专利名称：一种两级帧聚合方法
技术领域：
本发明属于无线局域网MAC层领域，特别涉及一种两级帧聚合方法。
背景技术：
随着无线通信业务量的高速增长，需要提高无线局域网的吞吐量以适应用户需求。IEEE 802. Iln标准通过采用多输入多输出(MMO)技术和正交频分复用(OFDM)技术极大地提高了无线局域网的物理层传输速率。随着物理层速率的提升，传统MAC层协议的低效性成为限制无线局域网吞吐量增长的主要因素。在传统的无线局域网MAC层协议中，每个数据包均需添加MAC层头部，且数据包均采用单独接入信道和单独确认的方式进行传输，带来了大量的空间和时间开销，造成MAC层效率低下。为了提升MAC层效率，IEEE 802. Iln标准提出了 MAC层帧聚合技术。MAC层帧聚合技术通过将多个数据包聚合为一个长数据帧，使多个数据包共享MAC层头部或物理层头部，降低了数据开销的比例。帧聚合技术令多个数据包同时接入信道并在接收端对多个数据包进行整体确认，减小了信道接入和数据确认过程带来的时间开销。与传统MAC层相比，采用帧聚合技术的MAC层更加高效，能够使网络吞吐量获得极大提闻。IEEE 802. Iln标准中规定，MAC层可实现MAC层业务数据单元聚合，MAC层协议数据单元聚合和两级帧聚合三种帧聚合机制。MAC 层业务数据单兀聚合(Aggregate-MAC Service Data Unit, A-MSDU)将多个MSDU聚合为A-MSDU帧。A-MSDU帧的子帧由子帧头部、MSDU和填充数据组成，其中子帧头部包括目的地址(DA)、源地址(SA)和MSDU长度(Length)三部分。通过为A-MSDU帧添加MAC层头部和帧检验序列(FCS)，可进一步形成MAC层协议数据单元(MPDU)。由于只存在一个FCS对聚合帧进行检测，因此只要A-MSDU帧中某一个子帧受到信道影响产生误码，接收端便会认为聚合帧出错，并且要求发送端对所有子帧进行重传。所以当信道误码率较高时，A-MSDU机制的吞吐量性能会急剧恶化。MAC 层协议数据单兀聚合(Aggregate-MAC Protocol Data Unit, A-MPDU)将多个MPDU聚合成为A-MPDU帧。A-MPDU帧的子帧由分隔符(Delimiter)，MPDU和填充数据组成。由于每个MPDU均包含MAC层头部和FCS，因此接收端可对A-MPDU的子帧进行分别检测，只要求发送端重新发送产生误码的子帧，所以A-MPDU的抗误码性能优于A-MSDU。与A-MSDU相比，A-MPDU需要为每个MSDU添加MAC层头部和FCS，当MSDU较小时，帧聚合带来的数据开销与MSDU携带的有效数据之比增大，导致A-MPDU效率下降。根据IEEE 802. Iln协议，A-MPDU最多可包含64个子帧，对于有大量短MSDU存在的场景，A-MPDU 一次发送的数据量有限，对网络吞吐量的提升较小，效率下降。两级帧聚合机制是对A-MSDU和A-MPDU机制的级联，如图I所示。在两极帧聚合中，首先将到达MAC层的MSDU聚合为较长A-MSDU帧，为A-MSDU帧添加MAC头部和FCS后形成MPDU，进而通过A-MPDU机制聚合MPDU形成物理层业务数据单元(PSDU)。通过使用两级帧聚合技术，无线站点可以一次发送更多的数据。与A-MSDU和A-MPDU相比，在存在大量短MSDU或者物理层速率较高的场景中，两级帧聚合可以使无线局域网获得更高的吞吐量。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足现有两级帧聚合方法的吞吐量性能易受信道误码率影响，无法使网络吞吐量到达最大值；且现有的两级帧聚合方法没有时延控制机制，当业务有时延要求时，不能保证业务的服务质量。
发明内容
本发明提供了一种两级帧聚合方法，本方法使两级帧聚合机制能够根据信道误码 率和业务时延要求自动调节A-MSDU帧长，解决了吞吐量性能下降和控制数据时延的问题，详见下文描述一种两级帧聚合方法，所述方法包括以下步骤(I)建立MAC层二维Markov链模型，获取网络空闲概率Pidle、网络中数据发送成功概率Ps和网络中发生数据碰撞概率P。，以及与上述网络状态对应的MAC层时隙的长度Tidle、Ts 和 Tc ；(2)获取使网络饱和吞吐量S达到最大值的A-MSDU帧长Lth ；(3)获取满足时延要求Dmax的A-MSDU帧长上限Llimit ；(4)选取所述A-MSDU帧长Lth和A-MSDU帧长上限Llimit中的较小者作为最终的A-MSDU 帧长 La_msdu ；(5)根据所述A-MSDU帧长LA__，确定A-MSDU巾贞，实现两级帧聚合。所述建立MAC层二维Markov链模型具体包括I)建立表示MAC层状态的二维Markov链；2)确定所述二维Markov链的单步状态转移概率；3)通过所述单步状态转移概率计算发送数据概率τ ；4)根据所述发送数据概率τ，获取所述网络空闲概率Pidle、所述网络中数据发送成功概率Ps和所述网络中发生数据碰撞概率P。；5)计算不同网络状态下所述MAC层时隙的长度Tidle、Ts和T。。所述获取使网络饱和吞吐量S达到最大值的A-MSDU帧长Lth具体为I)计算一个时隙内网络发送的有效数据量E[payload]；2)计算MAC层时隙的平均时长E[slot]；3)通过所述有效数据量E [payload]和所述平均时长E [slot]确定使所述网络饱和吞吐量S达到最大值的A-MSDU帧长Lth。所述获取满足时延要求Dmax的A-MSDU帧长上限Llimit具体为I)计算数据在经历k次重传后发送成功的概率qk ；2)确定业务的服务质量参数Q ；3)确定满足条件0的最小j值；
k=Q4)估计数据的最大j阶时延Djimax ；5)确定所述A-MSDU帧长上限Llimit。
本发明提供的技术方案的有益效果是本发明给出了误码信道下，数据的最大j阶时延Imax的计算方法；对于不同的业务时延要求Dmax和业务服务质量要求Q，两级帧聚合机制可以自动调节A-MSDU帧长，从而控制数据时延，保证数据时延在要求范围之内，保证了业务的服务质量；本发明适应多变的无线信道环境，使两级帧聚合机制能够根据信道误码率的变化调节A-MSDU帧长，保证了网络的吞吐量性能；通过数学建模的方法实现两级帧聚合中A-MSDU帧长的调节，结果实时准确。
图I为本发明提供的两级帧聚合的实现流程图和帧结构；图2为本发明提供的一种两级帧聚合方法的流程图；图3为本发明提供的获取使网络饱和吞吐量达到最大值的A-MSDU帧长的流程图； 图4为本发明提供的获取满足给定时延要求的A-MSDU帧长上限的流程图；图5为本发明提供的A-MSDU帧长随信道误码率变化的示意图；图6为本方法与固定帧长两级帧聚合、A-MPDU帧聚合的网络吞吐量性能比较示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。在无线局域网中，无线信道变化较快，网络吞吐量性能易受信道实时误码率影响，现有的固定帧长和固定子帧个数的帧聚合机制不能随信道变化作出调整，造成网络吞吐量性能的下降。对于有时延要求的实时性较强的业务，为保证服务质量，数据时延必须在要求范围之内，而当前的帧聚合技术并没有时延控制机制。针对上述问题，本发明实施例提出了一种两级帧聚合方法，综合考虑信道误码率和业务时延要求，动态调节A-MSDU帧长，保证数据时延在要求范围之内的同时提升网络的吞吐量性能，参见图I、图2、图3、图4、图5和图6，详见下文描述101 :建立MAC层二维Markov链模型，获取网络空闲概率Pidle、网络中数据发送成功概率Ps和网络中发生数据碰撞概率P。，以及与上述网络状态对应的MAC层时隙的长度Tidle、Ts 和 Tc；其中，MAC层二维Markov链模型，是对采用分布协调功能(DCF)竞争信道的MAC层的数学建模。分布协调功能要求站点发送数据前必须选取竞争窗口(CW)以实现竞争信道。竞争窗在选取后会不断减小，减小至O时，站点开始发送数据。竞争窗口大小由二进制指数退避算法决定，二进制指数退避算法包括站点的竞争窗口在
内随机选取，其中O彡i彡m ;Wi的初值Wtl置为CWmin ;数据每经历一次碰撞需要重传时，CW的取值范围扩大一倍，即Wi = 2% %增至最大值CWmax后不再增大，CWmax=2m' Cfffflin,m'为最大退避阶数；数据传输成功后，Wi重新置为CWmin ;超过IEEE 802. Iln标准规定的最大重传次数m后，数据被丢弃，Wi重新置为CWmin。其中，MAC层二维Markov链模型的具体建模流程如下
I)建立表示MAC层状态的二维Markov链；以{s(t)，b(t)}表示二维Markov链,其中s (t)表示站点在t时刻的重传次数的随机过程，b(t)表不t时刻竞争窗口大小的随机过程。二维Markov链的稳态分布如公式
(I)所示
权利要求
1.一种两级帧聚合方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 (1)建立MAC层二维Markov链模型，获取网络空闲概率Pidle、网络中数据发送成功概率Ps和网络中发生数据碰撞概率P。，以及与上述网络状态对应的MAC层时隙的长度Tidle、Ts和Te； (2)获取使网络饱和吞吐量S达到最大值的A-MSDU帧长Lth； (3)获取满足时延要求Dmax的A-MSDU帧长上限Llimit； (4)选取所述A-MSDU帧长Lth和A-MSDU帧长上限Llimit中的较小者作为最终的A-MSDU中贞长La_asdu ； (5)根据所述A-MSDU帧长La_msdu，确定A-MSDU帧，实现两级帧聚合。
2.根据权利要求I所述的一种两级帧聚合方法，其特征在于，所述建立MAC层二维Markov链模型具体包括 1)建立表示MAC层状态的二维Markov链； 2)确定所述二维Markov链的单步状态转移概率； 3)通过所述单步状态转移概率计算发送数据概率τ； 4)根据所述发送数据概率τ，获取所述网络空闲概率Pidle、所述网络中数据发送成功概率Ps和所述网络中发生数据碰撞概率P。; 5)计算不同网络状态下所述MAC层时隙的长度Tidle、Ts和T。。
3.根据权利要求2所述的一种两级帧聚合方法，其特征在于，所述获取使网络饱和吞吐量S达到最大值的A-MSDU帧长Lth具体为 O计算一个时隙内网络发送的有效数据量E [payload]； 2)计算MAC层时隙的平均时长E[slot]； 3)通过所述有效数据量E[payload]和所述平均时长E [slot]确定使所述网络饱和吞吐量S达到最大值的A-MSDU帧长Lth。
4.根据权利要求3所述的一种两级帧聚合方法，其特征在于，所述获取满足时延要求Dmax的A-MSDU帧长上限Llimit具体为 O计算数据在经历k次重传后发送成功的概率qk ； 2)确定业务的服务质量参数Q; 3)确定满足条件>0的最小j值；4)估计数据的最大j阶时延Dj^max； 5)确定所述A-MSDU帧长上限Llimit。
全文摘要
本发明公开了一种两级帧聚合方法，建立MAC层二维Markov链模型，获取网络空闲概率、网络中数据发送成功概率和发生数据碰撞概率，以及与网络状态对应的MAC层时隙的长度；获取使网络饱和吞吐量S达到最大值的A-MSDU帧长Lth；获取满足时延要求Dmax的A-MSDU帧长上限Llimit；选取A-MSDU帧长Lth和A-MSDU帧长上限Llimit中的较小者作为最终的A-MSDU帧长LA-MSDU；根据A-MSDU帧长LA-MSDU，确定A-MSDU帧，实现两级帧聚合。通过自动调节A-MSDU帧长，解决了吞吐量性能下降和控制数据时延的问题。
文档编号H04W28/06GK102724706SQ201210203119
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者杨晋生, 邵新明 申请人:天津大学