无线网络媒体访问控制参数的动态调整的制作方法

本发明的某些实施例一般涉及在无线局域网(WLAN)中的通信，并且尤其涉及无线通信协议参数的动态调整以满足服务质量(QoS)。

用于无线LAN的电气电子工程师协会(IEEE)802.11标准是在许多工业、办公室、家庭和医疗环境下建立网络的普遍机制。802.11协议包括用于控制无线通信的媒体访问控制(MAC)层。基础802.11MAC层使用分布式协调功能(DCF)以在WLAN的多个节点之间共享无线媒介。DCF依靠载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)和可选的802.11请求发送/清除发送(RTS/CTS)，从而共享节点之间的媒介。传统的802.11的主要限制是其不支持不同类型的业务之间的服务质量的差异化。即，每类型的业务在网络中被平等公正地处理。该属性对于尽力而为的业务是足够的，但是对于诸如实时视频的延迟和吞吐量敏感的业务而言，需要具有高优先权业务的优化框架，从而获取共享无线媒介的更大共享。注意到，该带宽被降低，主要是因为退避和无冲突，其部分被CSMA和RTS/CTS阻止。

为了提供这种QoS的差异化，原始的802.11MAC定义被称为点协作功能(PCF)的另一个协作功能。当节点通过接入点(AP)连接到网络时，AP以规律的时间间隔(通常每0.1秒)发送“信标”帧。在这些信标帧之间，PCF定义两个周期：无竞争周期(CFP)和竞争周期(CP)。在CP中，使用DCF。在CFP中，AP向每个站发送无竞争轮询(CF-Poll)数据包，每次一个，以便给他们发送数据包的权利。AP为协调器。这种方法允许QoS的更好的管理。注意到，PCF是有限的支持，不能定义业务的类别，并且需要中央协调，其在高度动态环境中是不适合的。

由于传统802.11不具有对QoS充分支持，称为802.11e的新的标准提供了优先化的业务递送以区分不同临界水平的业务。新标准通过具有用于不同服务类别的单独的MAC参数来实现QoS。即，通过新的协作功能：混合协作功能(HCF)，802.11e增强了DCF和PCF。在HCF内，存在两种信道访问方法，与在传统802.11MAC中定义的那些方法类似：HCF控制信道访问(HCCA)和增强分布式信道访问(EDCA)。EDCA和HCCA定义了业务类别(TC)。例如，电子邮件被分配为低优先类别，和基于WLAN的语音(VOWLAN)被分配为高优先类别。

使用EDCA，802.11e通过具有用于不同业务类别的不同的MAC参数(TXOP、CW、AIFS、RL)实现QoS区分。发射机会(TXOP)为有界时间间隔，在此期间，站可以发射尽可能多的帧(只要发射的持续时间没有超过TXOP的最大持续时间)。如果帧太长而不能在单个TXOP中发射，则该帧就被划分为更小的帧。另外，EDCA包括访问类和用于访问每个信道的多个独立的退避(back-off)实体，其包括：用于每个类的竞争窗口大小(CWmin)、仲裁帧间空间(AIFS)、和帧重传限制(RL)。当对于高优先级业务类别和低优先级业务类别使用不同MAC参数，具更高优先级的业务相较于具有更低优先级的业务可以被给更多的发射机会。

HCCA混合协调器功能(HCF)控制信道访问类似于在传统802.11的PCF。然而，与PCF(其中两个信标帧之间的间隔被划分为CFP和CP两个周期)相反，HCCA允许CFP在CP(称为802.11e中的控制访问阶段(CAP))中的几乎任何时刻发起，允许对不同业务类别进行更多的控制。当其想要发送帧到站或从站接收帧时，通过混合协调器(HC)以无竞争方式发起CAP，该协调器可以是AP。HCCA还定义除了业务类(TC)之外的新的业务流(TS，traffic stream)，其使得在每个节点处控制用于业务会话的QoS并且影响公布数据包队列成为可能。这意味着HC并不限制于每个站排队，并能提供一种按照会话的服务。HC能够以任何方式协调这些流或会话，其通过给出关于用于每个TC的队列长度的信息来进行选择。HC使用这些信息将优先级给到另一个之上的一个节点，或者更好地调整其调度机制。另外，节点被给出TXOP：他们在由HC选择的给定时间周期内连续发送多个数据包。使用HCCA，使能QoS节点还具有请求专用传送参数(数据速率、抖动等)的能力，这将允许诸如VoIP和视频流的应用更有效地工作在Wi-Fi网络上。

尽管802.11e可以区分服务类别，在标准操作条件下，802.11e参数本质上是静态的，意味着在所有的网络条件下，这不是最理想的。当WLAN中的网络条件改变时，802.11e参数不适应于这些改变的条件。而且，用于不同的业务类的缺省参数意味着特别支持尽力而为、视频和仅语音业务。这使得802.11e的缺省参数不适合一些应用。例如，由于其参数的静态性质，802.11e的缺省参数不适于满足在医院环境下的病人监控中使用的医疗设备的QoS需求，其中要求了信号吞吐量和信号延迟的阈值水平。

因此，将会期望设计一种允许满足QoS需求的MAC参数的动态调整的装置和方法。也将会期望允许使用仅在公布节点中获取的本地知识以分布方式自动地设置MAC参数和基于公布节点的QoS需求的MAC参数的系统和方法。

技术实现要素：

根据一些实施例，可以测量当通过无线网络交换数据包时发生与冲突相关联的信息。随后，自动地和动态地调整至少一个媒体服务控制参数，以便以相对低的延迟实现吞吐量需求，同时降低无线网络中的冲突。

其他实施例与存储执行本文所述的任何方法的指令的系统和/或计算机可读媒介相关联。

附图说明

图1为根据一些实施例的无线局域网(WLAN)节点的方框示意图。

图2为根据一些实施例的连接到WLAN的节点的方框示意图。

图3图示根据一些实施例的WLAN节点的组件。

图4为图示网络吞吐量与退避时间之间关系的图表。

图5为图示网络吞吐量与退避时间之间的实际关系的图表。

图6为图示根据一些实施例的冲突调整吞吐量的图表。

图7为图示根据一些实施例的与无线网络相关联的方法的流程图。

详细说明

参考图1，示出了本发明在其上可实现的合适节点100的示例。节点100为仅合适的计算环境的一个示例，并且不意图提出关于本发明的使用或功能性的范围的任何限制。节点100不应解释为具有与示例节点100中图示的任何一个组件或组件的组合有关的依赖性或需求。

诸如图1所示的节点100的计算设备可与以无线移动设备形式的用户站或节点相关联。如下文中更详细地解释，节点100被建立用于到无线局域网(WLAN)的访问。在其最基本的配置中，节点100包括至少处理单元112和存储器114。取决于计算设备的精确配置和类型，存储器114为易失性(例如，RAM)、非易失性(例如，ROM、闪速存储器等)或这两种的某个组合。处理单元112和存储器114包括在控制器110中或形成其的一部分。

节点100还具有附加特征/功能性。例如，节点100还包括附加存储装置(可移除和/或不可移除)，包括，但不限制于磁或光盘或磁带。这种附加存储装置通过可移除附加存储装置120和不可移除附加存储装置130示出在图1中。计算机存储媒体包括以任何方法或技术执行的用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息存储的易失性和非易失性、可移除和不可移除媒体。节点100还包括允许节点与其他设备通信的一个或多个通信连接160。通信连接160提供经由诸如声波、RF、红外线和其他无线媒体与WLAN的通信。如上所述，如本文所用的术语计算机可读媒体包括存储媒体和通信媒体两者。

节点100还具有一个或多个输入设备150，例如键盘、计算机鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等。输入设备150还包括模拟或数字信号输入。还包括诸如显示器、扬声器、打印机等的一个或多个输出设备140。节点100还提供有便携功率源170，例如电池组等。功率源170为通过节点100的计算和无线数据传输提供功率。

现参考图2，在系统200中的每个节点220进一步包括用于与不同类型的无线网络进行无线通信的网络接口卡(NIC)230。NIC 230包括发射器232，其与天线236耦合用于通过合适的频率信道无线发射数据。接收器234还与天线236耦合用于接收从网络无线发射的通信数据包。网络接口模块230和天线236为图1的通信连接160的一部分。在一个实施例中，NIC 230通过IEEE 802.11e无线连接使用无线配置服务以减轻网络配置，其包括基础设施网络和特别(ad hoc)网络。示范性网络接口卡为用于通用系统的PCMCIA或PCI无线卡或用于嵌入系统的SDIO卡。

通过无线NIC 230，每个节点220与不同类型的无线网络通信。例如，在图2的图示环境中，每个节点100包括WLAN的部分(连同其他节点220)，并且通过一个或多个无线接入点无线电(即接入点)210无线连接到WLAN。节点100处于通过发送探测请求来周期性地主动扫描和扫描由接入点发射的探测响应信号来搜索属于网络中的设备的状态。备选地，节点100通过扫描由接入点210发射的信标来被动地搜索。

根据一些实施例，计算机实现过程/技术可以提供在WLAN中的QoS区别。在示范性实施例中，技术是针对在WLAN的802.11e实现的MAC层的至少一个参数的适应。例如，技术可以提供对根据为每个节点/设备请求的QoS改变竞争窗口(CW)的大小的CW参数的更新。用于确定CW的适应方法是期望的，因为在CW上的大小的限制影响作为通过信道的尝试传输的数量的函数的WLAN系统效率。如果信道是拥挤的，意味着信道忙于设备尝试传输，则小的固定CW值导致所有设备发射的机会的太小的周期。小的固定CW导致浪费频谱效率的冲突。CW的增加将降低冲突的概率。同样地，等待的时间成本要远小于冲突加上退避周期的成本。然而，当WLAN系统包含仅少许设备时，冲突概率就非常低。相应地，太大的CW值要求设备进行不必要的等待来发射帧。CW的降低将加快数据传输，并且增加系统吞吐量。因此，取决于潜在冲突和在任意给定时间的设备的数量，用于有效传输的适当的CW可以随时间改变。因此，优选自适应的CW计算。

当相对于MAC层的CW大小的适应而描述和示出时，也可以设想其他或附加的MAC参数可以进行调整，而不是CW。另外，进一步设想，实施例可应用到在802.11e例如更新的802.11协议(例如，802.11n)以外的其他无线通信协议。

根据本发明的实施例，如WLAN的分布式类型控制地那样实现每个节点/无线设备水平上的自适应的CW计算，从而确保在WLAN中的每个节点的QoS，该QoS定义了对于那个节点无线传输期望的所预期的数据包传输的吞吐量水平和时间延迟。在每个节点100的控制器中可以配置成执行用于适应CW大小的分布式和自适应算法，该CW大小工作在用于WLAN的802.11e标准的框架下，并且使用本地计算以动态选择802.11e操作参数以满足QoS需求(即吞吐量和延迟)，如在下文中所述。在分布式控制方案中，在WLAN的每个节点中的控制器单独地基于WLAN操作条件的个别观点应用技术。即，基于在每个节点获取的本地测量和基于每个节点的QoS需求，每个节点确定其CW大小的合适适应，该CW大小允许其满足自身的QoS需求。

图3图示根据一些实施例的包括WLAN节点的组件的系统300。注意到冲突概率可以由服务质量模块310(例如，包括冲突测量和自动调整模块)从平均数据包重传速率中导出，并且平均数据包重传速率可以基于由如图3所示的源节点NIC(在调用返回消息中)报告的重试每个数据包的次数获得。根据一些实施例，IP栈发送数据包到驱动器320，其随后转发该数据包到源节点的NIC 330。源节点的NIC 330经由天线336无线地发射该数据包到远程节点的NIC 340。在成功接收到该数据包时，远程节点的NIC 340通过发送消息(ACK)返回到源NIC 330来确认该数据包的接收。如果由该源NIC 330没有接收到该确认，则假定该数据包丢失，并且重试传输。源NIC 330在放弃之前将重传预配置的次数。当源NIC 330成功或者放弃发送该数据包时，其发送带有结果的调用350返回到驱动器320，以及在由远程节点的NIC 340成功接收之前，该数据包需要由源节点的NIC 330重传的次数。根据一些实施例，系统300进一步测量在给定的时间周期中有多少数据包被确认，以及那些数据包的大小，以计算吞吐量。类似地，系统300测量将被发射数据包和将被接收的相关联确认之间的时间以计算延迟。例如，随后结合简单的梯度下降算法使用这些数值。

通过示例，图4为图示网络吞吐量和退避时间之间的关系的图表400。本文所述网络上下文中，一些实施例可以提供通过使得退避时间为竞争窗口(CW)的最小值和最大值以及仲裁帧间间隔(MFS)时间的函数并且通过使用诸如梯度下降算法的搜索技术来调整发射之间的退避时间来满足多个优先级类的QoS需求的方法。一些实施例可以包括：在传输之间的退避时间区域中超越梯度下降算法；调整吞吐量以产生冲突调整吞吐量；和搜索达到所要求的网络吞吐量的冲突调整吞吐量。

如图4所示，理论上，吞吐量与退避时间将被表征为包括四个不同区域的曲线410。

区域1：其为区域431(曲线410的点B右侧)，其中吞吐量低于所要求的吞吐量420，和其中未使用的时隙(slot)数量随着退避时间的增加而增加。

区域2：其为区域432(在点B与曲线410的最大吞吐量之间)，其中吞吐量高于所要求的吞吐量420和其中未使用的时隙数量随着退避时间的增加而增加。

区域3：其为区域433(在最大吞吐量和曲线410上的点A之间)，其中所述吞吐量高于所要求的吞吐量420，和其中所述冲突数量随着所述退避时间的减小而增加(降低吞吐量)。

区域4：其为区域434(所述曲线410的点A的左侧)，其中所述吞吐量低于所要求的吞吐量420，和其中冲突的数量随着退避时间的减小而增加。

区域2进一步从区域3的其中没有冲突或未使用时隙(和获得最大吞吐量)的点处分离。如果提供的负载(业务)大于所要求的吞吐量，那么图4所示的点A和B之间的隆起是仅可观察的。然而，在正常实践中，提供的负载不会超过所要求的吞吐量，在这种情况下，不会实现点A和B之间的隆起。相反地，如在图5由具有在点A和B之间基本平滑的曲线510的图表500所示，，观察到的吞吐量将在点A和B之间保持基本的平滑。注意到，四个区域531、532、533、534分别与图4的区域431、432、433和434对应。将要解决的问题是传输之间的退避时间的调整，以便以较小的冲突满足所要求的吞吐量520，从而降低延迟。当在吞吐量曲线510中存在平滑区域时，尝试调整传输之间的退避时间的基本困难在于没有梯度来驱动调整。为了继续，可以将“冲突调整的吞吐量”作为冲突速率的函数进行计算。例如，冲突调整的吞吐量可以计算为乘以(1+冲突概率)或(1+重传比率)的吞吐量。

图6是将吞吐量与退避时间之间关系图示为具有所要求的吞吐量620的曲线610的图表600。注意到，区域631、632和633对应于相对于图4和5所述的类似区域。区域634和635分别对应图4和5的434和435。根据一些实施例，冲突调整的吞吐量640用于调整传输之间的退避时间以便以相对低延迟获得所要求的吞吐量。注意到吞吐量610具有在点A和B之间的基本平滑段，因为提供的负载提出没有超过所要求的吞吐量620。然而，通过叠加以下4个可分辨的区域至少一些的冲突调整的吞吐量640的图表能够使用梯度下降算法：

区域1：其为区域631(点B的右侧)，其中所述吞吐量低于所要求的吞吐量620，和其中未使用的时隙数量随着退避时间的增加而增加。

区域2：其为区域632(在既没有冲突也没有开放时隙的点与点B之间)，其中吞吐量在所要求的吞吐量，以及其中未使用时隙的数量随着退避时间的增加而增加。

区域3：其为区域633(在点A与既没有冲突也没有开放时隙的点之间)，其中吞吐量在所要求的吞吐量，并且冲突的数量随着退避时间的减小而增加，并且同样地其中冲突调整的吞吐量随着退避时间的增加而减小。

区域4：其为在峰值冲突调整后吞吐量与冲突调整的吞吐量满足所要求的吞吐量的点之间的区域634(点A与所要求的吞吐量和冲突调整的吞吐量相交的位置之间)。

区域5：其为区域635(在所要求的吞吐量和冲突调整的吞吐量相交的左侧)，其中冲突调整后吞吐量低于所需吞吐量。

根据一些实施例，目标是要设定传输之间的退避时间使得冲突被避免。如上所述，其不能通过对简单吞吐量610的普通的梯度下降方法来完成。然而，可通过增加传输之间的退避时间直到冲突调整的吞吐量640满足指示无冲突状态的所要求的吞吐量来完成。

当源节点在区域5或3开始时，其可以改变退避时间直到获取最优点，比如在没有观察到冲突和未使用的时隙时。当源节点在区域1开始时，其可以改变退避时间直到点B到达曲线610上。当源节点在区域2开始时，其可以保持在开始点处，在那个表示最佳解决方案时。当源节点在区域4开始时，其可以超越梯度下降方法(或甚至以与由梯度下降方法建议的相反方向上移动退避值)。根据一些实施例，该算法发现可行区域，其中在可接受的范围内，获取的吞吐量等于所要求的吞吐量，并且冲突基本为零(在可接受的范围内)。解释该算法的另一个方式是注意该算法具有每个节点使用仅足够的时隙(空中时间)以便无需在冲突上浪费任何时隙的情况下获取所要求的吞吐量。

图7为根据一些实施例，与无线网络相关联的方法700的流程图。这里所述流程图没有暗示步骤的固定顺序，并且本发明的实施例可以以可实施的任何顺序来实施。注意到，这里所述方法的任何步骤都可以通过硬件、软件或这些方法的任意组合来实现。例如，计算机可读存储媒介可在其上存储当由机器运行时导致根据本文描述的任何实施例的性能的指令。

在S710处，WLAN中节点处运行的计算机系统可以测量在通过无线网络(例如，802.11e无线网络)交换数据包时发生与冲突相关联的信息。根据一些实施例，基于与所述无线网络相关联的历史信息初始化至少一个MAC参数(例如，在节点启动时)。

在S720处，所述计算机系统自动地和动态地调整至少一个MAC参数，以在相对低的延迟实现吞吐量需求，同时降低无线网络中的冲突(例如，与图5的区域533相关联)。MAC参数与传输之间的退避时间相关联，例如，最小CW值、最大CW值、和/或AIFS时间。根据一些实施例，S720的调整与“冲突调整的吞吐量值”相关联，其将冲突/重重传增加到普通吞吐量值。而且，可以在冲突调整的吞吐量曲线上使用梯度下降算法来执行调整直到冲突调整的吞吐量值大于吞吐量需求，但小于最大吞吐量。在这种情况下，其中冲突调整的吞吐量大于所要求的吞吐量，但小于最大吞吐量(例如，图6的区域634)，实施例可以超越梯度下降算法的使用(例如，通过向由该算法建议的一个相反方向上移动退避时间)。根据一些实施例，S720的调整包括限制调整的量以便降低瞬态不稳定性影响(例如，当打开金属门时)。

因而，一些实施例可以提供有效并精确的方式来动态地调整用于WLAN的至少一个MAC参数。

在发明的一个应用中，设想上述对每个节点水平的自适应CW计算可以在涉及通过WLAN的病人监控的医院网络中实现。当来自这些设备的无线业务包括危急病人数据时，在这种设置下的许多医疗设备将会要求满足QoS(吞吐量和延迟)阈值，和保证QoS度量。例如，诸如DASH、CITRIX和基于IP的语音设备的无线设备具有这种QoS需求。由于该业务包括极端危急病人数据，所以在这种环境下需要保证QoS度量。

应当理解，上述所有这类目的或优点不一定根据任何特定的实施例来实现。因而，例如本领域技术人员将认识到本文所述系统和技术可以以实现或优化如本文教导的一个或多个优点的方式来体现或执行，而不必实现如可本文教导或建议的其他目的和优点。

尽管本发明仅某些特征在本文被图示和描述，本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解附带的权利要求意图覆盖如落入本发明真实精神内的所有的这类修改和改变。