预测设备到无线网络的可能的未来连接的服务质量

摘要

本公开涉及无线网络，并且更具体地，涉及多接入网络。本公开提供一种在无线设备10中用于预测所述无线设备10和一个或更多个无线网络30之间的可能的未来连接的服务质量的方法。例如，可以使用所述预测服务质量做出切换决定。所公开方法包括：检测在所述无线设备10的范围100内的第一无线网络的接入点31。所述方法还包括：确定已经连接到所述接入点的设备11-13的数量；以及基于所确定的已经连接到所述接入点的设备的数量来计算所述预测服务质量。本公开还涉及一种无线设备10和一种计算机程序。

说明书

技术领域

本公开涉及无线网络，并且更具体地，涉及多接入网络。本公开 涉及用于预测无线设备到无线网络的可能的未来连接的服务质量的方 法。本公开还涉及一种被配置为执行所述方法的无线设备。

背景技术

今天的无线设备(例如移动电话)除了蜂窝标准外通常还支持其 他无线技术，例如无线局域网，通常被称为Wi-Fi。作为改善未来网络 的网络容量的手段，Wi-Fi确定为必需的一部分。也就是说，Wi-Fi将 被视为只是另一种无线电接入技术，从而在用户没有注意到服务不再 由3GPP技术(如WCDMA或LTE)承载的情况下进行到Wi-Fi的连接或 切换。

目前这种切换由无线设备控制，而不是网络，因为Wi-Fi网络仍然 没有足够紧密地与使用3GPP技术的蜂窝网络整合在一起。然而，使用 Wi-Fi从用户的角度通常是优选的，因为与它相关的成本更低。因此， 通常只要检测到Wi-Fi网络并且信号强度足够高，便执行到Wi-Fi的切 换。因此，当无线设备在Wi-Fi网络的范围内时，当接收信号强度指示 RSSI足够高时，该无线设备通常(不进行进一步分析)将连接到该无 线网络。

现有技术公布的专利申请文件US2006025149和US2006025151公 开了当连接到第一网络时执行后台扫描来检测第二网络以决定(例如) 对正提供的当前服务水平进行调整还是从第一通信网络的使用切换以 添加或切换到第二通信网络的设备。所引用的现有技术文件 US2006025149指出，在这样的决定中使用的无线性能预测属性可以基 于信噪比(SNR)、帧错误率、通信链路的衰落特性以及吞吐量度量， 这仅举了几个例子。

然而，已经证明，有时可以由无线网络支持的实际性能可能较差， 虽然预测性能是高的。一个示例是所接收的信号具有非常高的电平和/ 或质量，但是用户一旦连接到网络所获得的数据速率非常低。这留给 用户很大的不确定性，因为这时一般在用户界面中显示的信号强度指 示符将不与实际性能对应。因此，无线设备不能避免连接或切换到不 能提供所需性能的无线网络。由于较差的性能，用户往往完全关闭 Wi-Fi，这当然颠覆了Wi-Fi作为改善性能的手段的想法。

发明内容

本公开提供了一种通过确定连接到(例如)无线网络的接入点的 设备的数目来预测到所述无线网络的可能的未来连接的服务质量QoS 的方法。以这种方式，获得有关接入点的负荷和负荷在设备之间的分 布的额外信息，可以使用该额外信息(例如)决定是否连接到网络。

根据一个方面，在无线设备中提供一种用于预测无线设备和一个 或更多个无线网络之间的可能的未来连接的服务质量的方法。所述方 法包括：检测在无线设备的范围内的第一无线网络的接入点。所述方 法还包括：确定已经连接到接入点的设备的数量；以及基于所确定的 已经连接到接入点的设备的数量计算预测服务质量。通过考虑已经连 接到无线网络的设备的数量，可以获得QoS的改善的预测。

根据一个方面，确定连接设备的数量意味着在连接到接入点的设 备进行通信所在的一个或几个信道的模拟域中进行信号分析。这样的 解决方案是简单的，因为它不要求在数字域中对分组进行处理。

根据一个方面，信号分析意味着识别连接到接入点的设备进行通 信所在的一个或几个信道上的不同信号电平(例如功率或幅度信号电 平)的存在。

根据一个方面，确定连接设备的数量意味着对在设备和接入点之 间交换的分组进行分组检查。

根据一个方面，所述方法还包括估计接入点的信道利用率，其中 所估计的信道利用率是计算预测服务质量的步骤的输入，以便根据所 确定的连接到接入点的设备的数量和所估计的接入点的信道利用率来 计算预测服务质量。根据一个示例，估计每个设备的信道利用率，并 且预测服务质量的计算还基于每个连接设备的所估计的信道利用率。 已经证明，连接设备的数量的影响在高负荷或高信道利用率下更高。 因此，考虑到这两个方面的计算可以提供更细粒度的预测。

根据一个方面，所述方法还包括基于预测服务质量决定是否连接 到第一无线网络。根据一个示例性技术，设备连接到第二无线网络， 并且到第一网络的连接意味着到第一无线网络的切换。根据该方面， 本公开提供了一种做出切换决定的改进的方法。

根据一个方面，涉及一种计算机程序，该计算机程序包括当在无 线设备中执行时使无线设备执行上述方法的计算机程序代码。

根据另一个方面，涉及一种被配置为预测无线设备和一个或更多 个无线网络之间的可能的未来连接的服务质量的无线设备。所述无线 设备包括被配置为与所述一个或更多个无线网络的节点进行通信的无 线通信单元。所述无线设备还包括处理器电路，该处理器电路被配置 为检测在无线设备的范围内的第一无线网络的接入点，确定已经连接 到接入点的设备的数量，并且基于所确定的连接到接入点的设备的数 量计算预测服务质量。根据本公开的其他方面，处理器电路还被配置 为执行如以上和以下所述的方法的所有方面和示例。

通过考虑上面的描述，本公开的目的是克服如前所述的已知技术 的至少一些缺点。

附图说明

通过结合附图研究实施例/方面的以下详细描述将更容易理解本 公开，附图中：

图1a到图1d显示了Wi-Fi网络的性能的模拟。

图2示出了在两个无线网络的范围内的无线设备。

图3是示出根据示例性实施例的由无线设备执行的方法的流程图。

图4更详细地示出了确定连接到第一无线网络的设备的数量的步 骤。

图5更详细地示出了计算预测服务质量的步骤。

图6和图7示出了基于针对每个设备所估计的信道利用率预测可能 的未来连接的服务质量的原理。

图8示出了无线设备。

图9示出了在两个无线网络的范围内的无线设备。

应当补充的是，实施例的以下描述仅用于说明的目的，而不应被 解释为将本公开只限制于这些实施例/方面。

具体实施方式

本公开的实施例的一般目的或想法是要解决以上以及以下所述的 现有技术解决方案的一个或更多个缺点。结合附图在下面描述的各种 步骤应主要在逻辑意义上理解，而每个步骤可能涉及根据所使用的实 现和协议传递一个或更多个特定消息。

本技术是基于往往存在过多的具有来自无线网络的高信号强度并 且因此选择连接到特定无线网络的无线设备的假设。这可能导致只可 以支持到特定无线设备非常低的数据速率，尽管信号强度非常高。此 外，使许多设备连接到相同的接入点增加设备之间的冲突和干扰的风 险。

以上场景的典型示例是Wi-Fi网络。Wi-Fi网络使用CSMA/CA(载 波感测多接入/冲突避免)，以确保在任何一个时间只有一个网络节点 进行发送。载波感测意味着每个无线设备在尝试发送之前监听信道。 如果无线设备感测到另一个设备正在发送时，那么它将等待发送。冲 突避免意味着，如果信道被感测为忙，那么设备或站(STA)推迟其 发送。理想情况下，这将确保不发生冲突。然而，存在两个或两个以 上设备感测信道为空闲的并且因此开始发送的小的可能性。当以这种 方式丢失分组时，假设冲突已经发生并且每个节点在再次发送之前等 待随机的时间量。

冲突在CSMA/C网络上是正常的。在协议设计中预期少量的冲突。 然而，如果太多的设备或节点正在CSMA/CA网络上发送，那么冲突的 数量可以上升到不可接受的水平。这会减少网络上的可用带宽的量， 因为带宽的一部分丢失(因为在重传中需要带宽)。

图1a到图1d显示了已经在Wi-Fi网络中执行以研究服务质量参数 如何受附接到无线网络的设备或站(STA)的数量影响的模拟。在模 拟中，也已经对无线网络的总负荷的影响进行了研究。在这些模拟中， 已经通过观察比特率和延迟如何取决于附接的设备的数量和总负荷变 化来估计服务质量。

模拟的是随着连接设备或站STA的数量的变化，一个接入点AP处 的性能。接入点的总支持数据速率取决于具体情况并且受例如连接设 备的数量影响。在这些模拟中，总支持数据速率证明是大约25Mbps。 在这个示例中，STA1是作为连接到网络的候选者的设备。在图1a和图 1b中所示的示例中，已经连接的设备(STA2一直到STAN)的总负荷 为上行链路12.5Mbps和下行链路12.5Mbps。因此，信道利用率在这 种情况下基本上为100％。在这个示例中，STA1的请求数据速率在上 行链路和下行链路两者均为1Mbps。该模拟是针对具有1500字节的分 组的传输控制协议TCP业务进行的。当接入点访问信道时，基于轮循 选择下行链路目的地。不给予接入点优先权。因此，接入点的份额等 于每个STA的份额，即25/(N+2)Mbps。

在图1a和图1c中，y轴表示针对STA1的总支持数据速率，而x轴表 示连接到接入点的设备的数量(STA的总数量)。图1a显示了针对STA1 的所支持下行链路数据速率1(y轴)如何随着连接到接入点的设备的 数量(STA的数量，x轴)而减小。原因是，下行链路的份额随着连接 设备或站的数量而降低。然而，因为不存在所有N+1个STA在所有时 间的数据，增加将不与设备的数量成正比。

相比之下，在这些模拟中，所支持上行链路数据速率2未明显受设 备数量的增加影响。原因是，STA2到STAN并不在所有时间传送其全 比特率，这意味着即使在许多已连接设备的情况下将为STA1提供超 过其份额的份额。如果给予下行链路优先权，那么UL和DL将更平等 地受设备的数量的增加影响。

与此相对应，图1b显示了针对UL和DL传输延迟的累积分布函数 CDF与设备的数量如何相关。在图1b中，x轴表示延迟，而y轴表示CDF。 每一行对应于先前连接设备的数量N。图1b示出了当连接设备的数量N 增加(如箭头所示)时，CDF向较长的传输延迟移动。

另一个示例示于图1c和图1d中。在这个示例中，前提条件是相同 的，所不同的是先前连接的设备的负荷是上行链路10Mbps和下行链 路10Mbps。因此，信道利用率在80％左右的平均水平。图1c显示了当 网络负荷不是100％时，站的数量对所支持下行链路数据速率1的影响 比网络负荷接近100％的示例小。关于图1d中所示的传输延迟可见类似 的效果，图1d中所示的传输延迟受站的数量的影响比图1b的示例小。 一般的结论是，高业务在几个连接设备和接入点的全负荷情况下成问 题。

本公开的实施例一般来说涉及使用CSMA/CA的Wi-Fi网络以及其 中设备正在进行从蜂窝网络(例如LTE网络)到短程网络的切换的情 况。然而，必须理解的是，同样的原理也适用于其中服务质量受到附 接或连接设备的数量影响的任何多接入网络。

在本申请中，通常使用术语无线设备。在本申请中提到的作为在 3GPP规范中使用的术语的无线设备或用户设备UE可以是能够与无线 网络进行通信的任何无线设备。这种设备的示例是移动电话、智能电 话、笔记本电脑以及机器到机器M2M设备等。然而，必须理解，与无 线网络进行通信的能力可以建立在几乎任何设备中，例如汽车、灯柱、 计量器(scale)等等。

本申请中的接入点是指无线网络中的发送和接收数据的设备。接 入点将设备连接到网络内的其他设备并且也可以用作网络和固定有线 网络或其他无线网络之间的互连点。每个接入点可以服务在所定义的 网络区域或范围内的多个设备。小的Wi-Fi网络可能只需要单个接入 点。然而，所需的数量随着网络设备或用户的数量和网络的物理大小 而增加。

本申请中的服务质量是指连接保留所请求的资源的能力。定义分 组交换网络中的QoS的参数通常是比特率、吞吐量、传输延迟、延迟 抖动(例如偏离最小可能的传输延迟)和错误率。

因此，本公开的技术提供了一种基于确定已经附接到无线网络的 设备的数量来预测如果无线设备连接到所述无线网络那么其将得到的 服务质量的方法。一般目的或想法是通过考虑已经连接到无线设备希 望连接到的无线网络的接入点的设备的数量来进行对服务质量的预 测。

图2示出了可以在其中执行预测QoS的方法的系统。该系统包括无 线设备10、蜂窝网络40和无线网络30。无线网络30是分组交换无线网 络，例如Wi-Fi网络。在这个示例中，无线设备10经由基站41连接到蜂 窝网络40。无线设备10位于由基站41所限定的小区42内。无线设备10 也在具有接入点31的无线通信网络30的范围32内。无线网络30的资源 在连接到网络的设备之间共享。因此，网络30是设备需要决定是否连 接到的网络。如前所述，这样的决定是基于无线设备10和蜂窝网络40 之间的连接的连接特性以及无线设备10和Wi-Fi网络30之间的未来连 接的预测QoS。

现在将参考图3并结合图2描述用于预测在共享信道上无线设备10 和一个或更多个无线网络30之间的可能的未来连接的服务质量的方 法。

在第一步骤中，无线设备10检测310无线设备10的范围100内的第 一无线网络30。无线设备10的范围100被定义为无线设备10可在其内进 行通信的距离。一般通过扫描针对信标的相关频率(例如如果无线设 备包括Wi-Fi电路，那么相关频率为2.4GHz频带)来检测无线网络。 Wi-Fi接入点定期发送信标帧，以宣布无线网络的存在。可以手动触发 扫描或设备可连续对Wi-Fi网络进行扫描。

在下一步骤中，无线设备确定320已经连接到第一无线网络30的设 备11-13的数量。这可以在模拟域或数字域中实现，参见图4，其还详 细示出了步骤320。

根据在图4中示出的一个示例性技术，确定321连接设备11-13的数 量意味着在连接到接入点31的设备11-13进行通信所在的一个或几个 信道的模拟域中进行信号分析。例如，识别共享信道上的不同信号电 平。然后可以假设每个信号电平对应于一个设备，因为信号电平取决 于所发射的信号电平以及发射机的距离。当然，如果有两个设备以相 等的信号强度发送并且具有到执行信号电平测量的设备非常相似的信 道条件，那么这样的假设可能是错误的。在任何情况下，这样的分析 给出对所连接设备的数量的指示。因此，根据这个示例，确定连接设 备11-13的数量意味着识别连接到接入点31的设备11-13进行通信所在 的一个或几个信道上的不同信号电平的存在。

根据另一个示例性技术，通过对在设备11-13和接入点31之间交换 的分组进行分组检查来确定322连接设备11-13的数量。与在模拟域中 分析信号电平相比，分组检查涉及处理分组以检索数字数据，例如源 地址或目的地地址。

根据也示于图4中的一个示例性技术，通过媒体访问控制MAC地 址分析(即检查在MAC报头中可得的源地址和目的地地址)来完成分 组检查。这允许无线设备确定当前连接到无线网络并且在某种程度上 活动的其他设备的数量。由于无线设备从无线网络31的接入点31接收 分组，因此它可以识别是否存在隐藏节点，即，在无线设备100的范围 外但是在第一无线网络30的范围内的节点。原因是，通过监视分组， 不是隐藏节点的无线设备10的地址应显示为源地址和目的地地址两 者，而对于隐藏节点，将不存在该节点是源节点的分组，但是将存在 该节点只是目的地节点的分组。因此，该示例性技术提供了寻找隐藏 节点12的一种方式。后者在试图确定是否连接到某个无线网络时非常 重要。通过也包括隐藏节点的知识，可以更准确地估计无线电链路上 的业务负荷。

或者，当确定连接到某个接入点31的设备11-13的数量时，可以选 择只检查来自接入点的业务，并且然后只寻找不同的目的地址的数量。

根据另一个示例性技术，通过来自无线网络的信令确定关于连接 到无线网络30的设备的数量的信息。根据本公开的一个方面，确定320 连接设备11-13的数量的步骤意味着从无线网络30接收323包括关于连 接到接入点31的设备11-13的数量的信息的信令信息。信息可以由在接 入点31的范围32内的设备接收。作为示例，由想要预测QoS的设备在 WiFi网络的信标中读出连接设备的数量。现在返回到图3的下一步骤， 无线设备10基于所确定的连接到第一无线网络30的设备的数量计算 330预测服务质量。计算可以以不同的方式来完成。一种方法是使用基 于模拟(如以上提出的那些模拟)创建的查找表。

计算一个或几个QoS参数(例如吞吐量或比特率、传输延迟、延 迟抖动或错误率)的另一种方法是使用公式，其中，设备的数量是公 式中的一个参数。由于对无线网络30的接入通常基于多接入，因此连 接设备的数量越大，可能潜在地可用的信道时间的比例越小。因此， 如果设备的数量较低，那么预测服务质量通常较高。假设(例如)已 经连接N个其他设备，并且假设由接入点31提供的数据速率是25 Mbps。一个添加的设备或STA将得到1/(N+2)的接入时间，这意味着 可以将最大上行链路数据速率(MAXUL速率)定义为MAXUL数据 速率＝25/(N+2)Mbps。这意味着，如果不给予接入点优先权，那么先 前连接的设备、新的设备和接入点将共享数据资源。因此，可以将所 支持的数据速率计算为取决于1/(N+2)的值。然而，这个公式假设存在 所有N+1个设备在所有时间的数据。这对于所有设备来说并不总是正 确，所以更现实的降级因子将是k/(N+2)，其中k是常数(k＞1)，从 而考虑到不存在所有设备在所有时间的数据。

因此，本技术提供了一种基于目前或已经连接到有关接入点的设 备的数量来预测可能的未来连接的QoS的方法，这意味着对预测QoS 的更准确估计，尤其是当信道利用率高时。

必须理解的是，QoS通常基于几个参数。根据示例性技术，当估 计QoS参数时，设备的数量是几个可能的输入中的一个。根据一个示 例性技术，该方法还包括估计325第一无线网络30的信道利用率的步 骤。图5示出了在确定服务质量330(对应于图3的步骤330)之前如何 插入估计步骤325以及然后计算如何基于所确定的连接到第一无线网 络的设备的数量和所估计的信道利用率。如图1c和图1d中所示，连接 设备的数量的影响受信道利用率影响。因此，在计算330预测服务质量 之前计算或估计信道利用率对良好地估计QoS有用。然后，所估计的 信道利用率是计算330预测服务质量的步骤的输入，以便根据所确定的 连接到第一无线网络30的设备的数量和所估计的第一无线网络的信道 利用率来计算预测服务质量。

根据这个示例，确定信道使用的比例和连接设备的数量两者，这 通常提供对QoS的更准确预测。然后，如果连接设备的数量足够小并 且信道利用率与所需数据速率相比足够小，那么预测服务质量较高。 当然，可以用数字来阐述。如果只有一个设备或用户连接到第一无线 网络30，那么即使信道利用率较高，预测QoS也可以较高，因为唯一 的设备将需要与一个添加的设备共享其资源。然而，连接设备的高数 量和高信道利用率的组合指示未来连接的QoS将较低。

根据本公开的另一个方面，图3中的方法还包括：基于预测服务质 量决定340是否连接到第一无线网络30。通常，所需要的数据速率越高， 设备决定连接到网络的服务质量应越高。

根据该技术的一个示例，当执行该方法时，设备10已经连接到第 二无线网络40。在图2中的示例中，第二网络40是蜂窝网络，例如LTE 网络。然后到第一网络的连接通常意味着到第一无线网络30的切换， 第一无线网络30在图2的示例中是Wi-Fi网络。当然，到这两个网络的 同时连接也将是可能的。本公开的这个方面提供一种做出切换决定的 改进的方法，其中，避免了尽管信号强度高但是提供低QoS的网络。 本公开的这个方面允许更好的用户体验并且尤其是它可以减小用户因 为不好的用户体验而简单地关闭Wi-Fi的风险。因此，以这种方式，其 允许Wi-Fi更好地用于代替蜂窝网络。

根据该技术的一个示例，切换到第一无线网络30的决定还基于到 第二无线网络40的连接的连接特性。连接特性包括服务质量参数，如 信号强度、比特率、传输延迟等。也可以是其他特性，例如成本。必 须理解的是，目前的连接的特性对于切换决定有时和新连接的服务质 量一样重要。具有导致目前连接的不良QoS的非常差的接收质量的用 户当然比具有可接受的数据速率的用户容忍更低的QoS。

根据也由图5示出的另一个示例性技术，估计326每个设备的信道 利用率，并且预测服务质量的计算还基于每个连接设备11-13的信道利 用率。

在这个示例中，不仅确定比例负荷和连接设备的数量，而且估计 设备中的每一个的负荷并且用于确定如果建立到第一无线网络的接入 点的连接那么可以获得什么性能。通过单独估计去往和来自设备的业 务，可以做出关于如果另一个设备连接到接入点那么可以获得什么容 量的改善的估计。

现在将在图6和图7中对原理进行说明。然而，为了简单起见，在 这些示例中，设备的数量限制为3个。图6和图7中的箭头的大小表示每 个连接的业务负荷。

在图6a中所示的第一示例中，信道被完全占用，但是连接到接入 点的设备11中的仅一个担负几乎所有业务，而设备12和13消耗非常少 的业务。这意味着，如果另一个设备10连接到无线网络，那么它可以 潜在地得到接入点的可用容量的几乎一半，即，基本上与当前产生几 乎所有业务的设备平等地共享，参见图6b。

相比之下，如图7a和图7b中所示，如果信道被完全占用，但是业 务在设备11-13之间均匀地产生，那么，如果另一个设备10连接到接入 点，那么在这个示例中，这个设备将只能得到接入点的总容量的约 25％。

根据该技术的一个示例，还涉及一种计算机程序，该计算机程序 包括当在无线设备10中执行时使无线设备10执行如上所述的方法的计 算机程序代码。本公开还涉及一种存储这种程序的计算机程序产品。

现在转到图8，将对示出无线设备10的示例性实施例的一些电路或 模块的示意图进行说明。

无线设备10包括可由能够执行计算机程序代码的任何合适的中央 处理单元CPU、微控制器、数字信号处理器DSP等构成的控制器或处 理器电路102。可以将计算机程序存储在存储器103中。存储器103可以 是读写存储器RAM和只读存储器ROM的任意组合。存储器103也可包 括永久存储，例如，其可以是磁存储器、光学存储器或固体存储器或 者甚至远程安装的存储器中的任意单个或组合。无线设备10还包括经 布置以与其他设备或节点进行无线通信的无线通信单元或通信接口 101。

当在无线设备10的处理器电路102中运行上述计算机程序代码时， 上述计算机程序代码使处理器电路102检测在无线设备10的范围内的 第一无线网络30的接入点31，确定目前或已经连接到接入点31的设备 11-13的数量，并且基于所确定的连接到第一无线网络30的设备的数量 计算330预测服务质量。处理器电路102还适于执行以上所述的方法的 所有方面和示例。

现在转到图9，示出了使用用于预测无线设备10和一个或更多个无 线网络30之间的可能的未来连接的服务质量的方法的另一个示例。与 前面的示例相比，设备10没有连接到任何网络。

在图9中，设备10在两个不同的无线网络30、50的范围32、52内。 这两个无线网络可以是短程分组交换无线网络。想象一下，用户刚刚 打开无线设备的Wi-Fi功能。然后无线设备将检测两个无线网络30和50 并且通过考虑连接到每个网络的设备的数量计算每个相应网络的 QoS。在这个示例中，来自第一网络30的信号强度比来自第二网络50 的信号强度高，因为与第二网络50的接入点51相比，无线设备10更靠 近第一网络的接入点31。

然而，在这个示例中，有八个设备11-18目前连接到第一网络30 而只有一个设备19目前连接到第二网络50。因此，使用所公开的方法 计算的第二网络的QoS比第一网络的QoS高，即使SNR较高的是第一网 络50。因此，设备10可以决定连接到第二网络，从而实现更高的比特 率或吞吐量。

虽然已经在附图中示出且在说明书中描述了所提出的技术的方面 和示例，但是可以理解，这些方法和设备并不限于本文所公开的实施 例。具体地，所提出的技术能够进行各种重排、修改和替换而不脱离 如所附权利要求书所阐述和限定的本公开的范围。