专利名称：用于基于虚拟帧的调度器的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及通信系统，尤其是，本发明具体应用于无线通信系统领域，且在这方面涉及用于有效地准许轮询上行和/或侧行通信量以及发送下行帧的一种调度器以及相关方法。
调度是在多用户共享公共资源的数据网络中提供服务质量(QoS)的核心。这在无线链接的环境中尤其是这样。也就是说，由于无线资源的稀缺性和无线电品质的随时间变化性，无线链接的随时间变化性为无线数据服务中的调度策略设计带来了极大的挑战。当前，大部分调度策略取决于存在于传输媒体存取控制(MAC)帧中的队列长度、到达速率或时间标记而不考虑信道容量。如果对所有用户的信道容量与在有线系统情况中那样均为恒定，这就足够了。然而在无线网络环境中，这些方案的一个缺陷就在于由于未说明信道容量(即信道状态及连续变化传输速率)它们始终会造成无线资源的利用不足。
目前，802.11MAC提出一种简化模型，称为“尽力服务”模型。在该简化方案中，所有帧接收相同级别的服务，对于来自不同应用中的帧不作区别。根据该模型，试图尽快转发帧，但是没有做出关于服务质量(QoS)供应的数量保证。但是随着MAC服务质量的802.1e的提出，需要一种能够保证不同流的QoS需要的调度器。
因此，需要一种能够被引入到IEEE802.11e/D3.3.标准草案之上的调度策略，其使得QoS接入点(QAP)能够考虑所述流的QoS需要并且适当地进行调度。
本发明提出一种在无线局域网(WLAN)中使用的基于虚拟帧的调度方法，其使得QAP能够在发送下行帧的同时在准予轮询上行及侧行通信量之间进行无隙操作。本发明调度方法的关键特征在于，所述调度方法产生虚拟帧以创建传输时机持续时间以便准予轮询上行和侧行通信量。通过在用于侧行/上行通信量的QAP处调度虚拟帧，调度器将所有侧行/上行通信看成一个与传统下行通信量一起被无隙调度的下行帧。根据本发明的一个方面，提供一种在WLAN中使用的基于虚拟帧的调度方法。该方法包括以下步骤(a)在所述QAP，确定是否存在至少一个计划从所述至少一个WSTA向所述QAP传输的上行通信流；(b)在所述QAP，确定是否存在至少一个计划从所述至少一个WSTA向至少一个其他WSTA传输的侧行通信流；(c)当所述确定步骤(a)为真时，在所述QAP协商计划的上行的传输数据速率，以从所述至少一个WSTA传输所述至少一个上行通信流；(d)当所述确定步骤(b)为真时，在所述QAP协商计划的侧行的传输数据速率，以从所述至少一个WSTA向至少一个其他WSTA传输所述至少一个侧行通信流；(e)在所述QAP，计算轮询及传输时间，以根据所述协商的上行及侧行计划的传输数据速率而轮询所述至少一个WSTA；(f)在所述QAP，产生包括所计算的上行轮询及传输时间以及分配给所述WSTA的广播时间的上行虚拟帧，以在所述计算的轮询时间传输所述至少一个上行通信流；(g)在所述QAP，产生包括所计算的侧行轮询及传输时间以及分配给所述WSTA的广播时间的侧行虚拟帧，以在所述计算的轮询时间传输所述至少一个侧行通信流；以及(h)在所述计算的轮询及传输时间调度该上行及侧行虚拟帧的传输。
在优选实施例中，由一个QAP执行上述方法，所述QAP包含一个虚拟帧发生器，其用于确定需要QAP轮询WSTA来传输所述上行和/或侧行通信量的时间瞬间；以及一个调度器单元，其用于计算轮询及传输时间以轮询所述至少一个WSTA。
在联系附图时参考以下详细说明可以更完全地理解本发明的方法和装置，其中
图1示出了将应用于本发明实施例的一种无线通信系统的结构；图2示出了根据本发明实施例的图1的网络的队列级描述；图3是根据本发明实施例的QAP方框图；以及图4示出了阐明根据本发明实施例的轮询过程的时序图。
在以下描述中，是为了说明而不是限制的目的，为了提供对本发明的彻底理解而提出了如下细节，如具体的结构、接口、技术等。为了简单而清楚的目的，省略了对已知装置、电路和方法的详细描述，以便不致因不必要的细节而混淆对本发明的描述。
该创造性的方法是一种调度算法，其利用了用于在无线局域网(WLAN)中进行上行和侧行调度的虚拟帧。该方法计划通过一个QBSS网络中的接入点(QAP)而实现。根据申请人掌握的知识，虚拟帧原理首先由Sunghyun Choi和Kang G.Shin在发表于2000年2月IEEE/ACM Trans.On Networking，vol.8，no.1，第44-59页的“A UnifiedArchitecture of Wireless Networks for RealTime and Non-Real timeCommunication Services”中引入，此处由于参考而引入其全部内容。然而，应当相信的是，迄今为止尚未考虑到的是在无线局域网环境中对虚拟帧的利用。正是为了这个目的才引出当前的应用。也就是说，本发明的方法以一种使QAP能够在准许轮询上行和/或侧行通信量的相关基站(WSTA)和向该WSTA发送下行帧之间进行无隙操作的方式而引入了在无线局域网环境中对虚拟帧的利用，如以下更详细的描述。
图1显示了一个可应用于本发明实施例中的典型网络100。如所示，图1示出了一个QBSS网络100，其包括一个耦合到固定网络111的QAP103以及多个基站(WSTA1到WSTA3)110、112、114。QAP103的基本功能是促进数据包的传输。数据包包括“上行”包(即，从WSTA110-114到QAP103方向中传输的包裹)，标记为“U”，“下行”包(即，从QAP103到WSTA110-114方向中传输的包)，标记为“D”，和“侧行”包(即，从一个WSTA110-114向另一个WSTA所传输的包)，标记为“S”。值得注意的是，为了说明的目的图1中所示的网络很小。实际上，大部分网络会包括很大数量的移动WSTA。
图2是表示图1网络100中QAP103和WSTA1-3110-114队列级的一个实施例的方框图。如所示的，QAP103含有9个队列，其中8个是常规的Q1-Q8，而第9个队列在下文中称作虚拟队列VQ，其是本发明的关键特征。队列1到8含有实际数据(即，作为MPDU一部分而传输的数据包或帧)。通过对比，如下文中将描述的那样，虚拟队列VQ仅含有虚拟帧。
现在参考图3，显示了图2中QAP的功能元件的方框图。QAP包括调度器105，其可被拆分为两个主函数，通信流协商310和服务分配320。通信流协商310进一步包括权限330子函数。QAP进一步包括虚拟帧产生器模块340，用于确定需要QAP轮询用于上行和/或侧行通信量的WSTA的时间瞬间。所述QAP进一步包括许可控制单元350，其用于借助调度算法而预先计算轮询时间以轮询每个期望上行传输通信的WSTA110-114，以便满足WSTA 110-114预协商的数据速率。
本发明专门用于参数化的QoS通信量的调度。如IEEE 802.11标准所定义的，通过在8到15范围中的优先权值而识别参数化的通信量，该优先权值作为16位QoS控制字段的一部分而包含于每个帧的MAC头中。将优先权值8-15解释为通信流标识符(TSID)。参数化的通信量例如包括可视电话、低成本视频会议、图像、高清晰电视(HDTV)、音频流和/或视频流等。根据上述应用的相应带宽需要，每种上述应用可以对无线通讯网络100提出不同的需求。也就是说，上面描述的某些应用比其他应用(如24MbpsHDTV视频信息流)更加位集中(bitInsentive)。一般说来，大部分的实时应用符合位集中且符合对传输网络100的高需求。如典型地以128Kbps进行传输的立体声音频这样的其他应用相比之下则没有那么位集中且因此对网络100资源具有较少的需求。因此，需要一种机制以有效地调度这些由网络100处理的这些完全不同的网络需求。
为了在QAP103以一种有效的方式执行调度，调度器105必须控制两个进程(1)确定是否存在WSTA 110-114计划传输给QAP103的上行流(2)确定是否存在需要经由QAP103而从固定网111下行发送到WSTA 110-114的数据。在QAP103通过调度器105所执行的轮询操作而实现第一个进程。在轮询操作中，调度器105确定哪个WSTA具有要上行传输到QAP103的通信流。一旦由调度器105确定了一个或多个WSTA 110-114具有要上行传输到QAP103的通信流，那么在QAP103和要上行传输数据的所述一个或多个WSTA 110-114之间实施协商会话。所述协商会话由QAP103的通信流协商单元310来实施。
作为协商会话的一部分，QAP103调用了一个权限协议以对请求的WSTA准予权限。图3中显示了一个权限单元330作为协商单元310的子进程。一旦为WSTA准予权限，那么协商进程通过请求已经被授予权限的WSTA而继续通知QAP103与要传输的通信流相关的特定参数，这些参数包括数据速率及其他通信特性。在QAP103接收这些参数时，以满足预协商的数据速率的方式，与QAP103(见图3)关联的许可控制单元350为每个通信流收集参数数据(即请求WSTA)，提前计算好一个时间瞬间以轮询请求向WSTA上行传输数据流的各个WSTA。一旦由QAP103计算出了轮询时间，那么就产生虚拟帧以便在所计算的时间瞬间轮询虚拟帧。值得注意的是，虚拟帧实际上是轮询帧，用于在适当的时间时轮询各个WSTA。
给出以下示范性的实施例以进一步阐明本发明的方法。为了说明的目的，假定在图1的网络100中存在若干个希望向QAP103上行传输通信量的WSTA110-114。例如，假定WSTA1110需要以24Mbps将HDTV视频上行发送到QAP103，而WSTA3114需要以128Kbps将立体声音频数据上行发送到QAP103。如上所述，QAP103的责任就是确定这些用于上行传输的计划数据流的存在。尤其，QAP103的许可控制单元350(ACU)确定是否存在计划上行传输的来自WSTA 110-114的任何流。一旦QAP103意识到这些通信流，那么调度器300与每个拥有要上行传输的数据流的WSTA 110-114进行协商，以确定WSTA的计划的传输数据速率(如用于WSTA110的24Mbps，用于WSTA114的128Kbps)以及所关心的其他传输参数。一旦由QAP103确定了数据速率，ACU350经由调度算法而预先计算轮询时间以轮询每个WSTA110-114以便能够满足WSTA各自的预协商数据速率。值得注意的是，用于协商各自数据速率的调度算法的细节不是当前应用的中心，因而不会进一步论述。
然后，基于上行或侧行会话的所计算轮询时间而由调度器105产生轮询帧。当需要将其准确传输到信道上时，QAP103中的虚拟帧发生器利用这些调度信息并将在具有一时间瞬间的虚拟帧插入该虚拟帧队列(VQ)。对于调度器来说，这基本上考虑到了所有上行和侧行会话。
现在调度器利用这个虚拟帧队列(VQ)和常规的下行帧队列Q1-Q8来相应地调度下行会话或上行和/或侧行会话。值得注意的是，存在一个关于满足计划数据速率的QoS被授与者，然而，本发明方法比现有技术中所取得的“尽力服务”更加完善。
现在参考图4，为示范性实施例而示出在QAP103所计算的轮询时间的一个时序图，其中，假定两个WSTA110、114计划分别以24Mbps和128Kbps的数据速率向QAP103上行传输数据。首先，对于WSTA3114，假定一个128bit的包尺寸以满足128Kbps的数据速率，WSTA3114必须每1ms发送一个包。类似地，假定一个2400bit的包尺寸以满足24Mbps的数据速率，WSTA110必须每100us发送一个包。因此，ACU350必须以10倍(10x)于WSTA3114的频率来轮询WSTA1。
图4示出了QAP103的ACU350以10倍于WSTA3的频率而轮询WSTA1110。值得注意的是，时间间隔T1-T10不是等距离的时间间隔，但是替代地根据调度算法而计算它以便满足计划的数据速率。如图所示，在沿着时间线(如T1到T10)上的每个轮询实例中，在表示为“x”的一个持续时间段内轮询WSTA3114而在表示为“y”的一个持续时间段内轮询WSTA1110。持续时间“x”和“y”不是固定的，但是替代地其取决于所采用的具体调度算法。然而，确定持续时间x和y并不是本发明的重点。替代地，本发明用于产生具有与其相关的持续时间x、y的虚拟帧。同样要注意的是，如果存在要以特定轮询间隔而上行传输的其他包，那么这些持续时间可根据需要扩展。
到目前为止，已经论述了一种要发送上行和/或侧行通信量的进程。然而，本发明同样地致力于一个并发的进程。即从固定网络111经由QAP103向一个或多个WSTA110-114下行传输帧。根据这个进程，WSTA110-114构造了来自固定网络111的对数据的各种数据请求，其可以包括例如是以上讨论的任一参数化数据种类(如，可视电话、低成本视频会议、图像、高清晰度电视(HDTV)、音频流和/或视频流等等)。为了以所需数据速率满足这些数据请求，QAP103必须执行上述讨论的步骤，通常包括完成一个调度运算以确定轮询时间并由此产生虚拟帧。需要发送下行通信的步骤与前面描述的用于发送上行通信的步骤一致，唯一值得注意的区别就是所计划的通信的方向。
本发明的一个优点就是QAP103能够对上行和/或侧行通信量进行无隙准予轮询(即虚拟帧)并同时向WSTA发送下行通信量。
以上仅应理解为本发明的一个说明性实施例。在不脱离本发明基本原则或范围的情况下，本领域技术人员可以容易地设想出提供功能上类似于该实施例的替换设置。
权利要求
1.在具有至少一个接入点(QAP)和至少一个站(WSTA)的无线通讯网络中，一种用于在从所述QAP向所述至少一个WSTA发送下行通信量的同时无隙准予轮询上行和/或侧行通信量的方法，该方法包括以下步骤(a)在所述QAP，确定是否存在计划从所述至少一个WSTA向所述QAP传输的至少一个上行通信流；(b)在所述QAP，确定是否存在计划从所述至少一个WSTA向至少一个其他WSTA传输的至少一个侧行通信流；(c)当所述确定步骤(a)为真时，在所述QAP，协商计划的上行传输数据速率以从所述至少一个WSTA传输所述至少一个上行通信流；(d)当所述确定步骤(b)为真时，在所述QAP，协商计划的侧行传输数据速率以从所述至少一个WSTA向所述至少一个其他WSTA传输所述至少一个侧行通信流；(e)在所述QAP，根据所述协商的上行和侧行计划的传输数据速率而计算轮询和传输时间以轮询所述至少一个WSTA；(f)在所述QAP，产生包括所计算的上行轮询和传输时间以及分配给所述WSTA的广播时间的上行虚拟帧，以在所计算的轮询时间传输所述至少一个上行通信流；(g)在所述QAP，产生包括所计算的侧行轮询和传输时间以及分配给所述WSTA的广播时间的侧行虚拟帧，以在所计算的轮询时间传输所述至少一个侧行通信流；以及(h)在所计算的轮询及传输时间调度所述上行及侧行虚拟帧的传输。
2.权利要求1的方法，进一步包括步骤在所述至少一个QAP，确定是否存在计划从所述至少一个QAP向所述至少一个WSTA传输的下行通信流；以及如果存在，则在所述QAP，与权利要求1的所述步骤(a)到(h)同时调度所述至少一个下行通信流的传输。
3.权利要求1的方法，其中所述协商步骤(c)进一步包括从所述QAP向所述至少一个WSTA授予权限以便按照所协商计划的上行数据速率而传输至少一个上行通信流的步骤。
4.权利要求1的方法，其中所述协商步骤(d)进一步包括从所述QAP向所述至少一个WSTA授予权限以便按照所协商计划的侧行数据速率而传输至少一个侧行通信流的步骤。
5.权利要求2的方法，其中所述上行和侧行通信流是参数化的通信流。
6.权利要求2的方法，其中所述下行通信流是参数化的通信流。
7.权利要求1的方法，其中所述轮询帧是虚拟帧。
8.一种用于在从所述(AP)向所述至少一个WSTA发送下行通信量的同时无隙轮询上行和/或侧行通信量的系统，该系统包括在所述QAP，确定是否存在计划从所述至少一个WSTA向所述QAP传输的至少一个上行通信流的装置；在所述QAP，确定是否存在计划从所述至少一个WSTA向至少一个其他WSTA传输的至少一个侧行通信流的装置；当所述确定步骤(a)为真时，在所述QAP，协商计划的上行传输数据速率以向所述至少一个WSTA传输所述至少一个上行通信流的装置；当所述确定步骤(b)为真时，在所述QAP，协商计划的侧行传输数据速率以从所述至少一个WSTA向所述至少一个其他WSTA传输所述至少一个侧行通信流的装置；在所述QAP，根据所述协商的上行和侧行计划的传输数据速率而计算轮询和传输时间以轮询所述至少一个WSTA的装置；在所述QAP，产生包括所计算的上行轮询和传输时间的上行虚拟帧以在所计算的轮询时间传输所述至少一个上行通信流的装置；在所述QAP，产生其包括所计算的侧行轮询和传输时间的侧行虚拟帧以在所计算的轮询时间传输所述至少一个侧行通信流的装置；以及在所计算的轮询及传输时间调度所述上行及侧行虚拟帧的传输的装置。
9.权利要求8的系统，进一步包括在所述QAP，确定是否存在向所述至少一个WSTA传输的至少一个下行通信流的装置；以及在所述QAP，调度所述至少一个下行通信流的传输的装置。
10.一种用于在从接入点(QAP)向至少一个站(WSTA)发送下行通信的同时通过所述QAP而从所述至少一个WSTA无隙地准予轮询上行和/或侧行通信量的系统，该系统包括所述QAP，包括虚拟帧产生器，用于确定需要QAP轮询至少一个WSTA以传输所述上行和/或侧行通信量的时间瞬间；以及调度器单元，用于计算轮询及传输时间以轮询所述至少一个WSTA。
11.一种用于在从接入点(QAP)向至少一个站(WSTA)发送下行通信的同时通过所述QAP而从所述至少一个WSTA无隙地准予轮询上行和/或侧行通信量的系统，该系统包括存储器，用于存储计算机可读代码；以及，处理器，可操作地耦合到所述存储器，所述处理器用于(1)在所述QAP，确定在QBSS中是否存在计划从所述至少一个WSTA向所述QAP传输的至少一个上行和/或侧行通信流；(2)为所述至少一个上行和/或侧行通信流协商计划的传输数据速率；(3)计算轮询时间以轮询期望传输所述至少一个上行和/或侧行通信流的所述至少一个WSTA；(4)产生相应于所计算的轮询时间的虚拟帧；以及(5)在所计算的轮询时间调度所述虚拟帧的传输。
12.权利要求11的系统，其中所述处理器进一步配置为在所述QAP，确定是否存在至少一个要传输到所述至少一个WSTA的下行通信流；以及在所述QAP，调度所述至少一个下行通信流的传输。
全文摘要
所公开的是一种基于虚拟帧的方法及系统，用于使得QAP能够在准予轮询上行和侧行通信而同时发送下行帧之间进行无隙操作。本发明调度方法的关键特征就在于所述调度方法产生虚拟帧以为准予轮询上行和侧行通信创建传输时机。
文档编号H04L12/28GK1745542SQ200380105417
公开日2006年3月8日 申请日期2003年12月3日 优先权日2002年12月9日
发明者S·S·南达戈帕兰, S·蔡, A·加格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司