專利名稱：用于具有增強服務質量的無線通信的動態(tài)自適應的制作方法
技術領域：
本申請涉及無線通信。
背景技術：
無線通信系統(tǒng)使用電磁無線電波向無線通信設備提供無線通信業(yè)務，所述無線通信設備也可以稱作無線節(jié)點或訪問終端，例如裝備有無線通信端口的移動電話或便攜式計算機。已經開發(fā)了不同類型的無線通信系統(tǒng)以提供不同的無線通信應用?？梢栽O計無線局域網(WLAN)以使用稱作接入點(AP)的一個或多個通信設備作為到一個或多個分組數據和其它網絡的門戶，和在小型地理區(qū)域內提供用于移動和其它無線通信設備(即無線節(jié)點)的無線業(yè)務。每個接入點包含無線電收發(fā)信機，其覆蓋在無線設備可訪問無線業(yè)務的稱作熱點或區(qū)域的有限區(qū)域。當多個無線設備或節(jié)點訪問單個接入點時，不同設備或節(jié)點的服務質量成為問題。已經廣泛地采用IEEE 802.11標準作為用于WLAN的通信協(xié)議之一，IEEE 802.11e具有明確解決WLAN內服務質量的特征。
可使用WLAN提供無線寬帶業(yè)務，例如可包括流視頻、電話會議、基于IP的語音和其它服務的多媒體應用。在WLAN內支持更高數據速率的供應和改進已經導致WLAN技術的廣泛使用。這可以在家庭、辦公室和諸如機場和飯店等商業(yè)設施內WLAN網絡的增長中看出。然而，無線訪問的時變屬性和多媒體應用的不同要求使在WLAN內支持無線多媒體業(yè)務的任務富有挑戰(zhàn)性。隨著寬帶業(yè)務需求的增加，需要在WLAN內支持在無線介質上的不同多媒體業(yè)務。正在追求標準化努力以提供WLAN內媒體訪問的服務質量(QoS)機制。
IEEE 802.11e是這種努力的例子。做為在WLAN網絡內朝向符合多媒體應用要求的步驟，802.11工作組已經在IEEE 802.11e內包括在媒體訪問控制(MAC)層上的不同機制。例如參見IEEE-802.11WG，“Draftsupplement to standard for telecommunications and information exchangebetween systems-LAN/MAN specific requirement-part 11MACenhancement for quality of service(QoS)”，IEEE 802.11e標準草案/D8.0(2004年2月)。IEEE 802.11e標準提供稱作混合協(xié)調功能(HCF)的框架，其在802.11e內規(guī)定的兩種媒體訪問模式之間多路復用，所述兩種模式是在增強分布式信道訪問(EDCA)名義下的分布式訪問模式和在混合協(xié)調功能控制信道訪問(HCCA)名義下的集中式訪問模式。使用分布式信道訪問方案，每個流通過基于競爭的算法獲得對信道的訪問。此方法的目標在于帶有未知業(yè)務要求的突發(fā)業(yè)務流。使用集中式訪問，使用基于輪詢的方案以根據由每個流提供的預留請求授權訪問業(yè)務流。這種方案非常適合于諸如實時多媒體應用等需要保證信道訪問的流。然而，在該方案中，集中式控制器在調度之前需要準確的流相關信息，使其更適合于可預測的業(yè)務。該標準還介紹了一種根據在初始化時在預留請求內規(guī)定的流要求構建輪詢調度的調度器的參考設計。在2002年11月，J.Prado，“MandatoryTSPEC parameter and reference design of a simple scheduler”，IEEE802.11-02/705ar0內可以發(fā)現(xiàn)該參考設計的細節(jié)。

發(fā)明內容
除了其它內容之外，本申請描述了設計以動態(tài)地控制在無線局域網(WLAN)內在無線設備和接入點之間的通信從而增強服務質量(QoS)的技術和系統(tǒng)。通過經基于輪詢的集中式媒體訪問模式和基于分布式競爭媒體訪問模式提供媒體訪問的動態(tài)和自適應控制以進一步增強在IEEE802.11e下WLAN內的QoS，可以實現(xiàn)所描述的技術和系統(tǒng)。
在該申請中描述的一個例子是一種用于在無線局域網(WLAN)內控制通信的方法，所述無線局域網包括作為通信門戶的接入點和分別與該接入點無線通信的多個無線通信節(jié)點。在該方法中，操作該接入點以從節(jié)點接收通信流相關信息。根據與選定節(jié)點通信流的屬性，給選定節(jié)點分配無競爭時間周期以允許每個選定節(jié)點在相應的無競爭時間周期內在與其它節(jié)點沒有競爭的情況下與接入點通信。給剩余節(jié)點分配在除了無競爭時間周期之外的時間周期內相互競爭和與接入點通信。在分配之后，在所分配時間周期內的通信過程中監(jiān)視在每個節(jié)點內的通信延遲增加以確定是否需要附加時間。當可以獲得附加無競爭時間時，給需要附加時間的節(jié)點分配附加無競爭時間。當不能獲得附加無競爭時間時，則指示選定節(jié)點在與接入點通信時與其它節(jié)點競爭。
在另一個例子中，該申請描述了一種在符合IEEE 802.11e的無線局域網(WLAN)內控制通信以支持根據混合協(xié)調功能控制信道訪問(HCCA)和基于優(yōu)先權競爭的增強分布式信道訪問(EDCA)的與WLAN接入點的基于輪詢的無競爭通信的方法。將用于與接入點通信的每個業(yè)務間隔劃分成(1)HCCA周期，其中向分配使用該訪問周期通信的無線通信節(jié)點分配無競爭時間周期以在沒有其它節(jié)點競爭的情況下與接入點通信；和(2)分立EDCA周期，其中無線通信節(jié)點基于所分配的訪問種類與其它節(jié)點競爭以與接入點通信。監(jiān)視在與接入點通信的每個節(jié)點上的通信延遲，還監(jiān)視在EDCA周期內與節(jié)點通信的接入點上的業(yè)務負載。根據所監(jiān)視的節(jié)點通信延遲和所監(jiān)視的業(yè)務負載，動態(tài)地控制節(jié)點對接入點的訪問。該動態(tài)控制包括下述至少之一(1)給先前已經分配在HCCA周期內與接入點通信的選定節(jié)點分配附加時間；(2)在HCCA周期結束之后，給先前已經分配在HCCA周期內與接入點通信，已經在HCCA內完成與接入點的所分配通信的選定節(jié)點分配在EDCA周期內與其它節(jié)點競爭地繼續(xù)與接入點通信；和(3)當在已經服務先前分配給HCCA周期的節(jié)點之后在HCCA周期內尚有未使用的時間時，將在HCCA周期內的無競爭時間周期分配給選定節(jié)點，所述節(jié)點先前已經被分配在EDCA周期內與接入點通信，以繼續(xù)與該接入點的通信。
本申請還描述了一種用于在基于IEEE 802.11e的無線局域網內控制在無線通信節(jié)點和接入點之間通信以支持根據混合協(xié)調功能控制信道訪問(HCCA)和基于優(yōu)先權競爭的增強分布式信道訪問(EDCA)的在節(jié)點和接入點之間的基于輪詢的無競爭通信的示例性系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括監(jiān)視模塊，包括HCCA監(jiān)視器和EDCA監(jiān)視器，HCCA監(jiān)視器監(jiān)視HCCA監(jiān)視流以生成HCCA測量值，EDCA監(jiān)視器監(jiān)視EDCA通信流以生成ECCA測量值；適配器模塊，響應于HCCA測量值和EDCA測量值，操作以動態(tài)地控制節(jié)點在HCCA和EDCA內與接入點的通信，從而降低由各個節(jié)點的延遲導致的累積通信延遲。
在該系統(tǒng)的一種實施方式中，適配器模塊操作以將HCCA內的附加時間分配給先前分配以在HCCA內與接入點通信的選定節(jié)點。在另一種實施方式中，適配器模塊操作以給先前已經分配在HCCA周期內與接入點通信和已經在HCCA內完成與接入點的所分配通信的選定節(jié)點分配在EDCA周期內與其它節(jié)點競爭地繼續(xù)與接入點通信。在又一種實施方式中，適配器模塊操作以當在已經服務先前分配給HCCA周期的節(jié)點之后在HCCA周期內尚有未使用的時間時，將在HCCA周期內的無競爭時間周期分配給選定節(jié)點，所述節(jié)點先前已經被分配在EDCA周期內與接入點通信，以與該接入點的通信?？梢越M合這些實施方式。


現(xiàn)在在附圖、說明書和權利要求書中詳細描述這些和其它實施方式、變型和其它特征。
圖1圖示在基于IEEE 802.11e的無線局域網(WLAN)內的混合協(xié)調功能(HCF)信道訪問。
圖2圖示在基于IEEE 802.11e的無線局域網內的增強分布式信道訪問(EDCA)。
圖3圖示在基于IEEE 802.11e的WLAN內恒定比特率(CBR)和可變比特率(VBR)的吞吐量比較。
圖4圖示分別對于兩個高斯輸入曲線在(1，25，50，100)服務間隔之后剩余隊列長度的概率密度函數(PDF)。
圖5圖示帶有通過μ+σ給定的修改ρ的相同高斯輸入的剩余隊列長度的PDF。
圖6圖示在當前動態(tài)自適應的一種實施方式中的HCCA分配和EDCA分配。
圖7A和7B圖示用于實施當前動態(tài)自適應的示例性算法的偽代碼。
圖8圖示用于動態(tài)自適應算法的一種實施方式的一種示例性流程圖。
圖9圖示包括監(jiān)視器模塊和適配器模塊以執(zhí)行動態(tài)自適應的系統(tǒng)。
圖10圖示在仿真中對于CBR和VBR流的剩余隊列大小和延遲。
圖11A圖示動態(tài)自適應的一種實施方式，其中將一開始在EDCA內分配的的流重新分配在HCCA內可用時間周期內。
圖11B和11C圖示圖11A所示的實施方式的仿真結果。
具體實施例方式
當前IEEE 802.11e規(guī)定支持在基于HCCA和EDCA的兩種媒體訪問模式之間的業(yè)務差別以允許增強的QoS。然而，此業(yè)務差別的不同實施方式可以具有不同等級的QoS增強等級。舉例來說，由Prado推薦的調度算法有一些技術限制。集中式調度算法假設實時流將在集中式方案過程中根據其要求預留信道訪問時間。根據應用，在流傳輸開始時可能無法獲得準確的實時流要求相關信息。例如，使用應用層自適應技術，視頻流的比特速率要求根據端到端網絡內的擁塞而改變；因此，在初始化時獲得準確的信息可能是不可行的。
此外，使用在預留請求內規(guī)定的平均值，例如平均分組大小和所要求的吞吐量，HCF僅分配適合于恒定比特率(CBR)業(yè)務的固定輪詢調度。然而，存在并不具有CBR概況的多媒體業(yè)務流，例如質量控制MPEG 4或視頻會議，而使用可變比特率(VBR)編碼。VBR編碼的一些優(yōu)點包括對于相同平均比特率的更佳視頻質量和更短延遲。此外，業(yè)務供應商通常使用多媒體內容的VBR編碼通過在不同VBR流之間多路復用來提高網絡容量。例如參見IEEE學報第86卷第952-973頁(1998年5月)，Lakshman等人的“VBR videoTradeoffs and potentials”，和Ming-Ting Sun和Amy Reibman的Compressed Video Over Networks，第9章，MarcelDekker(2001)。因為在所接收預留和業(yè)務變化內的可能不準確性，Prado的HCF調度策略可能是低效和不合適的，可能導致不可接受的延遲，因而不利地影響多媒體質量。
維持具有可變需求的實時流質量的方式之一是在預留時間為流需求過度地規(guī)定。盡管該方法改善了多媒體質量，但是嚴重影響了系統(tǒng)容量。另一種方法是收集流相關信息，和預測其未來需求以更準確地執(zhí)行資源分配。注意到監(jiān)視頻率應當取決于業(yè)務流需要隨著時間的固有相關性。使用這種方法的預測精確度可能導致低效的資源分配。
為了在不影響系統(tǒng)容量(信道使用)的情況下改善質量，我們推薦一種動態(tài)自適應方法動態(tài)地識別和估計可變需要，和提供機制以允許選擇性地附加信道訪問。通過將附加時間適當地提供給多媒體流，可以改善服務質量使其高于一些靜態(tài)調度器下的服務質量。在下面描述的一種實施方式中，提供自適應策略配置基于輪詢的調度策略和動態(tài)地相關業(yè)務流和適當的媒體訪問模式。該策略考慮在預留信息內的可能不準確性、在流生成和吞吐量要求內的變化和當前的系統(tǒng)使用。此外，在最低影響網絡內其它流的情況下，該策略執(zhí)行這些自適應。為了評估這種方法的效率，比較這種自適應策略與Prado的802.11e調度器的參考設計。我們通過我們的自適應來證明，可以實施本方法以實現(xiàn)在延遲和吞吐量量度方面QoS的顯著改進。此外，我們證明了當前的自適應在多媒體應用質量和系統(tǒng)容量上的影響。
在一些實施方式中，可以配置當前的動態(tài)自適應以部分地提供基于接入點(AP)的QoS規(guī)定機制來協(xié)調IEEE 802.11e的集中式(HCCA)和分布式(EDCA)方案。具體而言，我們研究將流映射到HCCA和EDCA階段如何影響所實現(xiàn)的QoS。我們首先評估分別將背景和實時業(yè)務分別限制到EDCA和HCCA周期的傳統(tǒng)方法。已經識別了使用此方法的限制，我們評估根據流負載和應用要求在兩個周期之間動態(tài)地移動流的潛在優(yōu)點?？梢允褂卯斍暗膭討B(tài)自適應在運行時間上確定應當在HCCA、EDCA或兩者內服務于流。所推薦的策略考慮在預留信息內可能的不準確性、在流生成和吞吐量要求內的變化和當前的系統(tǒng)使用。此外，該策略在最低影響網絡內其它流的情況下執(zhí)行這些自適應。我們證明使用我們的自適應，可以顯著地改善在延遲和吞吐量量度方面的多媒體應用QoS。
通過經例如使用輪詢周期內的可變時間以最小化實時多媒體流經歷的延遲，改善WLAN網絡的系統(tǒng)使用，可以使用動態(tài)自適應改善在WLAN上終端用戶感受的服務質量(QoS)。此外，通過在可獲得時間的情況下分配集中式輪詢周期內的時間，動態(tài)自適應提高流吞吐量，所述流可能是軟實時流。動態(tài)自適應的整體方法是動態(tài)地相關業(yè)務流和兩個信道訪問模式，并根據所監(jiān)視的業(yè)務信息修改訪問特權。具體而言，使用在802.11e的集中式輪詢周期內的調度的流，稱作混合協(xié)調功能信道控制訪問(HCCA)，我們考慮跟蹤隊列信息以識別出何時業(yè)務預留變化已經導致隊列累積。當出現(xiàn)這種情況時，將附加時間分配給業(yè)務流以降低流隊列大小和防止更高的經歷分組延遲。如果在HCCA內存在可用時間，則我們通過在已經輪詢所有先前調度的流之后重新輪詢流來分配附加時間。然而，如果在HCCA周期內不存在時間，則試圖通過更佳地使用802.11e的分布式競爭周期，稱作增強分布式信道訪問(EDCA)周期來降低隊列累積。該算法估計在EDCA內的當前負載，根據該負載，發(fā)送鼓勵HCCA業(yè)務流在EDCA周期內發(fā)送的信號。除了最小化HCCA調度流的延遲之外，本發(fā)明的算法還試圖通過當存在可用時間時分配HCCA周期內的時間來改善EDCA流的QoS量度。對于該自適應而言，本發(fā)明目標在于由于擁塞或信道變化而經受吞吐量降低的高優(yōu)先權流。
當前動態(tài)自適應的各種實施方式的潛在應用包括給終端用戶提供保證服務質量的能力和改善WIAN網絡的系統(tǒng)使用等。對于將經受大量的實時多媒體應用的WLAN設施而言，例如機場、辦公室(電話會議)和家庭，該技術在商業(yè)上可能非常有用。
在下面的段落中，簡要地討論在IEEE 802.11e內的增強以支持業(yè)務差別的某些特征。接著，還討論在Prado的調度算法中用于實施在IEEE802.11e內業(yè)務差別的特征和限制。最后，隨后描述當前動態(tài)自適應方法的具體實施和仿真結果。
IEEE 802.11e定義稱作混合協(xié)調功能(HCF)的新操作模式。圖1通過圖示兩個相鄰業(yè)務間隔(Si)圖示HCF信道訪問，其中每個業(yè)務間隔包括HCCA周期和EDCA周期。HCF在兩種媒體訪問模式之間多路復用由增強分布式信道訪問(EDCA)引導的基于分布式競爭的方法和稱作HCF控制信道訪問(HCCA)的基于集中式輪詢的方法。兩種訪問功能增強在802.11a/b/g內規(guī)定的原始訪問方法的功能分布式協(xié)調功能(DCF)和點協(xié)調功能(PCF)。在802.11e內推薦的兩種訪問方案公共的基本概念是傳輸機會(TXOP)的概念。TXOP是允許節(jié)點傳輸的有界時間間隔。當根據在HCCA內的業(yè)務流確定在EDCA內的TXOP時，在每個節(jié)點的基礎上選擇TXOP。
在IEEE 802.11e內的增強分布式信道訪問為了支持業(yè)務差別，802.11e通過提供稱作EDCA的差別信道訪問機制基于原始802.11分布式協(xié)調功能(DCF)來改善。EDCA是802.11的先前分布式信道訪問機制的參數化版本，相關聯(lián)不同的信道訪問參數和分類成稱作訪問種類(AC)的不同類別的不同業(yè)務流以區(qū)分在不同流之間的媒體訪問優(yōu)先級。在圖2內圖示通過EDCA的信道訪問優(yōu)先級化。修改的信道訪問參數是仲裁幀間間距(AIFS)，它是在開始后退之前等待的最小時間間隔；傳輸機會(TXOP)，它是節(jié)點可以發(fā)送的最大持續(xù)時間；和競爭窗口參數(CWmin和CWmax)，它確定在開始傳輸之前等待的時隙隨機數量。
對于每個訪問種類(AC)，由接入點(AP)確定訪問參數，并做為信標發(fā)送給網絡內的節(jié)點。
在IEEE 802.11e內的HCF控制信道訪問除了優(yōu)先級化的信道訪問之外，802.11e協(xié)議描述稱作HCF控制信道訪問(HCCA)的集中式信道訪問方案以提供保證的QoS。圖1圖示由802.11e HCCA使用的信道訪問方案。類似于原始的點協(xié)調功能(PCF)，HCCA使用基于輪詢的機制，其中由AP控制媒體訪問。在原始PCF和HCCA之間的主要差別是當無競爭周期可能出現(xiàn)的靈活性。如果介質在短于最小AIFS的PCF幀間間距周期內保持空閑，則AP可以開始無競爭HCCA周期。
在HCCA無競爭周期過程中，AP在稱作TXOP的固定時間持續(xù)周期內輪詢節(jié)點，所述TXOP根據由每個流定期發(fā)送給AP的預留信息計算得出。通過來自AP的輪詢請求和在這個周期內初始化每個節(jié)點的TXOP，在上行鏈路和下行鏈路方向內可能同時出現(xiàn)傳輸。根據在網絡內存在的所有節(jié)點的最低延遲要求確定稱作業(yè)務間隔SI的周期性。這個周期允許多個無競爭傳輸，如果出現(xiàn)下述情況之一則結束AP或節(jié)點都不具有任何需要發(fā)送的分組，信道空閑時間已經超過超時周期或者時間周期已經過期。注意到在HCCA內使用的TXOP不同于在EDCA內使用的TXOP，由AP確定和根據流要求計算。固定持續(xù)時間的使用允許AP限制分配給每個節(jié)點的時間，和由缺省變量dot11DefaultCPTXOPlimit限制。
在IEEE 802.11e內的混合協(xié)調功能調度現(xiàn)在描述Prado的IEEE 802.11e的參考調度器。具有嚴格QoS要求的節(jié)點發(fā)送包含流信息的預留請求，所述流信息例如是平均應用數據速率(ρ)、平均分組大小(L)、最大MSDU大小(M)、延遲界限(D)和最低物理數據速率(R)。使用這種預留請求，調度策略確定輪詢的周期性和持續(xù)時間。AP確定將要用于所有節(jié)點的最小業(yè)務間隔(SI)，其中SI是在節(jié)點的連續(xù)輪詢之間的持續(xù)時間。選定SI是802.11e信標間隔持續(xù)時間的最高子倍數，它滿足每個流的延遲要求；即選定SI應當低于所有流要求的業(yè)務間隔的最小值。在確定用于流的SI之后，AP還如下根據平均應用數據速率將固定TXOP分配給每個流。
REQi=ρi*SIMi---(1)]]>TXOPi=REQi*(MiR+O)]]>其中O是由于PHY和MAC首部、IFS、確認幀和輪詢幀導致的開銷。
在HCCA內為每個SI花費的最大時間受dot11CAPMax變量的限制，在信標間隔內的總受控訪問時間受dot11CAPRate的限制。上述兩個變量限制控制訪問周期的持續(xù)時間，和界定控制訪問模式對在競爭訪問模式內的業(yè)務流的影響。如果新流的引入違反上述兩個要求中的任一個，則AP并不許可附加請求。
上述HCF調度策略具有多個技術限制。這種限制可能顯著地降低使用VBR流的多媒體通信的QoS。因此，需要支持實時流要求的新技術。下面的段落將說明支持帶有可變和不可預測流要求的多媒體流的需要。
實時流的可變需求為了在WLAN內提供對不同實時多媒體應用的支持，理解業(yè)務需求和這些應用的需求是很重要的。下述分析集中于基于視頻的應用；然而，可以將分析結果同等地應用于其它應用。
在視頻應用中，可以使用導致不同比特率要求的不同目標編碼流。稱作恒定比特率(CBR)的一種類型的編碼試圖通過適當調整壓縮參數維持編碼流的帶寬要求。然而，CBR編碼導致隨著時間變化的質量以維持恒定比特率。另一種類型的編碼試圖通過使用恒定壓縮參數維持編碼多媒體質量，這導致隨著時間變化的比特率要求。普通VBR編碼應用的例子包括質量控制MPEG4、視頻會議、視頻多播、等等。業(yè)務供應商通常使用多媒體內容VBR編碼通過在不影響多媒體質量的情況下在不同VBR[4]之間多路復用來提高網絡容量。
我們使用示例的視頻軌跡來說明在CBR和VBR流之間的差別。圖3(a)和3(b)圖示電影(25幀/秒的侏羅紀公園)的CBR和VBR編碼隨著時間變化的比特率要求。對于VBR編碼視頻，比特率要求可能隨著時間變化很大。
除了VBR編碼之外，應用層自適應可能導致比特率要求隨著時間的變化。例如，當前的流服務器動態(tài)地在不同目標比特率上靜態(tài)編碼的不同流之間動態(tài)地切換，從而克服在端到端網絡內的帶寬波動。該應用層自適應導致動態(tài)地改變視頻流內的流要求。已經說明流要求可能隨著時間改變，接著，我們分析使用帶有可變業(yè)務流的HCF參考調度器的影響。
HCF參考調度策略的分析如先前所述的，Prado的參考調度器根據平均數據速率為每個流分配固定TXOP，在固定業(yè)務間隔內服務每個流。盡管該調度非常適合于CBR業(yè)務，帶有VBR業(yè)務的HCCA流隊列可能累積，最終導致很大的時延和丟失分組。
為了理解VBR業(yè)務的802.11e調度的限制，我們評估由于使用參考調度器的剩余隊列長度導致的業(yè)務流延遲。我們將VBR業(yè)務數據速率模型化為分別具有平均和標準偏差μ和σ的高斯曲線概率密度函數。使用高斯曲線表示VBR是從先前的研究[6]和[7]獲得的啟示。對于上面說明的例子，可以將比特率要求模型化為具有平均338Kb/秒和標準偏差134Kb/秒的高斯分布。
用x表示以分組數量形式的隊列長度值，i是當前的業(yè)務間隔。我們分別用INi(x)和RESi(x)定義在業(yè)務間隔i內分組抵達和剩余隊列長度的概率分布函數。
INi(x)=12πσ2*e-(χ-μ)22σ2---(2)]]>在業(yè)務間隔i之后的剩余隊列長度是在最后一個業(yè)務間隔內的剩余隊列長度、輸入分組和在當前業(yè)務間隔內調度的分組的函數，如下面表示的。
RESi(χ)＝f(RESi-1(x)+INi(χ)，SCHi(x))(3)其中SCHi(x)表示由HCCA調度器在業(yè)務間隔i內調度的分組數量。
使用HCCA調度器，每SI服務的分組數量是固定的，并基于由AP給定的TXOP。我們假設ρ是每SI服務的分組數量，即iSCHi(χ)＝impulse(ρ) (4)因此，由下式給出剩余隊列長度 注意到剩余隊列長度的概率密度函數在零上是不連續(xù)函數。而且，在服務間隔末端上沒有分組的概率等于需要服務的分組小于每服務間隔服務的分組數量ρ的概率，所述需要服務的分組由輸入分組和前一服務間隔的剩余隊列長度給出。
因為由于剩余隊列長度的不連續(xù)函數RESi(x)導致在固定數量的服務間隔之后確定上面等式的概率曲線的閉合形式很困難，本發(fā)明使用不連續(xù)概率分析評估這些等式。為了理解在固定數量的服務間隔之后節(jié)點的剩余隊列長度可以如何改變，使用Matlab輸入具有HCCA調度器服務速率的高斯概率密度函數，并使該程序在固定數量服務間隔之后輸出剩余隊列長度的概率密度函數。
本發(fā)明評估用數字考慮兩個高斯輸入(μ，σ)[(20，5)，(20，1)]的這些等式以發(fā)現(xiàn)該流的剩余隊列長度的概率密度函數。對于該評估，因為802.11e參考調度器規(guī)定平均值，我們考慮等于平均ρ＝μ的服務速率。圖4(a)和4(b)圖示分別對于兩個高斯輸入曲線在(1，25，50，100)SI之后剩余隊列長度的概率密度函數。注意到這些曲線表示在100個SI之后隊列長度的預期值不為零。實際上，對于兩個高斯輸入的隊列長度的預期值分別是41個分組和17個分組。
隨著剩余隊列長度的增加，每個分組的延遲增加，并且潛在地可能大于可容忍的延遲限制。根據所使用的傳輸協(xié)議，該高延遲導致退化的視頻回放，例如停止和污點。例如，當使用TCP時，由于其可靠的分組發(fā)送機制，在分組內的延遲導致停止。然而，當使用UDP時，如果分組并未按時抵達，則缺省分組丟失隱藏技術使用前一幀。隱藏方法將導致在視頻回放內的污點。接著，我們討論由于VBR編碼及其限制導致在尋址可變性內的替代技術。
當前方法的限制Pado的HCCA調度的限制之一是將具有硬性最終期限的實時流限制為在HCCA周期內的固定持續(xù)時間被提供服務，而使其它流在EDCA內競爭。盡管這種調度策略很簡單，其若干限制在于滿足各種應用的要求，例如如上所述的具有VBR業(yè)務的實時流。降低剩余隊列長度累積的可能解決方案是用于每個流的過度規(guī)定，和分配用于每個服務間隔的附加時間。一個例子將在確定每個服務間隔內所服務的分組數量同時使用平均和標準偏差參數。
圖5(a)和5(b)說明帶有由μ+σ給出的修改ρ的同一高斯輸入的剩余隊列長度的PDF。剩余隊列長度的預期值顯著地降低。上面的例子說明如果可以為每個流多次分配，則能夠避免隊列累積。然而，在可服務AP的流數量和分配給每個流的時間量之間存在折衷。因而，為了滿足VBR要求，需要動態(tài)地將附加時間分配給VBR流。
此外，在參考調度策略內，AP維持集中式HCCA和分布式EDCA周期之間的明確劃分。根據分立資源分配方案，即使當在EDCA周期內的負載很低時，也可以允許使用基于競爭機制發(fā)送實時流。由于dot22CAPRate和dot22CAPMax施加的限制，這導致在競爭周期內信道資源的低使用率，并降低HCCA流內的容量和多媒體質量。
其他研究者觀察到VBR業(yè)務的當前調度器的類似限制，并建議靈活的HCF(FHCF)框架以解決上述的一些限制。例如參見在Proc.of WiOpt，Modeling and Optimization in Mobile，Ad Hoc and Wireless Networks(2004.03)內Pierre Ansel，Qiang Ni和Thierry Turletti的“An efficientscheduling scheme for IEEE 802.11e”。簡單地說，F(xiàn)HCF算法監(jiān)視隊列長度，和根據此信息擴展或縮短每個流的TXOP。在限制附加時間的情況下，該算法以公平的方式在流之間劃分時間。使用此方法存在多種限制(1)公平地將所分配的時間劃分給每個流可能不足于提供剩余隊列累積的消除；(2)積極的自適應以調整TXOP可能在業(yè)務變化性很高的情況下導致進一步延遲；和(3)頻繁調整TXOP可能干擾(激烈抖動)在HCCA周期內調度的其它節(jié)點。
自適應策略本應用描述了可用于改善整體服務質量(QoS)的動態(tài)自適應框架的實施方式。在一些應用，此動態(tài)自適應可用于至少部分地克服由于Prado和相關負面影響的802.11e調度算法的限制。
為了改善多媒體流的QoS，可配置和實施動態(tài)自適應以最小化預期分組延遲的累積使用值。我們可以通過下式表示該目標MinΣj=1NUj(dj)---(5)]]>其中j表示節(jié)點索引，dj是節(jié)點j經歷的平均分組延遲，和N是節(jié)點總數。因為流的經歷分組延遲是剩余分組隊列長度的函數，我們具體考慮最小化在每個服務間隔內累積剩余隊列長度的使用MinΣj=1NUj(resj)---(6)]]>其中resj表示節(jié)點j的平均剩余分組隊列長度。
通過動態(tài)地配置HCCA周期內的輪詢調度，稱作HCCA分配，如果需要的話，選擇性地允許實時流在EDCA周期內發(fā)送，稱作EDCA映射，我們的算法的整體方法最小化剩余隊列長度。
HCCA分配可使用HCCA分配確定輪詢調度，從而符合等式6表示的目標?？梢詫⑤喸冋{度表示為[(PU1，PTXOP1)，......，(PU1，PTXOP1)，......，(PUT，PTXOPT)]，其分別表示被輪詢的節(jié)點索引和分配用于第1個輪詢的TXOP，T是輪詢的最大次數。將為每個流j請求的平均時間表示為TXREQj，和可以將在稱作TXOPj的服務間隔j內分配用于每個流的時間表示為TXOPj=Σ∀(l)wherePUl=jTPTXOPl---(7)]]>我們假設輪詢調度解決方案應當符合HCCA調度器的內在限制；(1)所分配的總時間必需低于在每個服務間隔內可用的總時間；(2)在HCCA時間周期內必需至少輪詢每個節(jié)點一次，輪詢時間是不重疊的；和(3)分配給每個節(jié)點的時間必需大于或等于該流的請求平均要求?？梢杂孟率奖硎旧鲜鱿拗啤?br> Σj=lNTXOPj<MAX_POLL_PERIOD---(8)]]>(j)(PUl)s.i.PUl＝j (9)TXOPj≥TXREQj(10)在上述等式中，MAX_POLL_PERIOD表示在由dot11CAPMaxRate和dot11CAPRate設置確定的每個服務間隔內可獲得的最大輪詢持續(xù)時間。
EDCA映射除了分配在HCCA周期內的可用時間之外，我們考慮當在HCCA周期內沒有時間可用于重新分配時的情況。當前HCF框架假設實時流將僅在它們的所分配時間發(fā)送分組。然而，通過選擇性地允許一些流進入EDCA周期，我們試圖當不可能在HCCA周期內增加TXOPj時降低隊列累積。
EDCA映射的目標是選擇用S表示的流，這可受益于EDCA內的附加時間，限制在于由于附加實時流最小導致對EDCA流的影響。我們需要理解在HCCA延遲降低的益處和對EDCA流的不利影響之間的折衷。此目標是選擇可用下式表示的集合MaxU(Σm∈SBm,Σm∈SCm)---(11)]]>其中Bm表示節(jié)點m的延遲降低方面的總益處，和表示在EDCA內映射節(jié)點m的成本。主要地，Cm是可用吞吐量、擁塞和增加沖突形式給出的對EDCA流的影響。
自適應策略的實施方式當前動態(tài)自適應的實施方式基于下述假設。首先，我們假設AP使用參考調度器以確定初始化輪詢調度。使用該方案，AP接收預留請求，調度在網絡內每個節(jié)點的適當傳輸機會，和使用固定服務間隔輪詢所有節(jié)點。因此，對于每個流j，確定下述參數基于預留請求的原始服務時間TXREQj和用于節(jié)點j的輪詢時隙PU1。注意到使用原始調度器TXOPj＝TXREQj＝PTXOP1，意味著分配給節(jié)點j的總傳輸機會等于平均服務時間TXREQj和PU1＝j。其次，假設每個流限制于在一個服務間隔過程中的一個輪詢。換句話說，Σ∀ls.i.PUl=jPUl=1---(12)]]>使用這些假設，在每個SI之后在HCCA內調度的流的理想隊列長度是零。
此外，我們假設已經在HCCA內調度的流僅在基于輪詢的周期內發(fā)送分組，和限制沒有預留的剩余流以在EDCA周期內發(fā)送。此外，所有的流使用802.11e分組首部的控制字段將隊列長度信息提供給AP。最后，可以通知實時流在EDCA周期內發(fā)送的可能性。
圖6圖示我們自適應的整體策略。為了修改信道訪問特權和為流分配附加時間，我們回答下述問題(1)我們如何識別需要修改流和以公平方式在流之間選擇？(2)我們應當如何執(zhí)行HCCA分配從而最小化對網絡內其它流的影響？(3)哪些是運行EDCA映射自適應的可接收條件和何時應當予以運行？確定將要修改的流我們通過查看剩余隊列長度的使用函數確定需要修改哪些流。注意到為了最小化剩余隊列長度的使用函數，可以降低節(jié)點的實際隊列長度。我們使用最陡峭降低方法來最小化剩余隊列的長度。假設U(resj)＝resj/TXREQj，我們開始于具有將潛在地具有最高延遲的隊列長度的節(jié)點j，考慮其TXREQj，換句話說max(resj/TXPREQj)。
盡管該期望方法發(fā)現(xiàn)具有最大隊列長度的節(jié)點給出它們的預留請求，將在HCCA周期內的所有剩余時間分配給一個節(jié)點將導致不公平。為了確保其它流能夠接收一些可用的附加時間，我們組合隊列信息與最后一個自適應時間以確定每流的加權，和根據這些加權執(zhí)行循環(huán)選擇。
HCCA分配一旦確定需要修改流，該算法需要確定是否可以和有益于分配附加時間和修改信道訪問特權。對于可能的HCCA分配，在HCCA內已經存在足夠的剩余時間用于輪詢流，即在已經調整TXOPj之后，∑(1，j＝S)TXOPj＜MAX_POLL_PERIOD限制應當依然保持。
在我們的方案中，如圖6所示，我們通過在已經輪詢所有先前調度的流之后通過重新輪詢流i來分配附加時間。我們維持原始輪詢列表，因此，在輪詢1至N之間，所調度的節(jié)點即PU1至PUN和所分配的時間保持固定。然而，對于剩余輪詢，從N+1至T，我們選擇已經識別為可能VBR流的流，并分配適當的TXOPj用于這些流。
在各種應用中，與用于流的持續(xù)時間的簡單擴展相比，該方法可能更佳合適，因為這可以避免在HCCA內調度的其它流的不必要延遲?；貞浧鹜ㄟ^調整在輪詢1開始的用于流j的PTXOPj，其中PU1＝j，先前討論的PHCF方案配置在輪詢內節(jié)點的固定TXOPj。使用該方法，由于在其之前調度流的附加時間分配，可以延遲其它流。通過保持原始調度，我們避免影響其它流。盡管存在附加輪詢的額外開銷，該開銷最小，僅包括輪詢幀和SIFS周期。此外，F(xiàn)HCF算法試圖通過降低節(jié)點的TXOPj來利用流的“滯后”。盡管這可能提供更多的分配時間，該降低意味著在一些間隔上，所分配的時間低于所預留的時間，TXOPj≥TXREQj。這可能違反該流將具有為每個服務間隔預留的至少平均要求的假設。盡管PHCF算法在需要時最終調整附加時間，此改變可能導致在所分配時間內的恒定振蕩。
EDCA映射在HCCA分配不可能的情況下，另一種用于最小化剩余隊列長度的方法鼓勵流在EDCA周期內發(fā)送，如圖6所示，其中允許節(jié)點j在EDCA內發(fā)送。該自適應的一種考慮因素是由于節(jié)點j的映射對EDCA內流的不利影響Cj。如果當網絡擁塞時鼓勵HCCA流在EDCA內發(fā)送，業(yè)務流可能受沖突導致的重復傳輸的影響，并導致對其它業(yè)務流的不利影響。因此，為了避免這些問題，必需由AP估計網絡負載。
在我們的方法中，使用兩個統(tǒng)計數字估計網絡負載使用系數和沖突計數。通過監(jiān)視在EDCA內使用的時間，求和在總可用時間上成功接收分組的傳輸持續(xù)時間，AP計算使用率。盡管使用系數是在低負載條件下網絡負載的良好指示符，隨著沖突導致的負載增加，該數值降低。在這些狀態(tài)下，我們還使用通過平均在EDCA周期上出現(xiàn)的沖突數量確定的沖突量度。在實驗部分內可以發(fā)現(xiàn)關于使用系數和沖突計數的細節(jié)的實驗。
在我們所建議的自適應方案中，在固定數量的SI之后，我們比較當前的使用率和沖突量度與預先設置的閾值，和確定是否適合于將附加VBR流映射到EDCA周期。這是為了最小化對EDCA流的影響，和避免所引入VBR流經歷的附加沖突。在EDCA周期內映射的流通過先前描述的優(yōu)先級確定，和基于當前剩余隊列大小和最后一個自適應時間。為了降低錯誤自適應的負面影響，我們監(jiān)視在自適應之后改變的使用率和沖突量度。在平均使用率降低和沖突顯著增加的情況下，我們反轉VBR流的最后一個EDCA映射自適應。通過分別在負載量度內的改變和在剩余隊列大小內的降低，提供該自適應的成本和益處。
自適應算法和框架在圖7A和7B內提供的偽代碼進一步提供上述算法的細節(jié)。該算法的第一步驟是監(jiān)視當前網絡狀態(tài)。隨后，AP繼續(xù)原始輪詢調度和相應地更新隊列統(tǒng)計數字。已經完成輪詢原始調度之后，隨后，該方法分配在HCCA調度周期內的附加時間。通過計算在HCCA內的可用時間(hcca_slack)，該算法重復地確定是否存在可用時間以在HCCA內調度。該流的選擇處理基于在該部分內先前描述的加權。在HCCA周期不能支持附加輪詢和存在需要附加調度的剩余HCCA流的情況下，AP明確地通知實時流以在EDCA周期內發(fā)送。
圖8進一步圖示說明一種自適應算法實施方式的流程圖。
為了運行所述動態(tài)自適應，可以實施自適應框架以包括兩個主要功能組件監(jiān)視器模塊和適配器模塊。圖9圖示包括監(jiān)視器模塊和適配器模塊的系統(tǒng)。監(jiān)視器包括HCCA監(jiān)視器和EDCA監(jiān)視器。監(jiān)視器跟蹤在HCCA和EDCA周期內的當前狀態(tài)，和通過多個跟蹤統(tǒng)計數字向適配器提供流加權和HCCA和EDCA周期的負載信息。使用由監(jiān)視器提供的這些數值和信息，適配器確定哪些節(jié)點可受益于該切換，當能夠切換節(jié)點時，應當如何切換它們。
仿真分析使用在一組不同的多媒體業(yè)務概況和網絡負載上的自適應框架，已經執(zhí)行基于802.11e的仿真。我們簡要地開始于描述實驗設置和系統(tǒng)配置。接著，我們估計在HCCA和EDCA周期內HCCA流重新分配導致的性能改善。隨后，我們介紹該框架與Ansel等人的上述公開文獻內推薦的靈活HCF(FHCF)機制的比較。最后，我們描述自適應在視頻質量和整體系統(tǒng)容量的影響。
仿真設置和系統(tǒng)配置為了我們的實驗，我們使用由Opnet提供的Opnet仿真環(huán)境。參見“Opnet simulation framework”，http://www.opnet.com/。為了仿真802.11標準，我們修改IEEE 802.11b MAC層模型以協(xié)調HCCA和EDCA服務差別。我們已經使用其它已知模型驗證我們的802.11e實施方式。在表1列出仿真無線網絡的缺省特征。
表1.仿真參數設置

表2.應用概況和特征

在我們的網絡配置中，我們假設每個節(jié)點僅與一個流相關，并保持均勻地分布在300m×300m區(qū)域內即接入點范圍內的固定位置上。為了生成不同類型的應用業(yè)務，由來自視頻軌跡的信息指導，我們使用Opnet應用和概況配置設置分組大小和分組間間隙。對于VBR視頻源模型，我們合并使用從http://trace.eas.asu.edu/上的“Video traces for network performanceevaluation”收集的H.263視頻流的各種分組軌跡。表2總結在我們的評估內使用的各種應用概況。
HCCA分配的評估在評估我們推薦的自適應之前，我們開始于說明當前用于VBR業(yè)務的HCF調度策略的限制。為了比較算法的性能，我們使用延遲作為服務質量(QoS)的量度。我們首先評估使用HCCA參考調度器由CBR和VBR實時流經歷的延遲內的差別。
圖10(a)和10(d)圖示剩余隊列累積和由CBR(Video1_CBR)流經歷的延遲。注意到對于CBR流，經歷的延遲很低，和恰好在期望延遲限制(120ms)內。然而，對于VBR流，該流經歷高隊列累積和延遲，如在圖10(b)和10(e)內圖示的。
已經圖示了參考調度器的限制，我們評估在上述情況下HCCA流上的算法性能。圖10(c)和10(f)分別圖示使用HCCA內的算法時間分配的經歷時延和隊列大小。如從圖中可以看出的，所推薦的算法可以顯著地降低HCCA流經歷的延遲。所觀察到的在這種情況下的延遲降低是由于將HCCA周期的剩余時間重新分配給VBR業(yè)務流。通過降低VBR流的延遲的隊列累積，該算法可以避免超過最大延遲和降低該流經歷的分組損失。
接著，我們評估我們的自適應算法在具有不同可變性的VBR流上的應用。為了此評估，我們查看不同的Video1_VBR流序列，和觀察使用和不使用我們的自適應框架由流經歷的平均延遲。表3圖示我們的評估結果。對于每個視頻序列，我們報告數據速率的平均和標準偏差、有和沒有我們的自適應所經歷的延遲。
表3.視頻可變性對自適應的影響

可以從表格中看出所推薦的自適應能夠顯著地降低在所有情況下的時延。需要注意的一件事是視頻可變性不能僅僅由其標準偏差給出。在剩余隊列長度累積方面，視頻的重要特征是臨時可變性。注意對于Video1_1，其中標準偏差小于其它視頻，沒有自適應的經歷時延依然很大。更接近地查看這些流的分組概況，我們可以看出這些視頻流的臨時可變性(突發(fā)性)能夠顯著地影響時延。分組概況表示一些視頻，例如Video1_2，具有略高的標準偏差，但是可變性很好地分布在仿真時間上，避免顯著的隊列累積和很好的時延。此外，在該評估內，我們已經假設對于給定服務間隔內的每個流，允許至少一個附加輪詢。我們相信通過允許每服務間隔多于一個輪詢，能夠改善自適應的影響，能夠適當地配置這個參數以支持具有廣泛變化數據要求的業(yè)務流。
表4.自適應對HCCA VBR流的平均吞吐量和延遲的影響

現(xiàn)在我們查看當存在多個VBR流時自適應的影響。我們考慮一個CBR流(Video2_CBR)和將具有VBR業(yè)務的HCCA流(Video1_VBR)的數量從一個改變成八個流。表4說明了在所考慮的所有HCCA流上平均的所實現(xiàn)的吞吐量和經歷的時延方面我們的評估結果。由于沒有自適應的VBR流實現(xiàn)的吞吐量內的變化是由于在Opnet仿真內的隨機事件相關變化。使用更長的仿真持續(xù)時間有可能避免這種情況。然而，可以看出使用自適應，在平均吞吐量上的改進主要取決于VBR流的數量，并且隨著同時VBR流數量的增加而降低。例如，隨著節(jié)點數量從一增加到八，自適應影響從64x降低到29x。這主要因為在HCCA周期用于重新分配的可用時間隨著節(jié)點數量增加而降低的事實，因此該自適應算法效率較低。
在EDCA內的流重新分配在HCCA周期具有受限可用時間的情況下，HCCA內流重新分配的效率降低到沒有自適應的情況。在該子部分內，當在HCCA內重新分配不可能和EDCA內的負載能夠支持附加流時，我們查看在我們推薦的自適應內的第二種方法，EDCA映射。對于這些時延，我們考慮三種情況(1)當不使用自適應時(Adapt_None)；(2)當允許在EDCA周期內內發(fā)送所有VBR流時(Adapt_All)；和(3)當允許選定節(jié)點在EDCA內發(fā)送時(Adapt_Select)。對于每種情況，我們觀察使用系數、沖突計數、延遲和被修改的VBR節(jié)點的吞吐量。表5圖示這些參數分別在各種情況下的數值。
在沒有自適應的情況下，可以看出隨著活動節(jié)點數量在EDCA內增加，用成功傳輸所用的時間與在EDCA內可用的時間之比測量的使用率增加，和隨著節(jié)點數量增加而穩(wěn)定化。對應于使用率穩(wěn)定化，隨著活動節(jié)點數量由于基于競爭信道訪問而增加，沖突計數顯著地增加。此外，沒有自適應，VBR流在所有情況下都經受不可接受的延遲和低吞吐量。

已經查看不使用自適應的情況，我們考慮允許在EDCA內發(fā)送需要附加時間的所有VBR流的情況。從該表我們可以看出當在EDCA周期內存在一個至八個節(jié)點的情況下修改VBR流時，使用率量度和沖突計數略微增加。然而，在具有12和16個節(jié)點的情況下，通過使用該自適應而不考慮在EDCA內的負載，VBR流可能不利地影響EDCA使用率。例如，在16個節(jié)點的情況下，使用EDCA映射導致使用系數的降低，從0.400到0.357，在沖突計數內的增加，從13.75至13.9；因此，需要選擇性地確定何時使用EDCA映射。
在我們選定的自適應內，我們使用兩個閾值、沖突計數和使用系數來確定何時使用EDCA周期。我們當前的實施方式使用4的沖突計數閾值，和使用系數閾值固定在0.3，如先前仿真所指導的。在12和16個節(jié)點的情況下，該閾值表示在網絡內的負載很高，自適應策略并不使用EDCA映射計數。當在EDCA內存在很少的節(jié)點內，自適應在每個服務間隔上運行，而對于四個和八個節(jié)點的情況下，選擇性地執(zhí)行自適應；因此，時延高于在ADAPT_ALL情況內的時延，從而避免顯著地影響EDCA內的流。
根據上述實驗，我們已經說明使用兩種技術，在HCCA內時間的重新分配和在EDCA周期內引導的傳輸，自適應框架能夠顯著地降低VBR流經歷的時延。
與靈活HCF的比較除了比較我們的工作與802.11e參考調度器之外，我們還比較所建議的算法與在引用的Ansel等人的公開文獻內推薦的靈活HCF(FHCF)。為了執(zhí)行這個與FHCF的比較，我們在Opnet框架內執(zhí)行該算法，并考慮多種情況。我們重新考慮在表3內使用的情況和評估FHCF算法的性能。在表6內發(fā)現(xiàn)的實驗結果說明使用FHCF由VBR流經歷的時延高于使用我們的自適應。我們相信這是因為業(yè)務流的突發(fā)性，這可能導致FHCF算法過早地縮短TXOP，并導致更高的時延。尤其在Video1_4的情況下，F(xiàn)HCF不能將時延降低到可容忍的閾值之下。
表6.使用FHCF可變性的影響


表7.所推薦的方法與FHCF的比較

在查看使用FHCF一個VBR流如何進展之后，在下一個情況下，我們在四和十六之間改變VBR流數量，和使用類似的業(yè)務概況(Video1_2)。我們將相同的業(yè)務概況用于所有流以仿真在所有流的需求之間存在高相關性時的情況。在表7內總結了結果。為了比較FHCF和我們的自適應，我們考慮這些情況以明確在這兩種方法之間的差別和潛在的優(yōu)點。在四個節(jié)點的情況下，在HCCA內可用的時間足以通過兩種方法協(xié)調可變要求；因此，我們推薦的自適應和FHCF預期將具有類似的性能。然而，我們觀察到我們的自適應比FHCF執(zhí)行的更好，如在早期結果內觀察到的，這是潛在地由于業(yè)務流突發(fā)。在八個節(jié)點的情況下，可用的時間有限，AP必需公平地分配附加傳輸機會。為了實現(xiàn)公平，F(xiàn)HCF在這些流之間均勻地劃分剩余時間。然而，分段的傳輸機會對于流來說可能不足以克服業(yè)務變化性，導致如在表格內觀察到的更高時延?？商娲?，我們推薦的自適應試圖使用循環(huán)方法在多個SI上實現(xiàn)公平。在每個SI內，該算法選擇一組流以根據其預留參數輪詢和分配附加時間。我們相信這種方法導致通過我們的算法的改善時延性能。最后，在十六個節(jié)點的情況下，在HCCA周期內不存在可用時間，因此，F(xiàn)HCF流不能使用它的任一機制來處理在流內的變化性。因為在EDCA內傳輸的附加機會，我們所推薦的自適應更加公平。
我們評估的下一個方面是延遲對由FHCF方法在HCCA周期內調度的其它流的影響。對于該評估，我們觀察一個VBR流(Video1_VBR)和多個CBR流(Video2_CBR)的情況。類似于先前的仿真，VBR流的性能得到改善。然而，對于在VBR節(jié)點之后調度的CBR流，我們觀察到由于自適應在平均延遲內10％的增加。
根據上述分析，Prado的802.11e HCF調度器在支持實時多媒體流方面表現(xiàn)出多個限制。更具體地，參考調度器不能充分地支持具有可變要求或流的多媒體流。在可變流要求的情況下，HCF調度器可能導致很高的時延，不利地影響實時多媒體質量。此外，我們觀察到HCF框架將不同的流映射到不同的媒體訪問模式，其中實時流局限于基于輪詢的機制。上述劃分在繁重HCCA負載的情況下可能導致很差的信道利用率。
當前的動態(tài)自適應監(jiān)視在流要求內變化的每個流的狀態(tài)，動態(tài)地適當關聯(lián)業(yè)務流，配置輪詢調度以允許到滯后流的附加輪詢，和選擇地將實時多媒體流映射到在EDCA內低負載的情況下訪問的EDCA模式。我們的比較評估證明自適應降低了在實時流內觀察到的時延，在時延、多媒體質量和網絡容量方面與其它已知技術相比更加公平。
在開發(fā)這個自適應框架時，我們觀察到在業(yè)務流內的變化可能顯著地增加時延，甚至在預留內的最小變化也可能導致很大的時延。因為AP僅根據預留請求分配時間，這些請求的準確性在維護期望的QoS中很重要。因此，在一些應用中，應當使用預留作為指南，而應當根據所監(jiān)視的流要求動態(tài)地分配附加資源。
上述動態(tài)自適應的實施方式允許(1)將附加時間分配給先前已經在HCCA內分配的選定流；和(2)在HCCA周期結束之后，分配先前已經分配在HCCA周期內與訪問節(jié)點通信和已經完成在HCCA內與接入點的分配通信的選定節(jié)點繼續(xù)與其它節(jié)點競爭地在EDCA周期內與接入點繼續(xù)通信。此外，還可以實施動態(tài)自適應以在某些情況下給EDCA內的通信流分配HCCA內的時間周期，從而當EDCA負載過高時降低整體時延。
圖11A圖示這種特征的一個例子，其中將一開始在EDCA內分配的通信流重新分配給在HCCA內的可用時間周期。因此，將在HCCA周期內的無競爭時間周期分配給選定節(jié)點，其先前已經被分配以在EDCA周期內與接入點通信，從而在已經服務于先前分配給HCCA周期的節(jié)點之后，當在HCCA內存在未用時間內，與接入點通信。
使用這一特征，動態(tài)自適應允許完全利用在HCCA和EDCA內的通信容量以增強QoS。例如，盡管通常將非實時業(yè)務分配給EDCA周期，但是這種業(yè)務并不必然限制于EDCA，當需要時，可以重新分配給HCCA。在存在HCCA內服務的限制流的情況下，根據它們的優(yōu)先級和隊列累積調度網絡內的其它流是有利的。通過有效地使用在HCCA內分配的時間，我們可以改善在EDCA內經歷的時延和節(jié)點吞吐量。為了說明這一限制，我們考慮多個流的情況，在HCCA內四個預先調度和在EDCA內19個流。圖11B圖示通過業(yè)務特征為400kb/s的優(yōu)先級EDCA流實現(xiàn)的吞吐量。注意到盡管其業(yè)務種類優(yōu)先級和HCCA內的可用停滯，由于在EDCA內的高負載，EDCA流經歷低吞吐量。然而，通過動態(tài)地確定允許EDCA流在HCCA內發(fā)送，根據隊列累積和EDCA流的優(yōu)先級，我們證明我們可以增加EDCA流吞吐量，而不影響網絡內的其它流。
為了評估EDCA流的算法性能，我們考慮一種情況，SCENARIO4，其中在HCCA內調度的CBR業(yè)務流的數量固定為四，和EDCA業(yè)務流的數量固定為十。對于這種情況，存在將分配給EDCA業(yè)務流的在HCCA流剩余的時間。由于高網絡負載，EDCA業(yè)務流可能經受隊列累積，導致在吞吐量內的大大降低和延遲增加。因此，在HCCA周期內的EDCA流分配可能在高EDCA負載的情況下是有效的。圖11C圖示所實現(xiàn)的有和沒有自適應的高優(yōu)先級EDCA流的吞吐量。注意到我們推薦的EDCA自適應能夠做得比使用原始HCF分配實現(xiàn)的吞吐量更好。
可以實現(xiàn)當前動態(tài)自適應的其它增強和變化。例如，能夠歸納和增強EDCA負載估計以考慮將特定流映射到EDCA周期的影響。并不假設每個流具有對EDCA周期的類似影響，我們準備根據其業(yè)務規(guī)范理解流的影響。此外，我們將可能增強我們的HCCA重新分配方案以包括擴展所分配的傳輸時間用于附加輪詢的選項。進一步可能的擴展包括在各種視頻和其它實時流上框架的示范，開發(fā)基于模型的調度增強和將移動性和信道狀態(tài)合并在未來版本的我們的自適應方案內。
在所介紹的框架之下，為了未來工作，我們將可能理解在WLAN內行為異常節(jié)點的暗示和開發(fā)資源管理策略以處理這些節(jié)點。感興趣的另一個問題是提供許可控制策略以立即在改善網絡容量同時提供QoS保證的折衷。除了作為QoS量度的時延之外，我們相信將要解決QoS規(guī)定技術對能量消耗的影響。最后，我們計劃實施上述框架和證明在所測試的實際WLAN內的自適應。
在實施中，可以將上述技術和它們的變化實施為計算機軟件指令或固件指令。這種指令可以存儲在帶有一個或多個機器可讀存儲介質的物品內或者存儲在一個或多個機器可讀存儲設備內，所述存儲設備連接到一個或多個計算機或數字處理器，例如數字信號處理器和微處理器。在操作中，由一個或多個處理器執(zhí)行指令以使計算機執(zhí)行所述功能和操作。
僅描述了若干實施方式。然而，根據在此所述內容，其它變化和增強也是可能的。
權利要求
1.一種用于在無線局域網(WLAN)內控制通信的方法，所述無線局域網包括作為通信門戶的接入點和分別與該接入點無線通信的多個無線通信節(jié)點，該方法包括操作該接入點以從節(jié)點接收通信流相關信息；(1)根據利用選定節(jié)點的通信流的屬性，給選定節(jié)點分配無競爭時間周期以允許每個選定節(jié)點在相應無競爭時間周期內在與其它節(jié)點沒有競爭的情況下與接入點通信；和(2)給剩余節(jié)點分配在除了無競爭時間周期之外的時間周期內相互競爭和與接入點通信；在分配之后，在所分配時間周期內的通信過程中監(jiān)視在每個節(jié)點內的通信時延累積以確定是否需要附加時間；當可以獲得該附加無競爭時間時，給需要附加時間的節(jié)點分配附加無競爭時間；和當不能獲得附加無競爭時間時，則指示選定節(jié)點與和接入點通信的其它節(jié)點競爭。
2.如權利要求1的方法，還包括監(jiān)視在相應無競爭周期內在每個選定節(jié)點內的通信時延累積以確定是否需要附加無競爭時間周期；當在選定節(jié)點與接入點通信之后在與接入點的所分配無競爭通信內存在附加時間時，將附加無競爭時間周期分配給原先分配給需要附加時間的無競爭訪問的節(jié)點；和當附加無競爭時間不可用時，允許選定節(jié)點與和接入點通信的其它節(jié)點競爭。
3.如權利要求2的方法，還包括選擇與接入點通信實時通信流的節(jié)點作為選定節(jié)點之一以與接入點通信實時通信流，而不與其它節(jié)點競爭；和在用于節(jié)點的所分配無競爭時間周期結束時，允許該節(jié)點與其它節(jié)點競爭以繼續(xù)與接入點的實時通信流的通信。
4.如權利要求1的方法，還包括監(jiān)視在每個節(jié)點內的通信時延累積，所述每個節(jié)點未選擇以分配無競爭時間周期以與接入點通信，而是分配與和接入點通信的其它節(jié)點競爭；當在選定節(jié)點與接入點通信之后在所分配的與接入點的無競爭通信中存在附加時間時，重新將在沒有與其它節(jié)點競爭的情況下與接入點通信的無競爭時間周期分配給節(jié)點，其中該節(jié)點已經分配了與和接入點通信的其它節(jié)點競爭。
5.如權利要求4的方法，其中將已經分配了與和接入點通信的其它節(jié)點競爭、但是重新分配了在沒有與其它節(jié)點競爭的情況下與接入點通信的無競爭時間周期的節(jié)點與接入點通信非實時通信流。
6.如權利要求1的方法，其中WLAN符合IEEE 802.11e以支持基于混合協(xié)調功能控制信道訪問(HCCA)和優(yōu)先級基于競爭增強分布信道訪問(EDCA)與接入點的基于輪詢的無競爭通信；和其中將每個服務間隔劃分成(1)HCCA周期，其中選定節(jié)點由接入點輪詢，和分配與接入點通信的無競爭時間周期；和(2)分割EDCA周期，其中未選擇在HCCA周期內與接入點通信的其它節(jié)點相互競爭以根據所分配訪問種類與接入點通信。
7.如權利要求1的方法，還包括監(jiān)視在訪問節(jié)點上的業(yè)務負載等級，所述接入點用于競爭與接入點通信的節(jié)點；和當業(yè)務負載允許時，指示選定節(jié)點與和接入點通信的其它節(jié)點競爭。
8.如權利要求1的方法，還包括監(jiān)視在節(jié)點內的合計通信時延累積；和將節(jié)點劃分成用于與接入點無競爭通信的選定節(jié)點和用于與接入點基于競爭通信的剩余節(jié)點以降低合計通信時延累積。
9.如權利要求1的方法，還包括給每個節(jié)點分配基于優(yōu)先級訪問種類之一以在除了無競爭時間周期之外的時間周期內相互競爭，和根據所分配的基于優(yōu)先級的訪問種類，允許每個節(jié)點與接入點通信。
10.一種在符合IEEE 802.11e的無線局域網(WLAN)內控制通信以支持根據混合協(xié)調功能控制信道訪問(HCCA)和基于優(yōu)先級競爭的增強分布式信道訪問(EDCA)的與WLAN接入點的基于輪詢的無競爭通信的方法，該方法包括將用于與接入點通信的每個業(yè)務間隔劃分成(1)HCCA周期，其中將無競爭時間周期分配給利用接入周期通信的無線通信節(jié)點，以在沒有其它節(jié)點競爭的情況下與接入點通信；和(2)分割EDCA周期，其中無線通信節(jié)點基于所分配的訪問種類與其它節(jié)點競爭以與接入點通信；監(jiān)視在與接入點通信的每個節(jié)點上的通信延遲；監(jiān)視在EDCA周期內與節(jié)點通信的接入點上的業(yè)務負載；根據所監(jiān)視的節(jié)點通信延遲和所監(jiān)視的業(yè)務負載，動態(tài)地控制節(jié)點對接入點的訪問，其中該動態(tài)控制包括下述至少之一(1)給先前已經分配在HCCA周期內與接入點通信的選定節(jié)點分配附加時間；(2)在HCCA周期結束之后，給先前已經分配在HCCA周期內與接入點通信并且已經在HCCA內完成與接入點的所分配通信的選定節(jié)點，分配在EDCA周期內與其它節(jié)點競爭地繼續(xù)與接入點通信；和(3)當在已經服務先前分配給HCCA周期的節(jié)點之后在HCCA周期內尚有未使用的時間時，將在HCCA周期內的無競爭時間周期分配給選定節(jié)點，，以繼續(xù)與該接入點的通信，其中所述節(jié)點先前已經被分配在EDCA周期內與接入點通信。
11.如權利要求10的方法，其中以降低在訪問接入點的WLAN節(jié)點內分組時延的累積利用值的方式執(zhí)行動態(tài)控制。
12.如權利要求10的方法，其中在每個節(jié)點上監(jiān)視通信時延包括監(jiān)視每個節(jié)點的剩余隊列的長度。
13.如權利要求10的方法，其中監(jiān)視在接入點上的業(yè)務負載以在EDCA周期內與節(jié)點通信包括監(jiān)視在EDCA周期內與接入點通信中不同節(jié)點的沖突計數。
14.如權利要求10的方法，其中監(jiān)視在接入點上的業(yè)務負載以在EDCA周期內與節(jié)點通信包括監(jiān)視在EDCA周期內的使用系數。
15.如權利要求10的方法，其中當在EDCA周期內的業(yè)務負載低于閾值時，在HCCA周期結束之后，執(zhí)行分配先前已經分配在HCCA周期內與接入點通信的選定節(jié)點在與其它節(jié)點競爭的情況下繼續(xù)在EDCA周期內與接入點的通信。
16.如權利要求10的方法，其中當在HCCA周期內不存在剩余時間以給選定節(jié)點提供附加時間與接入點通信時，在HCCA周期結束之后，執(zhí)行分配先前已經分配以在HCCA周期內與接入點通信的選定節(jié)點在與其它節(jié)點競爭的情況下繼續(xù)在EDCA周期內與接入點的通信。
17.如權利要求10的方法，其中在將附加時間分配給選定節(jié)點中，在服務于先前已經分配在HCCA周期內與接入點通信的其它節(jié)點之后，分配在HCCA周期內的附加時間，其中所述選定節(jié)點先前已經被分配以在HCCA周期內與接入點通信。
18.一種用于在基于IEEE 802.11e的無線局域網內控制在無線通信節(jié)點和接入點之間通信以支持根據混合協(xié)調功能控制信道訪問(HCCA)和基于優(yōu)先權競爭的增強分布式信道訪問(EDCA)的在節(jié)點和接入點之間的基于輪詢的無競爭通信的系統(tǒng)，包括監(jiān)視模塊，包括HCCA監(jiān)視器和EDCA監(jiān)視器，HCCA監(jiān)視器監(jiān)視HCCA通信流以生成HCCA測量值，EDCA監(jiān)視器監(jiān)視EDCA通信流以生成ECCA測量值；和適配器模塊，響應于HCCA測量值和EDCA測量值，操作以動態(tài)地控制節(jié)點在HCCA和EDCA內與接入點的通信，從而降低由各個節(jié)點的延遲導致的累積通信延遲。
19.如權利要求18的系統(tǒng)，其中適配器模塊操作以將在HCCA內的附加時間分配給選定節(jié)點，所述選定節(jié)點先前已經被分配在HCCA內與接入點通信。
20.如權利要求18的系統(tǒng)，其中適配器模塊操作以分配選定節(jié)點在與其它節(jié)點競爭中在EDCA內與接入點繼續(xù)通信，所述選定節(jié)點先前已經被分配以在HCCA內與接入點通信和已經完成在HCCA內與接入點的所分配通信。
21.如權利要求18的系統(tǒng)，其中適配器模塊操作以當在已經服務于先前分配給HCCA的節(jié)點之后在HCCA內不存在未使用時間時，將在HCCA內的無競爭時間周期分配給選定節(jié)點以繼續(xù)與接入點的通信，所述選定節(jié)點先前已經被分配以在EDCA內與接入點通信。
22.如權利要求18的系統(tǒng)，其中HCCA測量值包括基于通信流的平均剩余隊列大小和剩余隊列變化和混合協(xié)調功能(HCF)停滯的HCCA流統(tǒng)計加權。
23.如權利要求18的系統(tǒng)，其中EDCA測量值包括基于通信流的平均剩余隊列大小和數據速率以及在EDCA內的使用因子和沖突因子的EDCA流統(tǒng)計加權。
全文摘要
設計以動態(tài)地控制在無線局域網(WLAN)內在無線設備和接入點之間的通信以增強服務質量(QoS)的技術和系統(tǒng)。所描述的技術和系統(tǒng)可以被實施以進一步增強基于IEEE 802.11e的WLAN內的QoS。
文檔編號H04L12/28GK101048977SQ200580037288
公開日2007年10月3日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權日2004年10月28日
發(fā)明者內奧姆·拉莫斯, 德巴士·帕尼格拉希, 舒伊特·戴伊 申請人:加利福尼亞大學董事會