实现无线局域网的实时性和QoS的方法和装置

摘要

一种实现无线局域网的实时性和QoS的方法，其特征在于，在IEEE802.11的MAC层之上加一个QoS中间层，该层由软件实现；该QoS中间层对业务提供实时性和QoS。该QoS中间层是IEEE802.11的MAC层之上的软件实现，不改变IEEE802.11的协议，适用于现有的IEEE802.11协议，也适用于将来IEEE802.11的改进。适用于现有的IEEE802.11产品，体现出良好的兼容性和适应性。原有的IEEE802.11协议体系优先级区分功能很弱，仅仅定义了实时性(非竞争)和竞争两种业务，对于实时性业务没有进一步区分优先级。而越来越多的应用要求对于业务进行进一步优先级标识，本发明对实时性业务提供优先级区分服务，以提供更好地区分服务。

说明书

技术领域

本发明涉及无线局域网，尤其涉及无线局域网的实时性和QoS保障。

背景技术

随着微电子和无线通信技术的发展，无线局域网(WLAN)越来越受到人们重视，特别是1997年无线局域网国际标准IEEE802.11(IEEE Std 802.11-1997 Information Technology-telecommunications And Information exchange Between Systems-Local And Metropolitan Area Networks-specific Requirements-part 11：Wireless Lan Medium Access Control(MAC)AndPhysical Layer(PHY)Specifications.)获得通过，促进了无线局域网络的快速发展。无线局域网络不受电缆束缚，可移动，能解决有线网络中布线困难等带来的问题，并且有组网灵活，扩容方便，应用范围广等诸多优点，取得了广泛的应用。

对于网络业务特性进行分析，有如下三种不同的业务。第一类是突发性实时业务，如错误指示告警、家庭网络中的实时控制指令、或者实时性数据重传等，这类实时数据的产生难以进行预测，和系统的实际运行状况有关，出现的时间不确定，它要求信息能够尽可能快地传递给目的节点，允许的时延通常很小，而且信息不能丢失，通常这种数据的优先级最高。第二类是周期性实时业务，如数字视频语音业务等，在系统中以一定的周期时间出现，具有可预测性，它对网络传输时延要求往往比突发性实时业务低，甚至在信道忙时可以容忍部分信息丢失。但是过长的时延或者部分信息丢失将直接影响业务的质量，通常情况下周期性实时业务的优先级低于突发性实时业务，不同的周期性实时业务也有优先级区分。以上两类数据都具有时间约束性，称为实时数据，这类数据自源节点生成之时起必须在规定时间内传送到目的节点，否则视为丢失或呈现为无用数据。第三类是非实时业务，例如普通的Internet业务等，这类业务的传输对于时间没有特殊要求，优先级最低。WLAN的QoS策略中很重要的一点是要保证业务传输的实时性和优先级，针对不同类型的业务应该有相适应的策略来对应。

IEEE802.11有两种介质访问控制方式：中心协调方式(PointCoordination Function，PCF)和分布协调方式(DistributedCoordination Function，DCF)。在IEEE802.11介质访问控制协议中，时间域被划分为超帧的格式，超帧由无竞争期和竞争期组成，其中无竞争期是可选的。在超帧的无竞争期，由中心控制节点(Access Point，AP)进行轮询，某一时刻仅允许一个节点发送。而在超帧的竞争期，以竞争接入方式支持异步传输业务。为了支持优先级服务，IEEE802.11以不同的帧间隙区分不同的优先级。优先级高的节点检测到信道空闲后等待较短的时间即可开始发送信号，发送时刻先于其它低优先级节点，其它低优先级节点等待各自规定的信道空闲时间后发现信道上已经有其它信号在传输，于是停止各自的发送尝试，通过这种方法高优先级节点能优先取得信道。IEEE802.11规定了三个级别的帧间隙时间，分别是Shortinter-frame space(SIFS)、Point-coordination functioninterframe space(PIFS)、Distributed coordination functioninterframe space(DIFS)，SIFS是最短的帧间隙，对应需要立即响应的业务，如ACK应答信号等。PIFS对应PCF的接入方式，DIFS对应非实时信号竞争的DCF的接入方式，间隔时间也最长。

中心协调方式(PCF)是IEEE802.11中可选的介质访问控制方法，主要用于实时信号的传输。如图1所示，AP向参与无竞争业务的节点发送询问信号。如果被轮询到的节点有数据要发送，则等待一个SIFS时间间隔后立即将数据发出，否则保持沉默。当AP发出轮询信号后，如果在PIFS时间内没有收到任何响应，那么AP将恢复对信道的控制，发出下一个轮询帧，直至所有参与无竞争传输的节点都被轮询一遍。虽然IEEE802.11宣称可以用中心协调方式提供实时数据传输服务，但是实际应用并不理想。如果把IEEE802.11应用于实时业务传输，所有的实时业务均映射为IEEE802.11中PCF方式的无竞争服务，在超帧的无竞争期由轮询方式分配信道，不同的实时业务不能体现出优先级区别。而且无竞争期中发送数据的节点的个数和占用的时间是不确定的，PCF的传输时间是不可预测的，有可能造成某些业务不在规定的周期、或者最大时延范围之内获得访问控制权。PCF还有其它一些不足，包括轮询机制造成信道轻负载时信号的发送时延较长等。基于这些原因，PCF并没有得到广泛的应用，实际上大部分的制造商都没有在他们的产品中实现这种功能(Principles of Wireless Networks，Kaveh Pahlavan，PrashantKrishnamurthy著，刘剑等译，清华大学出版社，2002.)，也就是说大部分的IEEE802.11产品是仅仅实现了DCF。

分布协调方式(DCF)以竞争方式分配信道，所有的节点都可以自由地竞争信道的访问控制权，其基础是CSMA/CA和随机退避算法，如图2所示。当节点检测到信道空闲且空闲时间大于DIFS时，开始发送数据帧，否则坚持按照退避算法进入退避等待状态。CSMA/CA无法依赖于冲突检测来确定是否传输成功，所以应答确认信号在传输中是十分必要的，如果在规定的时间内，发送节点没有接收到应答帧信号，就认为数据帧丢失并准备重传该数据帧。DCF是一种完全竞争分布式介质访问控制方法，协议简单、灵活、可靠性高，但是没有任何类型的优先级区分，不提供实时性支持。在网络负荷轻的时候，数据帧的冲突比较少，网络传输时延短，体现出良好的性能。但是在网络负荷重的时候，数据帧的冲突重传的可能性增大，大量的带宽资源浪费在信道的竞争和重传上。而且与CSMA/CD不同的是，CSMA/CA无法依赖于冲突检测来确定是否传输成功，当节点发送数据帧之后，即使是信道上已经出现冲突，发送节点也无法知道，只能将整个数据帧发送结束，等到规定的等待时间上限而没有收到应答帧信号才知道有信道冲突。这样信道冲突的时间大大增加，而且对于用于竞争的时延也相应增加了。

从以上描述中可以看出，IEEE802.11对于实时性业务的支持并不好，而且信道负荷重的时候，由于竞争造成信道效率低下。但是随着WLAN的广泛应用，很多应用要求WLAN用有限的带宽提供有更好的实时性和优先级支持，服务质量在802.11网络中显得越来越重要。IEEE提出了802.11e建议标准草案(IEEE Std.802.11e/D3.0，IEEE Draft Standard for Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications，Medium Access Control(MAC)Enhancements for Quality of Service(QoS).)，它为无线设备定义了支持带宽敏感应用的QoS机制。IEEE在802.11e中建议了增强这两种协调模式的功能来支持QoS。原有的IEEE802.11的DCF机制得到增强，即增强型分散协调功能(EDCF)，引入了传输流种类的概念。每个无线节点有8种传输流种类，即优先级。在使用EDCF时，无线节点在检测到空闲状态并等待相应传输流类规定的一段时间后，再发送数据。具有较低优先级传输流的节点必须比那些具有高优先级传输流的节点等待更长的时间后，再接入无线网络。为了减少同一优先级的传输流冲突，在8个优先级之外还有一个额外的控制参数，称为竞争窗口，其长短由一个不断递减的随机数决定。无线节点等待规定的空闲时间间隔后，还必须等待时间长度随机确定的竞争窗口，如果在这段时间内检测到其它节点发送，该节点只好等待下一个信道空闲时段，但决定竞争窗口大小的随机数接着从上次的剩余值减起。EDCF没有提供确定性服务保证，但建立了一种根据传输流种类分配带宽的概率优先机制。另一方面，802.11e定义了混合协议功能(HCF)试图扩展PCF轮询机制。一个混合控制器在竞争期轮询无线节点。轮询赋予一个无线节点一个开始时间和一个最大传输持续期。802.11e给出了初步的无线局域网QoS的解决方案，在实时性和优先级支持方面的到改善，但是EDCF提供只是概率优先级机制，不能提供确定性的优先级保证，而HCF就像现在的PCF一样得到的支持也不多。而IEEE802.11e现在仅仅是一个草案，还没有得到最后的批准，使得支持WLAN的QoS的产品迟迟不能出现。即使是得到批准通过，现存的大量IEEE802.11产品也不支持新的协议，所以当前的问题是如何让当前的WLAN支持QoS，而不用更改现有产品和协议。

发明内容

本发明的目的是实现让当前的WLAN更好地支持QoS，而不用更改现有WLAN产品和协议。

根据本发明，在IEEE802.11的MAC层之上加上一协议层，叫做QoS中间层，该层由软件实现，如图3所示。该层主要目的是解决IEEE802.11实时性业务没有优先级区分、实时性保障不够、重负荷时信道效率低下等问题，即提供有效的QoS机制。QoS中间层对于不同业务实行不同的QoS策略，如图4所示，对于实时业务进行进一步的优先级区分服务；对高优先级的业务提供最大传输时延保障；通过接纳控制限制低优先级的节点接入，从而保证高优先级业务的QoS；根据信道负荷情况错开节点竞争时间或者限制节点的竞争访问，这是一个自适应的策略，能防止信道负荷过重所造成的网络阻塞，使网络的整体性能优化。QoS中间层的实现对于IEEE802.11的MAC层没有任何影响，也就是对于现有的IEEE802.11产品的不需要做任何改动。

本发明是针对现有技术的改进，它提供了一种实现无线局域网的实时性和QoS的方法，其特征在于，在IEEE802.11的MAC层之上加一个QoS中间层，该层由软件实现；该QoS中间层对业务提供实时性和QoS。

通过本发明，

(1)该QoS中间层是IEEE802.11的MAC层之上的软件实现，完全不改变IEEE802.11的协议，适用于现有的IEEE802.11协议，也适用于将来IEEE802.11的改进。完全适用于现在市场上的IEEE802.11产品，体现出良好的兼容性和适应性。

(2)原有的IEEE802.11协议体系优先级区分功能很弱，仅仅定义了实时性(非竞争)和竞争两种业务，对于实时性业务没有进一步区分优先级。而越来越多的应用要求对于业务进行进一步优先级标识，本发明对实时性业务提供优先级区分服务。以提供更好地区分服务。

(3)对于高优先级业务提供最大传输时延保证，特别是在信道负荷重的时候能将信道优先分配给高优先级业务。

(4)提供接纳控制，当节点有周期性实时业务要传输时，需要向AP提出申请，AP根据申请优先级、网络带宽等因素决定是否接纳申请。在网络负荷重的时候，通过接纳控制限制部分优先级低的业务申请，从而保证高优先级业务的QoS。

(5)根据网络信道状况、业务QoS等动态改变接入节点的数目、接入业务种类等，动态自适应改变能及时保证高优先级业务QoS，保证信道高效率。

(6)根据信道变化，限制部分节点的一段时间的竞争，防止信道负荷过重导致阻塞。在轻负荷时候，保持原有的竞争网络的高效率和低时延特性。而在重负荷时候，减少冲突的可能性，提高效率，提高信道的利用率。

附图说明

图1表示IEEE802.11中的中心协调方式(PCF)的介质访问控制方法。

图2表示IEEE802.11中的分布协调方式(DCF)的介质访问控制方法。

图3表示根据本发明的协议层次的示意图。

图4表示根据本发明的QoS中间层结构框图。

图5表示根据本发明的QoS中间层数据包格式。

图6表示根据本发明有PCF支持的Qos中间层周期性实时业务发送过程。

图7表示有PCF支持的Qos中间层突发性实时业务发送过程。

图8表示根据本发明无PCF支持的Qos中间层周期性实时业务发送过程。

具体实施方式

A)、QoS数据包格式

如图5所示，QoS包由包头和数据字段组成，数据包分为两种：控制包和有效数据包，通过包头来区分。控制包用于管理控制等，例如接纳控制等，由QoS层产生和终结。而有效数据包承戴着上层来的有效数据，打包后送给MAC层；同时接收MAC层的数据，解包后送给上层。

B)、针对有PCF支持的IEEE802.11产品

PCF提供了一定的实时性保障，QoS中间层的主要功能是进一步提供优先级区分服务，通过接纳控制限制访问，防止信道负荷过重。QoS中间层将突发性实时业务和周期性实时业务映射到IEEE802.11的MAC层中的超帧的无竞争期传输，将非实时业务映射到IEEE802.11的MAC层中的超帧的竞争期传输。

周期性实时业务

对于周期性实时业务定义给出优先级区分，不同优先级的业务的QoS、时延、周期的要求都不同。周期性实时业务都是映射到MAC层中的超帧的无竞争期传输。对于IEEE802.11来说，映射到超帧无竞争期业务是不加区分，造成某些业务，甚至是高优先级业务，有可能不在规定的周期、或者时延范围之内访问。所以QoS中间层必须提供接纳控制功能。

周期性实时业务发送需要经过申请，申请帧由无竞争期中提出，包括开始时间、优先级、时间周期、最大时延、带宽要求等，然后等待AP的应答。节点只有接到应答的信号后才可以决定开始通信，将周期性实时数据包加上包头送给MAC层，以实时信号准备发送。否则不能向MAC层提交数据，即使上层应用有周期性数据生成，QoS中间层暂时缓冲数据，只有等待一段时间后再申请。

申请帧的包括的字段如下，其中，

开始时间：指示什么时候开始周期性实时业务传输。

优先级：根据业务重要性设定优先级，当信道负荷较重时，AP根据优先级大小和信道负荷决定是否接纳申请。

时间周期：周期性实时业务的数据产生周期。

最大时延：在数据的发送阶段能容忍的最大等待时延。时间周期和最大时延决定了无竞争期和超帧的长度，也就是多少时间轮询一次。

带宽要求：每一个数据包的大小，影响信道占用时间和无竞争期的长短。

AP根据申请的优先级、所需要的带宽、周期、当前的信道状况等，决定是否接纳申请、或者拒绝。基本原则是：在带宽足够的情况下，尽量接纳周期性实时业务的申请；当带宽不够时，比较申请业务的优先级和当前传输业务的优先级，如果申请业务的优先级高那么接纳申请同时中断当前低优先级的传输，以保证有限的带宽服务于高优先级的业务，如果申请业务优先级低那么拒绝接纳。是否接纳的应答信息是在下一个超帧的无竞争期中告诉申请者。AP每启动超帧，都要根据当前申请信息计算在该发送期中要发送的周期信号的开始时刻和结束时刻，相应的应答帧响应时间需要考虑在内，从而决定了超帧的长度和无竞争期的长度。

接纳或者拒绝的过程是动态的，如果带宽不够，比如信道变差、有更高优先级的申请等，AP可以停止当前的连接。同样当信道带宽增加时，又可以随时增加业务。

突发性实时业务

突发性实时业务没有可预测性，无法采用相似的申请机制。突发实时业务一般是短的控制信号等，持续时间较短，但要求的实时性一般很高。对于突发性实时业务映射到IEEE802.11的MAC层中的超帧的无竞争期传输，生成后马上发送。突发性实时业务一般是短帧，对于周期性业务的影响是很小的，而且影响只是局限在一两帧之内。

非实时业务

前面规定了，AP根据周期性实时业务的申请设定超帧长度和无竞争期长度，实际上也就决定了用于非实时业务的无竞争期长度。实际情况下，因为突发性实时业务、或者信道噪音等因素影响，无竞争期可能扩展，导致竞争期缩短。也就是，在保证实时业务传输的前提下，如果还有带宽，就分配给其它用于非实时业务竞争。

C)、针对无PCF支持的IEEE802.11产品

现在大部分IEEE802.11产品没有提供PCF功能，介质访问控制层就是完全竞争，节点之间的关系是完全平等的，其实时性和QoS没有任何保证。竞争性网络在轻负荷时候，带宽效率高，冲突可能性小，时延短，而在重负荷时候，冲突严重，带宽利用率低。所以我们的主要任务是在重负荷的时候，提供接纳控制或者相关调度，限制参与竞争的节点数目，从而减少冲突，将有限的带宽优先用于实时数据的传输。

在AP检测到负荷大，而且冲突多时候，发出控制帧，限制同一时间竞争访问的非实时业务数量。某一时段只有部分节点可以参与非实时业务竞争，参与竞争的节点少了，也就减少了冲突可能。如果负荷相当严重，这个措施的效果可能是所有节点的非实时数据都不能发送，只有实时数据在传输了。如果实时数据的传输仍然导致大量冲突，那么AP发送信号告知部分的优先级低实时数据某些时段停止传输，将信道留给高优先级业务。该方法在DCF的基础上不能提供实时性确保服务，但是能提供一定的优先级区分服务，特别在信道负荷过重时能有效提高信道利用率，防止过多冲突和阻塞。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明作进一步的详细说明。

A)、QoS数据包格式

在该实施例中，包头字段为00，则指示该QoS包是控制包。控制包用于管理控制等，例如接纳控制等，由QoS层产生和终结。

当包头字段为11，则指示该QoS包是有效数据包。而有效数据包承载着上层来的有效数据，打包后送给MAC层；同时接收MAC层的数据，解包后送给上层。

B)、针对有PCF支持的IEEE802.11产品的实施例

周期性实时业务

对于周期性实时业务定义给出优先级区分，P_i(i＝0，1，…n。周期性实时业务都是映射到MAC层中的超帧的无竞争期传输。下面，对照图6来描述周期性实时业务的发送流程。

周期性实时业务到达节点，首先进入QoS中间层的数据缓存区(步骤S100)。周期性实时业务发送需要经过申请(步骤S101)，申请帧由无竞争期中提出，包括开始时间t_start、优先级p_m、时间周期T_p、最大时延T_max delay、带宽要求l_packei等，然后等待AP的应答。

AP维护当前已申请的实时业务的信息和超帧信息。

超帧周期T_frame是AP的一次竞争期和无竞争期时间长度总和，在系统初始化时设定为T_frame0，然后根据实时性周期业务的申请周期不断调整，

调整方法是：

if T_p＜T_frame，则T_frame＝T_p，这样做的目的是超帧的长度不能大于周期性业务的最小周期。

AP维护一个周期业务申请表，也就是所有周期性业务都在AP申请登记。字段包括：

ta_starti，指示一个周期业务i的开始时间。

相应的带宽要求ta_requiementi，包括本身数据包长度，IFS间隔，ACK应答信息等。

时间周期Ta_pi：周期性实时业务i的数据产生周期。

AP收到申请帧后(步骤S200)，需要判断是否接纳该申请。AP对于周期性业务的申请接纳的原则是：在带宽足够的情况下，尽量接纳周期性实时业务的申请(步骤S201)。

>则可以接纳(步骤205)。

否则，流程转到步骤S202，比较新申请业务和原有业务的优先级。

当带宽不够时，比较申请业务的优先级和当前传输业务的优先级，如果申请业务的优先级高那么接纳申请同时中断当前低优先级的传输，以保证有限的带宽服务于高优先级的业务，如果申请业务优先级低那么拒绝接纳。假设周期性实时业务v是当前所有实时周期业务的优先级最低的。

如果，P_m≤P_v，说明是申请业务的优先级不高于当前已申请的业务的优先级，那么AP拒绝接纳(步骤S206)。

否则，如果P_m＞P_v，也就是申请业务的优先级高于当前一个或者若干已申请的业务的优先级。如果， >则中断周期性业务v(步骤S203)，并接纳新的业务(步骤S204)。否则，依次类推比较新业务和其它已申请业务的优先级，直到该新业务被接纳(步骤S204)或者因为优先级不够而被拒绝(步骤S206)。

申请新周期性实时业务的节点判断在规定的时间间隔内是否收到AP的应答帧(步骤S103)。如果没有收到应答帧，则转到步骤S111，等待一段时间间隔，重新开始发送申请帧(步骤S101)。如果在规定的时间间隔内收到应答帧，则转到步骤S104判断是同意还是拒绝接纳，如果AP拒绝接纳，则等待一段时间后(步骤S112)，重新发送申请帧(步骤S101)。否则，流程转到步骤S105，将数据映射成为非竞争周期实时业务，等待AP的轮询信号发送。如果在发送过程中收到AP的中断业务的指示，说明有带宽需要分给更高优先级的业务，流程转到S108，节点停止发送数据，然后等待一段时间(步骤S109)，再申请继续发送(步骤S110)。

接纳或者拒绝的过程是动态的，如果信道变差，用同样的方法可以中断低优先级的业务而保障高优先级业务的传输。同样当信道带宽增加时，又可以随时增加业务。

突发性实时业务

突发性实时业务发送流程如图7描述。当突发性实时业务到达时，数据首先放入缓存区中高优先级队列(步骤S100)，数据映射成为非竞争业务(步骤S101)，等待AP的轮询信号后发送数据帧(步骤S102)。如果在规定的时间间隔内收到应答帧，则流程转到步骤S104，否则转到S101重新开始发送。在步骤S104判断是否是确认应答帧，是则转到步骤S105继续发送，否则转到步骤S101重新发送数据帧。

C)、针对无PCF支持的IEEE802.11产品的实施例

针对实时周期业务的带宽申请和分配都是和上文所述的有PCF支持的周期性实时业务发送流程完全一样，只是AP将时间段分配给不同的节点后，以广播帧的方式通知所有节点，这样其它节点在已保留的时间段内不会发送数据帧，在分配的时间段内只有一个节点在发送，不会导致竞争。

对比图6(有PCF支持)和图8(无PCF支持)，发送节点是步骤S105不同，在规定的时间间隔内将数据帧映射到无竞争期中发送。对于AP来说，增加步骤S205发送广播帧通知节点保留带宽。

突发性实时业务只要到达，放到缓冲区优先级最高队列，以最短时间映射成无竞争期业务发送。

非实时业务竞争剩下的非保留时间段，节点i的业务以Pri概率从缓冲区的队列中映射到无竞争期业务，以1-Pri概率留在缓冲区。

Pr_i＝(1-P_con·)·α_i(t)，其中是权重因子，P_con描述拥塞情况，定义为单位时间内的冲突次数/单位时间内的总发送次数。α_i(t)是和时间相关因子，缺省值是1。

这样，在AP检测到负荷大，而且冲突多时候，AP有两种调节手段。冲突增大导致P_con变大，这样Pri减小，各个节点减少数据帧发送降低冲突。同时，AP给不同节点分配不同α_i(t)，限制同一时间竞争访问的节点数量。某一时段只有部分节点可以参与竞争，参与竞争的节点少了，也就减少了冲突可能。最简单的方法是同一时间段，一半节点的α_i(t)为1，剩下的α_i(T)为0，限制了一半节点参与冲突，但不局限于这种方法。

如果限制了非实时业务参与竞争，信道负荷仍然严重，可以采用同样的方法限制低优先级的周期性业务和低优先级的突发性实时业务参与信道竞争，让出带宽给高优先级业务。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明作出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。