基于分層調度的IEEE802.11ax接入增強方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于分層調度的IEEE 802.11ax接入增強方法，主要解決現有技術接入機制調度中數據等待時間過長的問題，其技術方案是：首先將接入點接收到的數據按照業(yè)務類別進行隊列劃分；然后將每個數據業(yè)務隊列按照數據分組的大小分成n個分隊列，并采用最高響應比優(yōu)先算法進行一級調度；接著將一級調度得到的輸出隊列作為新的數據業(yè)務隊列，再采用載波偵聽多路訪問和沖突避免接入機制CSMA/CA對新的數據業(yè)務隊列進行二級調度；最后將經過二級調度的數據傳輸給一個或幾個用戶，本發(fā)明提高了系統(tǒng)吞吐量，降低了數據包的等待時間，可用于多個用戶共享從網絡層接收到的數據信息。
【專利說明】
基于分層調度的IEEE802.11 ax接入増強方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術領域，更進一步設及一種基于分層調度的IE邸802.1 lax接 入增強方法，可用于多個用戶共享從網絡層接收到的數據信息。
【背景技術】
[0002] 為了在多個用戶共享資源的條件下有效地進行通信，就需要有某種機制來決定資 源的使用權，運就是多址接入機制。接入機制可W采用傳統(tǒng)的時分多址，頻分多址，碼分多 址，空分多址接入方式。由于固定接入方式對信道資源過于浪費，16邸802.11中多采用隨機 接入方式，基于沖突避免的載波偵聽多路訪問方式和通過接入點AP集中調度的接入方式。 隨著無線網絡的發(fā)展，如何結合高密度，快速性的特點，找到一種適用于IE邸802. llax的 無線接入方法是一個亟待解決的技術問題。
[0003] 中國科學技術大學擁有的專利技術"一種基于概率的多優(yōu)先級隊列調度方法"（授 權公告號CN 102098217 B，申請?zhí)?01110008627.8)公開了一種基于概率的多優(yōu)先級隊列 調度方法。該方法采用多個邏輯或物理隊列實現多優(yōu)先級，通過檢查隊列是否為空隊列，對 非空隊列采用概率生成器隨機生成概率函數值，調度器對概率函數值所在的隊列數據分組 進行調度，實現了調度的公平性，對于空隊列，調度器先將空隊列的概率區(qū)間值配給非空隊 列，然后再進行調度，實現了帶寬借用。但該方法只按照優(yōu)先級進行了隊列劃分，沒有考慮 同一優(yōu)先級隊列中數據包長短對調度時間的影響，同時該方法采用了概率生成器和調度 器，實現復雜。
[0004] 尹德斌，謝劍英在其發(fā)表的論文"一種新的加權公平隊列調度算法"（計算機工程， 2008,34(4) :28-30)中提出一種新的加權公平隊列調度算法，使用服務概率和隨機數實現 加權公平調度，解決了傳統(tǒng)加權公平排隊調度算法和加權循環(huán)調度算法中數據包的權重參 數計算復雜的問題，同時使用自適應服務概率計算解決了數據包變長度帶來的不公平性。 該方法首先采用事件觸發(fā)方式計算隊列的平均長度，然后使用數據包平均長度估計值進行 服務概率計算，極大地簡化了服務概率函數的計算，通過服務概率函數體現不同業(yè)務流的 權重，實現加權服務，從而避免了大多數加權隊列調度算法中需要跟蹤計算各個業(yè)務流權 重變化的問題，但該方法中沒有細分隊列，沒有考慮長數據包持續(xù)傳輸造成短數據包長時 間等待的問題。
[0005] 李文杰，劉斌在其發(fā)表的論文"輸入排隊中搶占式的短包優(yōu)先調度算法"（電子學 報，2005,33(4):577-583)中通過對Internet業(yè)務特征進行分析，設計了一種低復雜度搶占 式交換結構，并提出了相應的搶占式短包優(yōu)先調度算法，解決長包信元的連續(xù)傳輸造成短 包長時間等待的問題。該方法根據Internet中短包的特點：數量多但到達率低，調度算法將 短包緩存到一個獨立的先到先服務隊列中，然后通過中斷長包傳輸來優(yōu)先傳送短包，降低 了所有包的平均包等待時間，提高了系統(tǒng)吞吐量，但該方法沒有考慮短數據包持續(xù)傳輸造 成長數據包長時間等待的問題。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的不足，提出一種基于分層調度的IEEE 802. llax接入增強方法，W減小數據包接入時延，保證數據包接入的公平性，提高接入性 能。
[0007] 本發(fā)明的思路是:在基于數據業(yè)務分類的基礎上，充分考慮數據包的長短對數據 包接入信道的影響，按照數據分組長短對數據業(yè)務隊列進行二次隊列劃分，并采用分層調 度的方法，采用最高響應比優(yōu)先算法進行一級調度，計算并分析調度算法的公平性指數;在 數據業(yè)務類別的二級調度中，采用基于載波偵聽的競爭接入方式，二級調度方式有效提升 了接入機制的性能。其實現方案如下：
[0008] (1)發(fā)起信道接入:每一個接入點AP，將收到的網絡層接口包，按數據業(yè)務類別進 行分類；
[0009] (2)將按業(yè)務類別分類的數據包采用丟尾方式組成數據業(yè)務隊列；
[0010] (3)將每個數據業(yè)務隊列按照數據分組的大小分成η個分隊列；
[0011] (4)對每個數據業(yè)務隊列中的η個分隊列進行一級調度：
[0012] (4a)讀取每個分隊列的第一個數據分組并記錄數據分組長度；
[0013] (4b)采用香農公式，計算數據分組的傳輸速率R;
[0014] (4c)計算第k個數據分組的傳輸時間閑=^，其中，Uk)表示第k個數據分組 蚊 長度；
[001引（4d)計算第k個數據分組的等待時間：Tw化）=η*Τι，其中，η表示已接入的數據分組 個數，Τι表示傳輸一個數據分組需等待的時間，Ti = T(AIFS)+T(ACK)，其中，T(AIFS)表示仲 裁帖間隔，T (ACK)表示確認帖間隔；
[0016] (4e)計算第i個分隊列中第k個數據分組的接入響應比:巧的=引節(jié);的巧中， Tt化)表示第k個數據分組的傳輸時間，Tw化)表示第k個數據分組的等待時間；
[0017] (4f)倉幡一個空的變長隊列作為輸出隊列，比較各分隊列接入響應比Pi(k)并將 接入響應比最大的數據分組移到變長隊列；
[0018] (4g)判斷各分隊列是否非空，若是，返回步驟(4a)，否則，將步驟(4f)中的輸出隊 列作為新的數據業(yè)務隊列；
[0019] (5)采用載波偵聽多路訪問和沖突避免接入機制CSMA/CA，對得到的新的數據業(yè)務 隊列進行二級調度；
[0020] (6)結束信道接入:將經過二級調度的數據傳輸給一個或幾個用戶。
[0021 ]本發(fā)明與現有技術相比，具有W下優(yōu)點：
[0022] 第一，由于本發(fā)明將每個數據業(yè)務隊列按照數據包長短進行隊列劃分，克服了現 有技術中沒有考慮短包接入不公平的問題，使得本發(fā)明在接入信道時時延更低，提高了數 據包的公平性且減小了數據包的網絡時延。
[0023] 第二，本發(fā)明在考慮短包接入不公平的前提下，綜合考慮長包等待時間對數據包 接入的影響，避免了造成一直有短數據包接入造成長數據包饑餓問題，有效提高了長短數 據包總的公平性，降低了網絡時延。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的使用場景圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明的實現流程圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明中對分隊列進行一級調度的示意圖。
[0027] 圖4為本發(fā)明中對數據業(yè)務隊列進行二級調度的示意圖。
【具體實施方式】
[0028] W下結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細描述；
[0029] 參照圖1，在無線通信場景中，有許多位置未知、隨機分布的、并且可W運動的節(jié) 點，運些節(jié)點通過無線接入點AP實現無線網絡的接入。無線接入點AP是無線局域網的中屯、 點，它可W是一個固定節(jié)點，也可W是一個移動節(jié)點。無線接入點AP為處在其節(jié)點傳輸半徑 R內的節(jié)點發(fā)送數據信息，其中，數據信息包括語音信息，視頻信息，盡力而為數據信息和后 臺服務數據信息。
[0030] 參照圖2,本發(fā)明具體實施步驟如下：
[0031] 步驟1，發(fā)起信道接入。
[0032] 每一個接入點AP，將MAC數據業(yè)務層收到的網絡層接口包，按數據業(yè)務類別分類， 即將數據業(yè)務分為語音、視頻、盡力而為和后臺業(yè)務運四種類別；
[0033] 所述四種數據業(yè)務接入類別的優(yōu)先級由參數仲裁帖間隔AIFS、發(fā)送機會限制 TX0P、最小競爭窗口 CWmin、最大競爭窗口 CWmax決定。
[0034] 仲裁帖間隔AIFS，是指檢測信道是否空閑的固定時隙，AIFS = AIFSN相SlotTime+ aSIFSTime，其中，AIFSN表示仲裁帖間隙數，aSlotTime表示一個時隙的時間，aSIFSTime表 示一個短帖間隔。針對不同數據業(yè)務可W設置不同的空閑等待時長，AWS數值越大，用戶的 空閑等待時間越長，等待時間越短則接入信道的優(yōu)先級越高。
[0035] 發(fā)送機會限制TX0P，定義一次發(fā)送數據的最大長度，是指用戶一次競爭成功后，可 占用信道的最大時長。其數值越大，用戶一次能占用信道的時長越大，如果為0,則每次占用 信道后只能發(fā)送一個數據報文，如果一個帖太大導致不能在一個TX0P內發(fā)送完畢，則必須 分片。
[0036] 最小競爭窗口 CWmin，是指站點退避時可W選擇的最小隨機數。
[0037] 最大競爭窗口 CWmax，是指站點退避時可W選擇的最大隨機數。
[0038] 最小競爭窗口 CWmin和最大競爭窗口 CWmax決定了平均退避時間值，運兩個數值越 大，用戶的平均退避時間越長，接入優(yōu)先級越低。
[0039] 步驟2,將按業(yè)務類別分類的數據包采用丟尾方式組成數據業(yè)務隊列。
[0040] 丟尾方式是指當接收的數據分組長度超出了隊列能夠緩存數據的長度時，則丟掉 超出隊列長度的數據分組。
[0041] 步驟3,將每個數據業(yè)務隊列按照數據分組的大小分成η個分隊列。
[0042] 將每個數據業(yè)務類別分為η個隊列，假設其中隊列1表示數據分組大小低于100字 節(jié)，隊列2表示數據分組大小介于100~2000字節(jié)，隊列η表示數據分組大小超過10000字節(jié)。
[0043] 步驟4,對每個數據業(yè)務隊列中的η個隊列進行一級調度。
[0044] 參照圖3,本步驟的具體實現如下：
[0045] (4a)調度每個數據業(yè)務隊列中的η個分隊列，讀取每個分隊列的第一個數據分組；
[0046] (4b)判斷分隊列是否非空，若是，執(zhí)行步驟(4c)，否則，不選取該分隊列中的數據 分組；
[0047] (4c)計算第一個數據分組的如下參數：
[004引（4cl)采用香農公式，計算數據分組的傳輸速率R:K = rigfl + ^]，其中，R表示數據 V丄乂 J 分組的傳輸速率，W表示數據分組的傳輸帶寬，lg( ·)表示W10為底的對數運算，P表示數據 傳輸功率，N表不信道噪聲功率；
[0049] (4c2)計算數據分組的傳輸時間：/ ，其中，L表示數據分組長度；
[0050] (4c3)計算數據分組的等待時間：Tw=n*Ti，其中，η表示已接入的數據分組個數，Τι 表示傳輸一個數據分組需等待的時間，Ti = T(AIFS)+T(ACK)，其中，T(AIFS)表示仲裁帖間 隔，T(ACK)表示確認帖間隔； T -hT
[0化1 ] (4c4)計算數據分組的接入響應比：A ;
[0052] (4d)創(chuàng)建一個空的變長隊列作為輸出隊列，比較各分隊列接入響應比pi，并將接 入響應比最大的數據分組移到變長隊列；
[0053] (4e)判斷各分隊列是否非空，若是，返回步驟(4a)，否則，將步驟(4f)中的輸出隊 列作為新的數據業(yè)務隊列；
[0054] 步驟5,采用載波偵聽多路訪問和沖突避免接入機制CSMA/CA，對得到的新的數據 業(yè)務隊列進行二級調度。
[0055] 參照圖4,本步驟的具體實現如下：
[0056] (5a)調度AP中四個數據業(yè)務隊列，判斷各數據業(yè)務隊列檢測信道是否空閑，若是， 執(zhí)行步驟(5b )，否則，繼續(xù)進行檢測，直到信道空閑；
[0057] (5b)每個數據業(yè)務隊列等待一個固定帖間隔AIFS，并選擇競爭窗口中的一個隨機 數，后延一個隨機回退時間接入信道，如果兩個或多個數據業(yè)務隊列同時結束隨機回退時 間，則將高優(yōu)先級數據業(yè)務接入信道，并對低優(yōu)先級數據業(yè)務隊列的競爭窗口加倍，W使其 競爭下一次信道接入。
[005引步驟6，結束信道接入:將經過二級調度的數據傳輸給一個或幾個用戶。
[0059] W上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，顯然對于本領域的專業(yè)人員來說，在了解 了本
【發(fā)明內容】
和原理后，都可能在不背離本發(fā)明發(fā)明原理、結構的情況下，進行形式和細節(jié) 上的各種修正和改變，但是運些基于本發(fā)明思想的修正和改變仍在本發(fā)明的權利要求保護 范圍之內。
【主權項】
1. 基于分層調度的IEEE 802.1 lax接入增強方法，其步驟包括如下： (1) 發(fā)起信道接入:每一個接入點AP，將收到的網絡層接口包，按數據業(yè)務類別進行分 類； (2) 將按業(yè)務類別分類的數據包采用丟尾方式組成數據業(yè)務隊列； (3) 將每個數據業(yè)務隊列按照數據分組的大小分成η個分隊列； (4) 對每個數據業(yè)務隊列中的η個分隊列進行一級調度： (4a)讀取每個分隊列的第一個數據分組并記錄數據分組長度； (4b)采用香農公式，計算數據分組的傳輸速率R; (4c)計算第k個數據分組的傳輸時間其中，L(k)表示第k個數據分組長 R 度； (4d)計算第k個數據分組的等待時間：Tw(k) =η*Τι，其中，η表示已接入的數據分組個 數，h表示傳輸一個數據分組需等待的時間，TizTUlFSHTUCK)，其中，T(AIFS)表示仲裁 幀間隔，T (ACK)表示確認幀間隔； (4e)計算第i個分隊列中第k個數據分組的接入響應比：P摩其中，Tt(k) Tt(k) 表示第k個數據分組的傳輸時間，Tw(k)表示第k個數據分組的等待時間； (4f)創(chuàng)建一個空的變長隊列作為輸出隊列，比較各分隊列接入響應比Pi(k)并將接入響 應比最大的數據分組移到變長隊列； (4g)判斷各分隊列是否非空，若是，返回步驟(4a)，否則，將步驟(4f)中的輸出隊列作 為新的數據業(yè)務隊列； (5) 采用載波偵聽多路訪問和沖突避免接入機制CSMA/CA，對得到的新的數據業(yè)務隊列 進行二級調度； (6) 結束信道接入:將經過二級調度的數據傳輸給一個或幾個用戶。2. 根據權利要求1所述的基于分層調度的IEEE 802.1 lax接入增強方法，其特征在于， 步驟（1)所述的數據業(yè)務類別包括:語音業(yè)務、視頻業(yè)務、盡力而為業(yè)務和后臺業(yè)務，這些業(yè) 務的優(yōu)先級由高到低排列。3. 根據權利要求1所述的基于分層調度的IEEE 802.1 lax接入增強方法，其特征在于， 步驟(2)所述的丟尾方式，是指當接收的數據分組長度超出了隊列能夠緩存數據的長度時， 則丟掉超出隊列長度的數據分組。4. 根據權利要求1所述的基于分層調度的IEEE 802. llax接入增強方法，其特征在于， 步驟(4b)所述的香農公式如下： i? = rig卜訇 其中，R表示數據分組的傳輸速率，W表示數據分組的傳輸帶寬，lg( ·)表示以10為底的 對數運算，P表示數據傳輸功率，N表示信道噪聲功率。5. 根據權利要求1所述的基于分層調度的IEEE 802.1 lax接入增強方法，其特征在于， 步驟(6)中采用載波偵聽多路訪問和沖突避免接入機制CSMA/CA對新的數據業(yè)務隊列進行 二級調度，按如下步驟進行： (6a)各數據業(yè)務隊列檢測信道是否空閑，若是，執(zhí)行步驟(6b)，否則，繼續(xù)進行檢測，直 到信道空閑； (6b)每個數據業(yè)務隊列等待一個固定幀間隔AIFS，并選擇競爭窗口中的一個隨機數， 后延一個隨機回退時間接入信道，如果兩個或多個數據業(yè)務隊列同時結束隨機回退時間， 則將高優(yōu)先級數據業(yè)務接入信道，并對低優(yōu)先級數據業(yè)務隊列的競爭窗口加倍，以使其競 爭下一次信道接入。
【文檔編號】H04W74/08GK105873233SQ201610187164
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】陳晨, 項紅玉, 任智源, 趙力強, 李紅艷, 侯蓉暉
【申請人】西安電子科技大學