本發(fā)明涉及低頻段、低功耗的ieee802.11ah無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)，具體涉及無線局域網(wǎng)的限制接入窗口分配及信道接入方法。

背景技術(shù)：

ieee802.11ah無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍達(dá)1km，可支持8,000多個(gè)節(jié)點(diǎn)接入，是支撐智能電網(wǎng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)。ieee802.11ah無線局域網(wǎng)的媒體接入層在dcf(distributedcoordinationfunction)機(jī)制中引入了限制接入窗口技術(shù)。如圖1所示，通過對節(jié)點(diǎn)分組，ap根據(jù)分組個(gè)數(shù)將單個(gè)信標(biāo)時(shí)間間隔均分為持續(xù)時(shí)間(duration)相等的限制接入窗口，節(jié)點(diǎn)在所屬分組的限制接入窗口中競爭接入信道。

在本發(fā)明作出之前，該方法對所有分組分配相等的信道資源，即持續(xù)時(shí)間相等的限制接入窗口，忽略了分組流量的差異，引起了分組間信道資源分配的不均衡：流量密集的分組由于信道資源緊缺引起節(jié)點(diǎn)接入信道的激烈競爭；流量稀疏的分組則會產(chǎn)生較長時(shí)間的空閑信道，導(dǎo)致信道資源浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服上述缺陷，研制無線局域網(wǎng)的限制接入窗口分配及信道接入方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

無線局域網(wǎng)限制接入窗口分配及信道接入方法，其主要技術(shù)特征在于步驟如下：

(1)ap以單個(gè)信標(biāo)時(shí)間間隔為單位估測各分組的ps-poll控制幀流量和上下行鏈路數(shù)據(jù)流量；

(2)節(jié)點(diǎn)發(fā)送ps-poll幀時(shí)將緩存的數(shù)據(jù)流預(yù)計(jì)占用信道的時(shí)間值存儲于ps-poll幀；

(3)ap根據(jù)接收到的ps-poll幀獲取當(dāng)前信標(biāo)時(shí)間間隔上各分組中的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)的上行鏈路流量；

(4)ap根據(jù)自身隊(duì)列的緩存估測分組的下行鏈路流量；

(5)ap根據(jù)信道出錯(cuò)率建立信道出錯(cuò)率與重傳輸引起的額外流量間的比率關(guān)系；

(6)ap為各分組分配限制接入窗口，限制接入窗口的持續(xù)時(shí)間包括ps-poll幀產(chǎn)生的控制流、節(jié)點(diǎn)發(fā)送/下載數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生的上下鏈路流量，以及節(jié)點(diǎn)/ap發(fā)送失敗進(jìn)行重發(fā)送時(shí)產(chǎn)生的額外流量。

所述步驟(3)-(6)中，ap根據(jù)分組流量自適應(yīng)地分配限制接入窗口。

所述步驟(6)中，限制接入窗口進(jìn)一步分為控制流窗口、上行流窗口和下行流窗口。

所述節(jié)點(diǎn)在控制流窗口中基于dcf方式競爭接入信道發(fā)送ps-poll幀，ap根據(jù)收到的ps-poll幀估測活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)和上行鏈路流量；在上行流窗口，緩存上行鏈路流量的節(jié)點(diǎn)以dcf方式接入信道向ap發(fā)送數(shù)據(jù)幀；在下行流量窗口，ap根據(jù)緩存中數(shù)據(jù)幀存儲時(shí)間的長短依次將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于提升了信道利用率：ap能夠?qū)Ω鞣纸M的流量進(jìn)行相對準(zhǔn)確的估測，并根據(jù)分組流量自適應(yīng)地分配限制接入窗口；其次，本發(fā)明可有效地緩解競爭沖突：ap對控制流量、上行流量、下行流量分配了不同的信道接入時(shí)間，消除了控制幀的傳輸對數(shù)據(jù)幀的影響，緩解了上行流量和下行流量之間的競爭引起的信道資源不均衡問題；最后，本發(fā)明提出的方法基于802.11ah技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可直接部署在基于該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品上。

附圖說明

圖1——本發(fā)明之前現(xiàn)有為802.11ah標(biāo)準(zhǔn)中限制接入窗口的分配方法示意圖。

圖2——本發(fā)明ps-poll幀的構(gòu)造示意圖。

圖3——本發(fā)明實(shí)例的流量感知的限制接入窗口分配方法及基于此的節(jié)點(diǎn)與ap相互通信的過程示意圖，其中ps-poll幀上面的數(shù)字表示節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)幀占用信道的時(shí)長。

圖4——本發(fā)明實(shí)例分組1中的節(jié)點(diǎn)接入信道過程。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

本發(fā)明的技術(shù)思路是：

本發(fā)明中ap以信標(biāo)時(shí)間間隔為單位估測各分組的上下行鏈路流量，在此基礎(chǔ)上分配限制接入窗口。限制接入窗口的持續(xù)時(shí)間包括ps-poll幀產(chǎn)生的控制流、節(jié)點(diǎn)發(fā)送/下載數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生的上下鏈路流量，以及節(jié)點(diǎn)/ap發(fā)送失敗進(jìn)行重發(fā)送時(shí)產(chǎn)生的額外流量。其中，控制流可根據(jù)活躍節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)結(jié)合ps-poll幀的幀長得到，上行鏈路流量的估測方法如下：

節(jié)點(diǎn)在發(fā)送ps-poll幀時(shí)將數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)占用信道的時(shí)間值存儲在ps-poll幀，ap根據(jù)ps-poll幀獲取分組中的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)的上行鏈路流量，在此基礎(chǔ)上估測分組的上行鏈路流量。如圖2所示，本發(fā)明利用ps-poll幀的duration字段存儲節(jié)點(diǎn)估測上行流量占用信道的時(shí)長。

對于下行鏈路流量ap可根據(jù)自身的緩存狀況獲取。為了對重發(fā)送引起的額外流量進(jìn)行估測，本發(fā)明利用數(shù)學(xué)方法建立了信道出錯(cuò)率與額外流量間的比率關(guān)系。

基于上述方法ap對當(dāng)前信標(biāo)時(shí)間間隔上各分組的流量進(jìn)行了較為準(zhǔn)確地估測，后續(xù)限制接入窗口的值可根據(jù)流量估測結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)地分配，因此有效提升了信道利用率。

ap進(jìn)一步將限制接入窗口分為控制流窗口、上行流窗口和下行流窗口。節(jié)點(diǎn)在控制流窗口中基于dcf方式競爭接入信道發(fā)送ps-poll幀，控制流窗口結(jié)束后，緩存上行鏈路流量的節(jié)點(diǎn)以dcf方式接入信道向ap發(fā)送數(shù)據(jù)幀。在下行流量窗口，ap根據(jù)緩存中數(shù)據(jù)幀存儲時(shí)間的長短依次將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至節(jié)點(diǎn)。該方法中，為控制流量、上下鏈路流量單獨(dú)分配信道接入時(shí)間，消除了控制流量對數(shù)據(jù)流量占有信道的影響，提升了數(shù)據(jù)流傳輸成功的概率；其次，上、下行鏈路流量基于不同的時(shí)間段接入信道的方法消除了infrastructure無線局域網(wǎng)環(huán)境中下行流量過于密集引起的信道資源使用不均衡的問題。

下面具體說明本發(fā)明。

ap以信標(biāo)時(shí)間間隔為周期對分組進(jìn)行流量估測并分配限制接入窗口，進(jìn)一步將限制接入窗口分為控制流窗口、上行流窗口、下行流窗口。

控制流窗口、上行流窗口、下行流窗口的估測方法如下：

(1)控制流窗口

用preambletime表示節(jié)點(diǎn)發(fā)送前導(dǎo)碼(preamble)需用的時(shí)間，ps-pollsize表示ps-poll幀的字節(jié)數(shù)，basicrate表示控制幀傳輸速度，ackrate表示傳輸ack幀的速度，sifs表示短幀間間隔(shortinterframespace)時(shí)間，acksize表示ack幀的字節(jié)數(shù)，r表示重發(fā)送率，基于802.11ah標(biāo)準(zhǔn)得到節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ps-poll需用的時(shí)間tps_poll：

tps-poll＝(2preambletime+ps-poll/basicrate+sifs+acksize/ackrate)×(1/1-r).(1)

對于任意一個(gè)分組k，若分組中有nk個(gè)節(jié)點(diǎn)，可得到該分組的控制流量tcontrol為：

tcontrol＝nk×tps-poll.(2)

(2)上行流窗口

用datarate表示傳輸數(shù)據(jù)幀需用的時(shí)間，其他參數(shù)與公式(1)、(2)一致。根據(jù)802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)向ap發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀并收到ap發(fā)送的ack幀需要的總時(shí)間ti_k為：

ti_k＝(2preambletime+8li_k/datarate+sifs+acksize/ackrate)×(1/1-r)，(3)

其中，li_k表示分組k中的節(jié)點(diǎn)i傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的長度。用ni_k表示節(jié)點(diǎn)i緩存的幀的個(gè)數(shù)，得到節(jié)點(diǎn)i的上行流量spi_exp_k為：

spi_exp_k＝ni_k×ti_k.(4)

用a表示信道出錯(cuò)導(dǎo)致的額外流量(該值可根據(jù)信道出錯(cuò)率自適應(yīng)地調(diào)整)，節(jié)點(diǎn)i向ap預(yù)約的信道資源spi_k_u為：

spi_k_u＝(1+a)×spi_exp_k.(5)

若分組k中共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，則該分組的上行流量是分組中所有節(jié)點(diǎn)上行流量的和加上n個(gè)sifs(節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間有sifs的間隔時(shí)間)。用traw_k_u表示分組k的上行流量得到：

traw_k_u＝sp1_k_u+sp2_k_u+…+spi_k_u…+spn_k._u+nsifs.(6)

(3)下行流窗口

ap根據(jù)自身隊(duì)列的緩存得到各節(jié)點(diǎn)的下行鏈路流量。若ap為分組k中的節(jié)點(diǎn)緩存的下行流量分別為sp1_k_d，sp2_k_d，....spn_k_d，用traw_k_d表示分組k的下行鏈路流量，得到：

traw_k_d＝sp1_k_u+sp2_k_u+…+spi_k_u…+spn_k_u.+nsifs.(7)

ap根據(jù)公式(6)和(7)為分組分別分配上、下行流窗口。在上行流窗口，節(jié)點(diǎn)基于dcf方式競爭接入信道向ap發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在下行流窗口中，ap根據(jù)流量緩存時(shí)間的長短為按次序向節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀。

如圖3所示，假設(shè)ap將節(jié)點(diǎn)分為4組。利用本發(fā)明提出的流量估測方法，ap估測得到各分組的控制流量、上下行鏈路流量，并在此基礎(chǔ)上為分組分別分配限制接入窗口。

對于分組1，如圖4所示，ap將分配到該分組的限制接入窗口進(jìn)一步分為控制流窗口、上行流窗口、下行流窗口。在控制流窗口，節(jié)點(diǎn)a、b、c基于dcf方式競爭接入信道發(fā)送向ap發(fā)送ps-poll幀。由于節(jié)點(diǎn)b、c緩存了上行流量，因此將ps-poll幀的udi字段分別設(shè)置為1，持續(xù)時(shí)間(duration)字段設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)幀所需要占用信道的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)a沒有緩存上行流量，因此將udi的字段值設(shè)為0。ap利用收到的ps-poll幀估測出上行鏈路流量，同時(shí)根據(jù)自身隊(duì)列的緩存估測下行鏈路流量，在此基礎(chǔ)上分配了上行流窗口和下行流窗口。

在上行流窗口，節(jié)點(diǎn)b和c以dcf方式競爭接入信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀，ap收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送的data幀向節(jié)點(diǎn)回應(yīng)一個(gè)ack幀。當(dāng)上行流窗口結(jié)束，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下行流窗口，ap根據(jù)隊(duì)列中data幀緩存時(shí)間的長短將data幀依次發(fā)送給節(jié)點(diǎn)a、b和c，節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀時(shí)向ap回應(yīng)一個(gè)ack幀。