CN100481991C - 在无线局域网中估计可用吞吐量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种在通信网络的移动节点中估计固定节点的可用吞吐量的方法和设备。所述通信网络包括连接到与至少一个外地网络连接的路由器的固定节点以及连接到所述固定节点的移动节点。从连接到固定节点的移动节点中选择第二移动节点，所述固定节点的可用吞吐量在第一移动节点中被估计。设置连接到所述固定节点的第二移动节点的空闲时隙间隔。通过设置的空闲时隙间隔的平均值测量第二移动节点的一个时隙间隔中的传输概率。使用测量的传输概率获取第二移动节点的传输信息。使用获取的传输信息估计所述固定节点的可用吞吐量。

Description

在无线局域网中估计可用吞吐量的设备和方法

技术领域

本发明总的来说涉及无线局域网(WLAN)，更具体地说，涉及一种在WLAN中估计可用吞吐量的设备和方法。

背景技术

在用作下一代通信系统的第四代(4G)通信系统中，为了以大约100Mbps的传输速率向用户提供基于各种服务质量(QoS)的服务，进行了大量的研究。在当前的4G通信系统中，正积极进行研究以在宽带无线接入(BWA)通信系统中支持保证移动性和QoS的高速服务，所述BWA通信系统诸如无线局域网(WLAN)和城域网(MAN)通信系统。

随着通信系统的发展，WLAN成为以现有有线LAN的扩展或替换规划实现的更加灵活的数据通信系统之一。WLAN采用无线介质来传送数据，这不同于在现有的有线LAN中采用有线介质的有线LAN。WLAN通过使用无线介质来提供先前由有线LAN提供的服务。

图1示出传统的无线通信网络。

参照图1，无线通信网络包括固定节点，即，接入点(AP)110和160，以及移动节点，即，终端111、113和161，它们从AP 110和AP 160接收服务。

AP 110和AP 160执行与现有有线LAN的集线器类似的功能。AP#1 110具有用于与包括终端111和113的多个终端通信的服务区域100。AP#2 150具有用于与包括终端161的多个终端通信的服务区域160

终端#1 111从AP#1 110接收服务。假设终端113可通过AP#2 160以及AP#1 110接收服务。

当用于接收当前服务的网络资源不足或终端113移动时，会需要对终端113进行资源预留或切换(handover)操作。在这种情况下，终端113估计AP 110和邻近AP 160的可用资源。终端113估计AP的可用吞吐量。

传统地，有两种方法用于估计AP的可用吞吐量。在第一种方法中，AP获取将被发送到每个终端的流量信息并计算它的吞吐量。在第一种方法中，AP以恒定的周期向它的服务区域广播关于估计的吞吐量的信息。当使用第一种方法时，AP要收集流量信息。因为AP处理数据，所以AP负荷增加。问题在于由于需要周期性地广播关于估计的吞吐量的信息，所以产生带宽浪费。

在第二种方法中，终端在对于AP执行呼叫建立处理之前估计AP的吞吐量。在终端中估计吞吐量的方法中，使用网络分配向量(NAV)。终端从分组估计AP的吞吐量。然而，问题在于当发生分组冲突时，不能正确地估计吞吐量。

为了解决上述问题，需要一种能够在现有WLAN中正确估计AP的可用吞吐量，而不降低系统性能的方法。

发明内容

因此，本发明的一方面在于提供一种在无线局域网(WLAN)中估计可用吞吐量的设备和方法。

本发明的另一方面在于提供一种在无线局域网(WLAN)中正确估计接入点的可用吞吐量而不降低系统性能的设备和方法。

根据本发明的一方面，提供一种在通信网络的移动节点中估计固定节点的可用吞吐量的方法，所述通信网络具有连接到与至少一个外地网络连接的路由器的固定节点以及连接到所述固定节点的移动节点，所述方法包括：从连接到固定节点的移动节点中选择第二移动节点，所述固定节点的可用吞吐量在第一移动节点中被估计；设置连接到所述固定节点的第二移动节点的空闲时隙间隔；通过设置的空闲时隙间隔的平均值测量第二移动节点的一个时隙间隔中的传输概率；使用测量的传输概率获取第二移动节点的传输信息；以及使用获取的传输信息估计所述固定节点的可用吞吐量。

根据本发明的另一方面，提供一种在通信网络的移动节点中估计固定节点的可用吞吐量的设备，所述通信网络具有连接到与至少一个外地网络连接的路由器的固定节点以及连接到所述固定节点的移动节点，所述设备包括：第一移动节点，从连接到其可用吞吐量被估计的固定节点的移动节点中选择第二移动节点，设置连接到所述固定节点的第二移动节点的空闲时隙间隔，通过设置的空闲时隙间隔的平均值测量第二移动节点的一个时隙间隔中的传输概率，使用测量的传输概率获取第二移动节点的传输信息，并使用获取的传输信息估计所述固定节点的可用吞吐量。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的和方面将会更加清楚地被理解，其中：

图1示出传统的无线通信网络；

图2示出根据本发明的无线通信网络；

图3是示出根据本发明的在终端中估计接入点(AP)的可用吞吐量的操作的流程图；以及

图4示意性示出根据本发明的在无线局域网(WLAN)中设置空闲时隙间隔的处理。

具体实施方式

以下将在这里参照附图详细描述本发明的优选实施例。在附图中，为了清楚和简明起见，将省略对包含在这里的本领域技术人员公知的功能和配置的详细描述。

本发明在无线局域网(WLAN)中估计通过接入点(AP)的可用吞吐量。为了进行所述估计，选择与所述AP通信的终端，并设置所述终端的空闲时隙间隔。使用空闲时隙间隔的平均值，测量一个时隙间隔中的传输概率。在获取所述终端的传输信息之后，使用所述传输信息来估计所述AP的可用吞吐量。

在本发明的示例中，固定节点在WLAN中用作AP，移动节点在WLAN中用作终端。

因为当前通信系统具有根据现有通信系统的发展的各种通信方案，所以使用各种通信方案的网络共同存在。即使随着网络大小扩展，网络采用不同的通信方案，也可实现网络之间的融合。将参照图2来描述包括WLAN的无线通信网络。

图2示出根据本发明的无线通信网络。

将参照图2来描述WLAN和宽带码分多址(WCDMA)网络。WLAN包括AP 210和AP 240以及从AP 210和AP 240接收终端服务的终端211、213和241。WCDMA网络包括基站270以及从基站270接收服务的终端271。

AP 210和AP 240执行与现有有线LAN的集线器类似的功能。AP#1 210具有用于与包括终端211和213的多个终端通信的服务区域200。AP#2 240具有用于与包括终端241的多个终端通信的服务区域230。基站270具有用于与包括终端271的多个终端通信的服务区域260，即，小区。假设终端213当前与AP#1 210通信，终端271当前与基站270通信。

终端213可通过AP#2 240以及AP#1 210接收服务。终端241通过AP#2240以及基站270接收服务。终端211、213、241和271是能够与它们所属的网络通信的多模站。

例如，终端213和241确定网络资源是否缺乏或者是否将执行切换。当网络资源缺乏或将执行切换时，终端213和241需要关于能够从邻近网络的AP提供的可用吞吐量的信息。估计可用吞吐量的方法如下。

图3是示出根据本发明的在终端估计AP的可用吞吐量的操作的流程图。

参照图3，在步骤301，第一终端确定是否估计邻近WLAN的AP的可用吞吐量。如果不要估计可用吞吐量，则第一终端结束估计操作。然而，如果要估计可用吞吐量，则第一终端进行步骤303。在步骤303，第一终端选择与第一终端想要估计可用吞吐量的接入网络通信的另一终端，即，第二终端。然后，第一终端进行步骤305。在步骤305，第一终端设置空闲时隙间隔，随后进行步骤307。在步骤307，第一终端测量一个时隙间隔中的传输概率，并进行步骤309。将参照图4详细描述设置空闲时隙间隔的处理。

假设一个时隙中的传输概率是P_tr，空闲时隙间隔的平均值是I_C，可将P_tr和I_C表示为如等式(1)所示。

${\stackrel{\‾}{I}}_C=\underset{j=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(j+1){(1-P_{\mathrm{tr}})}^j{P}_{\mathrm{tr}}=1+(1/P_{\mathrm{tr}})......\left(1\right)$

基于等式(1)的关系，可使用I_C设置P_tr。可通过等式(1)获得等式(2)。终端可通过监测信道状态来提取I_C的值。可使用等式(2)计算P_tr。等式(1)用于检验等式(2)。以下将描述空闲间隔的定义。

P_tr＝1/(I_C+1)    ......(2)

在步骤309，第一终端获取第二终端的传输信息，然后进行步骤311。

这时，所述终端测量一个时隙间隔，即，时槽时间中对于其它终端的冲突概率p_c，所述其它终端通过第一终端对其执行估计操作的AP接收服务。在饱和状态下，p_c近似P_tr。例如，当使用以二维表示的马尔可夫链时，终端可关于(n+1)个终端计算任意时隙间隔中的传输概率τ。通过等式(3)表示τ。

$\mathrm{\τ}=\frac{2(1-2P_{\mathrm{tr}})}{(1-2P_{\mathrm{tr}})(1+W_{\min })+P_{\mathrm{tr}}{W}_{\min }(1-{\left(2P_{\mathrm{tr}}\right)}^m)}......\left(3\right)$

在等式(3)中，W_min表示第一竞争窗口大小，m表示终端的数量。第一终端在访问WLAN之后，在一个时隙的时间内计算将分组成功发送的概率P_s。在等式(4)中表示P_s。

P_s＝τ(1-P_tr)    ......(4)

第一终端可计算平均分组长度L，然后计算成功时隙间隔T_S和冲突时隙间隔T_C。通过等式(5)来表示T_S和T_C。

T_S＝L+SIFS+ACK+DIFS+2δ

T_C＝L+EIFS             ......(5)

在等式(5)中，通过分组长度L、短帧间间隔(SIFS)、确认(ACK)消息间隔、分布式协调功能(DCF)帧间间隔(DIFS)和考虑差错的任意常数2δ的总和来测量T_S。通过分组长度L和扩展帧间间隔(EIFS)来测量T_C。

计算当第二终端没有执行任何传输时的传输概率T_idle。通过等式(6)来表示T_idle。

$T_{\mathrm{idle}}=(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-1)[P_{\mathrm{tr}}{T}_S+(1-P_{\mathrm{tr}})\mathrm{\δ}]......\left(6\right)$

在步骤311，第一终端使用在步骤309获取的传输信息估计可用吞吐量。通过等式(7)表示可用吞吐量。

$E\left(S\right)=\frac{P_{S}L}{T_{\mathrm{idle}}+P_S{T}_S+(1-P_S)T_c}......\left(7\right)$

使用等式(7)的可用吞吐量，第一终端执行切换判决、资源预留、呼叫允许控制等。在第一终端的媒体访问控制(MAC)层执行测量可用吞吐量的上述方法。

图4示出根据本发明的在WLAN中设置空闲时隙间隔的处理。

参照图4，WLAN采用用于介质访问的随机访问技术。随机访问方法需要用于避免分组之间的冲突的技术，这是因为数据会由于无线介质上的分组之间的冲突而丢失，并且当考虑到传输介质的特性时，发送机难以检测数据冲突。为了避免分组之间的冲突，WLAN采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)技术。在CSMA/CA技术中，在发送机和接收机之间的基本数据传输处理中间接地执行分组冲突和差错监测。当发送机在发送数据之后没有接收到ACK时，它在预定的时间内重发所述数据。

用于在特定时间段内接收仅从一个终端发送的数据的终端可通过无线电信道正确接收数据。如果多个终端同时发送数据，则发送的数据会是不能解释的数据或损坏数据(broken data)。

如果任何终端发送数据，则表示信道忙碌。如果没有任何终端发送数据，则表示信道空闲。

当许多终端想要发送数据时，与本发明相应的IEEE 802.11 MAC协议降低或调整数据由于终端的同时数据传输而被损坏的概率。即使信道空闲，终端也要在等待DIFS时间和回退时间(与系统中设置的规则随机值相应)之后才发送数据，而不是立即发送数据。当接收终端接收到没有差错的数据时，它在SIFS时间内发送ACK以通知数据接收。如果发送终端发送数据之后，在SIFS时间内没有接收到ACK，则所述终端准备数据重发。当终端接收到损坏数据时，在不同于DIFS的EIFS之后执行回退，直到接收到无差错帧。

基本传输格式是“DIFS-回退-数据-SIFS-ACK”。为了解决IEEE802.11环境中诸如隐藏节点的问题，在回退之后发送数据之前，首先发送请求发送(RTS)帧，并且能够在SIFS间隔中接收清除发送(CTS)帧。当发送这些帧时，可通过“DIFS-回退-RTS-SIFS-CTS-SIFS-数据-SIFS-ACK”来表示传输格式。如上所述，在SIFS间隔中设置数据传输序列。不同的终端不能介入发送终端和接收终端之间。然而，当信道由于差错而处于空闲状态超过DIFS间隔时，不同的终端可介入发送终端和接收终端之间。通过图4可以看出，在ACK和DIFS之后，空闲状态开始。

图上所述，DIFS、SIFS和EIFS表示帧之间的时间差值，其中，SIFS<DIFS<EIFS。

如通过上述描述所显而易见的，本发明可通过在WLAN的终端中独立地计算可用吞吐量来正确估计可用吞吐量，而不会降低整体系统性能。根据本发明，可使用估计的可用吞吐量执行切换判决、资源预留、网络选择、呼叫允许控制等。

尽管已为了示例性目的公开了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种修改、添加和替换。因此，本发明不限于上述实施例，而是由权利要求及其等同物的全部范围来限定。

Claims (6)

1、一种在无线局域网的移动节点中估计固定节点的可用吞吐量的方法，所述无线局域网存有连接到与至少一个外地网络连接的路由器的固定节点以及连接到所述固定节点的移动节点，所述方法包括步骤：

从连接到固定节点的移动节点中选择第二移动节点，所述固定节点的可用吞吐量在第一移动节点中被估计；

设置连接到所述固定节点的第二移动节点的空闲时隙间隔；

通过设置的空闲时隙间隔的平均值I_C测量第二移动节点的一个时隙间隔中的传输概率P_tr，其中，P_tr＝1/(I_C+1)；

使用所测量的传输概率P_tr获取第二移动节点的传输信息；以及

使用获取的传输信息估计所述固定节点的可用吞吐量，

其中，所述传输信息包括：在任意时隙间隔中的传输概率τ，其基于 $\mathrm{\&tau;}=\frac{2(1-{2P}_{\mathrm{tr}})}{(1-{2P}_{\mathrm{tr}})(1+W_{\min })+P_{\mathrm{tr}}{W}_{\min }(1-{\left({2P}_{\mathrm{tr}}\right)}^m)},$ 其中，W_min指示第一竞争窗口大小，m指示终端的数量；在时隙中成功发送分组的概率P_s，其基于P_s＝τ(1-P_tr)；成功时隙间隔T_S，其基于T_S＝L+SIFS+ACK+DIFS+2δ，其中，L指示平均分组长度，SIFS指示短帧间间隔，ACK指示确认消息间隔，DIFS指示分布式协调功能帧间间隔，2δ指示考虑差错的任意常数；冲突时隙间隔T_C，其基于T_C＝L+EIFS，其中，EIFS指示扩展帧间间隔；平均分组长度L；以及当第二移动节点没有执行任何传输时的传输概率T_idle，其基于 $T_{\mathrm{idle}}=(\frac{1}{\mathrm{\&tau;}}-1)[P_{\mathrm{tr}}{T}_s+(1-P_{\mathrm{tr}})\mathrm{\&delta;}].$

2、如权利要求1所述的方法，其中，空闲时隙间隔包括：第二移动节点的数据发送/接收成功的间隔和冲突间隔。

3、如权利要求1所述的方法，其中，估计可用吞吐量的步骤在第一移动节点的媒体访问控制层执行。

4、一种在无线局域网的移动节点中估计固定节点的可用吞吐量的设备，所述无线局域网具有连接到与至少一个外地网络连接的路由器的固定节点以及连接到所述固定节点的移动节点，包括：

第一移动节点，从连接到其可用吞吐量被估计的固定节点的移动节点中选择第二移动节点，设置连接到所述固定节点的第二移动节点的空闲时隙间隔，通过设置的空闲时隙间隔的平均值I_C测量第二移动节点的一个时隙间隔中的传输概率P_tr，其中，P_tr＝1/(I_C+1)，使用所测量的传输概率P_tr获取第二移动节点的传输信息，并使用获取的传输信息估计所述固定节点的可用吞吐量，

其中，所述传输信息包括：在任意时隙间隔中的传输概率τ，其基于 $\mathrm{\&tau;}=\frac{2(1-{2P}_{\mathrm{tr}})}{(1-{2P}_{\mathrm{tr}})(1+W_{\min })+P_{\mathrm{tr}}{W}_{\min }(1-{\left({2P}_{\mathrm{tr}}\right)}^m)},$ 其中，W_min指示第一竞争窗口大小，m指示终端的数量；在时隙中成功发送分组的概率P_s，其基于P_s＝τ(1-P_tr)；成功时隙间隔T_S，其基于T_S＝L+SIFS+ACK+DIFS+2δ，其中，L指示平均分组长度，SIFS指示短帧间间隔，ACK指示确认消息间隔，DIFS指示分布式协调功能帧间间隔，2δ指示考虑差错的任意常数；冲突时隙间隔T_C，其T_C＝L+EIFS，其中，EIFS指示扩展帧间间隔；平均分组长度L；以及当第二移动节点没有执行任何传输时的传输概率T_idle，其基于 $T_{\mathrm{idle}}=(\frac{1}{\mathrm{\&tau;}}-1)[P_{\mathrm{tr}}{T}_s+(1-P_{\mathrm{tr}})\mathrm{\&delta;}].$

5、如权利要求4所述的设备，其中，空闲时隙间隔包括：第二移动节点的数据发送/接收成功的间隔和冲突间隔。

6、如权利要求4所述的设备，其中，在第一移动节点的媒体访问控制层估计可用吞吐量。

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