配细节。
10.根据权利要求9的方法，其中所述方法进一步根据周期、事件中的一者针对所述客户端执行信号强度度量。
11.根据权利要求9的方法，其中所述方法进一步跟踪客户端离开并在必要时重新分配所述客户端。
12.一种用于将客户端指派给电视白色空间频谱中的频带的方法，所述方法包括: 判定所述电视白色空间频谱中对应于非零数据速率的频带；将所述客户端指派给所述频带； 判定用于新客户端执行操作的最佳频带； 检查在将所述新客户端移至所述最佳频带时是否存在正向改进；以及 如果存在正向改进，则将所述新客户端移至所述最佳频带。
13.根据权利要求12的方法，其中所述方法检查是否存在所述正向改进，其中所述正向改进根据以下至少一者判定: 由于将所述客户端移至另一频带发生的比例公平性度量的变化； 所述频带中已有的所述客户端的度量的下降；以及 由于从所述初始频带中删除所述客户端而导致的度量的提升。
14.根据权利要求12的方法，其中所述方法进一步根据所述频带的最佳总对数效用判定分配给所述客户端的所述最佳频带。
【文档编号】H04W72/04GK103621160SQ201180069943
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2011年4月8日 优先权日:2011年4月8日
【发明者】S·德博, P·古普塔, K·克恩, V·斯里尼瓦桑 申请人:阿尔卡特朗讯公司