在无线网络中估计无线处理设备队列长度和估计信号接收质量的制作方法

专利名称：在无线网络中估计无线处理设备队列长度和估计信号接收质量的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及发送和接收信息流的设备，且更为具体地说，涉及可以用于通过监控信息流确定这些设备的工作特性的技术。例如，本发明可以用于确定无线网络中发送和接收按分组排列的多媒体信息流的接收器、路由器和接入点的工作特性。
背景技术：
预期经无线网络传送实时多媒体业务流量将是第三代蜂窝通信、WiFi和WiMAX无线网络中的重要应用。在这些应用中，比如表示图像和声音的数字数据的多媒体信息流被组织为分组。多媒体源发送这些分组流到比如路由器或无线接入点的处理设备，该路由器或无线接入点经通信信道发送分组到终端用户接收器。如果处理设备不能立即发送分组，则其将分组临时存储在队列或缓存器中直到能够发送分组。例如，无线接入点在无线通信信道正由另一处理设备使用时不能发送分组。当比如路由器的接收设备以比它发送信息更高的速率接收信息时，在队列或缓存器中存储的信息量将增加。如果呼入速率在足够长的时间期间保持高于呼出速率，在缓存器中存储的信息的占用程度将增加，直到其达到由缓存器的存储容量所指定的最大占用程度。在这个被称为缓存器溢出的情况期间，因为处理设备必须在信息到达时丢弃它或者必须丢弃来自缓存器的信息以获得存储到达的信息的空间，所以信息丢失是不可避免的。在符合IEEE802. Ila或802. Ilg标准的典型的无线网络中，例如，比如无线接入点和路由器的处理设备从以高达100Mb/S的速率工作的有线通信路径接收信息，并且将信息经以不高于54Mb/s的速率工作的无线通信路径转发或发送。例如，如果处理设备从有线路径以接近100Mb/S的速率接收信息，则其不能经无线路径以足以跟上所接收信息的到达速率的高速率发送信息。缓存器占用的程度将增加直到缓存器存储的要求超过缓存器容量。因为在信息能够被转发或发送之前，必须被丢弃一些，所以将丢失一些信息。信息还可能因为传输信道中的噪声或干扰而丢失。这种类型的丢失在很多无线网络中是很普遍的，但是通过使用重发和前向纠错(FEC)技术可以减少丢失。遗憾的是，这些技术增加了必须发送的数据量，由此降低了处理设备可发送信息的有效速率，并且因此造成了缓存器存储的更大需求。国际专利申请公开no. WO 99/04536描述了一种可以和特定的网络通信协议一起使用以控制数据源的发送速率使得能够避免或至少减少由于缓存器溢出造成的分组丢失的技术。该技术依靠通信协议的一个特征，即在由意向接收方成功接收到数据源发送的数据分组时返回积极应答或“ACK”分组到该数据源。该数据源在即时和一致地接收到ACK分组时增加其发送速率，并且当不一致地或在一些延迟之后接收ACK分组时降低其发送速率。使用该特征，所公开的技术通过在缓存器占用的一些测量值达到特定阈值级别以上的级别时延迟ACK分组的返回来控制发送速率。从对于包括缓存器的处理设备的内部工作的直接访问获得缓存器占用的测量值。国际专利申请公开no. WO 2005/081465描述了一种用于通过从数据源和接收器获得的分组序列号计算处理设备中缓存器的占用程度的技术。该技术不解决由于缓存器溢出或发送故障而丢失的分组，并且其不适于计算缓存从多个数据源接收的或意向传送到多个接收器的分组的处理设备中的缓存器占用。Bauer 和 Jiang 于 2006 年 5 月 26 日提交的题为 “Method and SystemforOptimizing Forward Error Correction of Multimedia Streamingover WirelessNetworks”的国际专利申请No. PCT/US2006/020861 (2007年I月11日公开的公开号WO2007/005160)，描述了可以用于对于一组η个分组为基于分组的网络选择FEC参数对(n，k)的技术，该技术最小化由缓存器溢出引起的信息损失，其中k=携带多媒体数据的分组的数目且(n-k)=在该组η个分组中纠错分组的数目(该申请在下面被引用为“FEC优化申请”，且将其内容完全包括于此并作为参考。)这些技术需要若干输入参数，包括缓存器占用的最大 程度(在这里称为缓存器大小或缓存器容量)，和争用或干扰信息到达处理设备的速率。所需要的是在不知道并且不访问处理设备的内部工作的情况下估计这些参数的方法。可以通过使用控制源提供信息到处理设备的速率的另一技术减少或消除由缓存器溢出引起的信息丢失。所需要的是使用在不知道并且不访问处理设备的内部工作的情况下，获得缓存器占用程度的测量值来实现该技术的方法。

发明内容
本发明的目的在于提供通过监控由类似路由器和无线接入点的处理设备发送的信息，来确定这些设备的工作特性的方法。例如，能够确定比如缓存器容量和缓存器占用程度的工作特性。本发明的目的在于提供评价监控类似信噪比的条件是否足以以合理的精确度确定工作特性的方法。下面讨论的本发明的多种实现方式能够估计处理设备中缓存器的容量，能够在特定时间点估计处理设备中缓存器占用程度，并且能够通过监控由处理设备发送的信息来测量这些估计值的可靠性。下面讨论的所有实现都假定处理设备是比如无线接入点的转发类型的设备，其从有线或光路径接收一个或多个输入信息流，并且经无线路径发送一个或多个输出信息流，其中以离散的段排列输入信息流和输出信息流。这些实现方式中的一些实现方式假定处理设备中的缓存器对于信息段采用先进先出(FIFO)队列。通过参考下面描述和附图能够更好地理解本发明的多种特性及其优选实施例。以下描述和附图的内容仅被作为实例提到，且不应被理解为表示对本发明范围的限定。


图I是通信系统的示意性框图。图2到4是帧流中具有序列号的分组的示意性图。图5是说明了可以用于对在一个时间间隔期间发送的特有分组的数目计数的处理的步骤的流程图。
图6到9是在帧流中分组的示意性图。
具体实施例方式A.介绍图I是通信系统的示意性图示，其中一个或多个数据源2，4提供源信号，该源信号传送以分组排列的信息。例如，在至少一些分组中携带的信息可以是多媒体信息。由数据源2提供的源信号传送以和一些应用相关的“主要分组”排列的信息。比如数据源4的其它数据源也提供传送以被称为“争用分组”的分组排列的信息的源信号，因为后者这些分组争用服务于主要分组所需要的资源；但是，来自这些其它数据源的源信号不需要携带相同 类型的信息，且不需要以和数据源2描述的相同方式排列争用分组。来自数据源2，4的源信号分别沿通信路径3，5传递到处理设备10。这些通信路径3，5可以由多种通信技术实现。例如，可以采用使用比如金属线或光纤的介质并且符合任意一个IEEE802. 3标准的技术。处理设备10可以是路由器或无线接入点，例如，其从每个数据源2，4接收分组，并且在缓存器中存储至少一些分组的信息。处理设备10沿通信路径11发送信息分组以由比如接收器20的一个或多个接收器接收。通信路径11可以由多种技术实现，包括比如符合任意一个IEEE802. 11标准的无线技术。如果需要，该通信系统可以包括其它接收器、发射器和数据源。接收器20表示其中可以执行本发明的多种方面的设备。在比如下面描述的通信系统的实现中，通信路径11是广播或多播介质。接收器20监控通信路径11并使用下面所述的技术分析由处理设备10发送的信息。监控并分析到达接收器20以及其它接收器的信息。该接收器20还可以接收和处理意在用于一个或多个其它应用的信息。该通信系统中的设备可以包括多种纠错或错误恢复技术，比如现有的前向纠错(FEC)处理或服务质量处理，例如，令数据源或处理设备重发那些接收器不能确认接收到的分组。图I所示的示意性说明省略了在通信系统的实际实现方式中可能需要但是解释本发明不需要的一些部件。例如，附图不说明为了确定通信路径11是否干净，也就是，其它分组处理设备当前是否正在使用通信路径11或是否存在一些类型的干扰可能妨碍接收器20的接收而可能需要的部件。并且，也没有示出为了从接收器20获得关于分组损失的任何信息或重发分组而可能需要的部件。在本说明书的剩余部分，将更具体地说明其中在数据源和处理设备之间的通信路径符合IEEE802. 3标准之一并且在处理设备和接收器之间的通信路径符合IEEE802. 11标准之一的实现方式。根据媒介访问控制(MAC)协议设置沿这些通信路径传送的信息流，其将信息设置于MAC帧中，MAC帧包括附加到MAC报头的应用数据的分组。MAC报头包括应用数据的源的网络地址(“源地址”)，和应用数据的一个或多个意向接收方的网络地址(“目的地地址”)。作为实例提供这些实现的细节。可和基本上任意所需的通信技术一起使用本发明。对于符合IEEE802. 3和IEEE802. 11标准的技术，在技术上说发送和接收传送信息分组的MAC帧是准确的；但是，下面的说明书在某种程度上简化了，有时描述这些类型的活动为发送和接收分组。
下面所述的一些实例实现使用具有时间信息的分组，被称为“探测分组”，以测量信号传播和处理延迟。除非另外提到，这些实例实现基于这样的假定在可忽略的时间量内从各自的源传送这些探测分组的信号到处理设备10，或者该时间量恒定或能够由接收器20预测。B.估计缓存器占用下面所述的 一些技术可用于估计处理设备10中的缓存器的当前占用程度。I.基本技术缓存器占用估计技术的一个实施方式使用探测分组且基于一些假定(I)数据源在时间ts发送探测分组且其将发送时间ts插入该分组或伴随探测分组的控制信息中，(2)发送时间ts和到达处理设备10的时间之间的间隔可忽略，(3)处理设备10缓存并接下来发送探测分组，且其发送时间是能够由接收器20观察到的形式，(4)探测分组的数据源和接收器20使用彼此同步的时钟，(5)处理设备10使用其缓存器实现先进先出(FIFO)排队方案，且(6)考虑已经在缓存器中存储而还没有被取回的分组的数目测量缓存器占用的程度。如果当探测分组到达处理设备10时，在时间ts缓存器占用的程度是L，之后缓存器在时间ts在FIFO队列中在探测分组之前将具有L个分组。处理设备10将不发送探测分组直到发送了所有L个先前的分组。当处理设备10发送探测分组且由接收器20在时间tE观察到探测分组时，接收器20能够通过对在从ts到tK的间隔期间处理设备10发送的特有分组的数目计数，确定在时间ts处理设备10中存在的缓存器的占用程度。如果接收器20计算在这个间隔期间发送的所有特有分组的字节总数，则能够以字节的形式表示缓存器占用程度。如果需要，接收器20还能够解决在数据源和处理设备10之间的任意传播。2.对分组计数接收器20必须对其接收的由处理设备10发送的所有特有分组计数。仅对那些目的地指向接收器20本身的分组计数是不够的。可能没有分组目的地指向接收器20。在很多实际实现中，如果一个分组的意向接收器不能无错误地接收它，则处理设备10将重发该分组。如果通信路径10的传输媒介经历噪声或能够损坏分组信息的其它干扰，则这个技术是特别有用的。在比如这些实施方式的实施中，接收器20必须保存其接收的所有MAC帧的记录，使得其能够确定哪些分组由处理设备10发送，且哪些分组是特有的。这能够通过下述过程来实现，使用每个MAC帧中的循环冗余码(CRC)检测错误和使用比如前向纠错的校正处理以校正尽可能多的数据错误，检查在MAC报头中的信息以确定MAC帧是否由处理设备10发送的，且保存帧中指示MAC帧是否表示分组重发的其它信息的记录。能够通过检查在MAC报头中的已知为方向标志和源地址的信息确定一个MAC帧是否由处理设备10发送的。能够通过检查在MAC报头中已知为分组序列字段的其它信息确定MAC帧是否表示分组的重发。如果需要，还可以使用已知为Retry_flag的发送重试指示符。比如符合IEEE802. 11标准的很多协议使用一些方式来标识由相同设备发送的每个特有分组。IEEE802. 11标准规定对于每个特有分组传送单调增加的序列号的12比特字段。该序列号对于携带特有分组的每个后续MAC帧增加一。如果由相同设备发送的两个相邻MAC帧具有相同的序列号，则认为后续帧表示其分组的重发。如果两个相邻的MAC帧具有以212为模彼此相差I的序列号，其中较早的帧具有较低的序列号，模212，则认为两个帧传送分组流中特有的连续分组。在图2中示意性地说明了帧流中具有序列号1，2，3，4的四个特有分组Pl，P2，P3和P4。如果通信路径11是无线通信路径，低信噪比或强干扰信号会妨碍接收器20识别由处理设备10发送的一些分组。如果接收器20是意向的接收者，则该损失能够由处理设备10识别，因为接收器20不确认成功接收分组。处理设备10重发分组直到确认成功的接收。但是，如果接收器20不是意向的接收者，将不能检测到损失。在图3中示意性地说明了该情况，其中虚线的框表示具有接收器20观察不到的分组P3的帧。接收器20还因为比如慢处理或实现接收器20中各种特性的电路或编程中的缺陷的其它原因而不能够观察到分组。损失的原因对于本发明不是关键的。
能够通过检测序列号的流中的间隙或跳跃，并对一定是丢失引起该跳跃的特有分组的数目计数来较正由丢失分组引起的分组计数中的错误。例如,对于符合IEEE802. 11标准之一的实现，能够从下面公式计算丢失分组的计数Nmissinc Nmissing-Qstop-Qstaet-I (I)其中Qstakt=紧接在跳跃之前的帧中的序列号；且Qstop=紧接在跳跃之后的帧中的序列号。各种IEEE802. 11无线网络的经验测试显示，需要解决多达四个丢失分组。如果丢失四个或更少的分组，在小于或等于五的序列号的流中将发生跳跃，模212。在图3所示的实例中，在序列号的流中的跳跃存在于具有序列号为2和4的分组P2和P4的分组之间。跳跃的大小是4-2=2,这指示丢失一个分组。这一个丢失分组P3的计数能够被包括在由接收器20观察到的分组的总数中。如果在序列号的流中的跳跃较大，则除了不能观察到分组之外或替代不能观察到分组，可能发生了一些其它类型的错误。例如，接收的分组中的序列号可能以不能被校正的方式损坏。图4中示意性地示出了该情况的实例，其中分组P3的序列号的最低有效位(二进制表示为00011)由于一个比特的错误损坏，而成为19(表示为10011)。该比特错误产生的跳跃等于19-2=17。说明这种较大跳跃的分组数目不应被计数，因为很可能一个或多个帧中的序列号已经损坏，而不是没有观察到大量分组。对于如图4所示的实例，接收器20的优选实现应该将具有表面上序列号19的分组P3计数为仅一个分组。除了序列号中的未校正的位错误，在序列号中的较大跳跃可由至少两个其它原因引起。一个原因是信号接收质量不好，比如由极低的信噪比(SNR)引起的，其使得接收器20观察到非常少的MAC帧。较大的跳跃因为丢失分组的数目较大。下面所述的一些技术用于确定是否存在该情况。另一原因是处理设备10可能实施了不严格FIFO的排队方案，因为其对于特定条件下的发送对分组重新排序。经验测试显示一些符合IEEE802. 11的处理设备，比如路由器或无线接收点，无论何时该设备遇到去往多个接收器之一的无线链路的质量恶化，可从它们的缓存器检索分组并以不严格FIFO的次序发送分组。如果这种处理设备在几次重发之后，没有从已经成功接收特定分组Pl的意向接收器接收到应答，则该处理设备可发送目的地为另一接收器的另一分组P2，即使该P2分组在队列中排在Pl分组之后。在效果上，对队列中的分组重新排序，这引起了由处理设备发送的分组流的序列号的跳跃。当排队方案不是FIFO时，估计缓存器占用程度变得更加复杂。幸运的是，通常在序列号的流中仅对于小的跳跃解决丢失分组就足够了，而不用尝试确定解决由比特错误、不良信号接收质量或分组重排序引起的序列号的较大跳跃的分组数目。附图5所示的图表示了可以用于使用对 于由处理设备10发送的帧流记录的信息实现上面所述的技术的一个处理。该信息包括每个探测分组的当由其数据源发送该探测分组时的发送时间Ts，其被假定为到达处理设备10的时间，由接收器20观察到每个分组时的观察时间Tr，和对于封装每个分组的帧的序列号Q。参考图5中所示的图，步骤SlOO通过将current初始化为对于探测分组帧记录的基准信息，而建立“当前帧”，从当前帧中的探测分组的发送时间Ts初始化开始时间T_start,从当前巾贞的序列号Q初始化值seqnr,并且将分组计数N初始化为等于一。探测分组帧的观察时间Tr表示计数分组的时间间隔的终止时间T_end。步骤S102通过设置current为对于在巾贞流中正好在当前巾贞之前的巾贞记录的基准信息，而建立新的当前帧，并且从新的当前帧的观察时间Tr设置值T_obs。步骤S104确定值T_obs是否在开始时间T_start之前。如果是,处理以值N表示时间间隔[T_start, T_end]中的分组的计数而结束。如果值T_obs不在开始时间T_start之前,贝U处理前进到步骤S106,其将seqnr的值传换为oldsegnr,并且从当前巾贞的序列号Q复位seqnr的值。计算jump或在相邻巾贞的序列号之间的差值。步骤S108确定jump的绝对值是否大于阈值,其在本实例中是五。如果jump的绝对值大于阈值，则步骤SllO将分组计数N增加一。如果jump的绝对值不大于阈值，则步骤S112将计数增加jump的值。之后处理继续到步骤S102。3.计数的替代方法如果需要，可以以其它方式进行分组计数。一个替代的方法是计算在它们的控制信息中具有接近上述的发送时间ts和观察时间tK的时间值的那些帧的序列号之间的差值。根据该技术，接收器20在从探测分组的发送时间tSTAKT=ts开始且在探测分组的观察时间tEND=tE结束的时间间隔保持具有它们相应的序列号和发送时间信息的记录。具有等于或大于时间tSTAKT的时间值的最早的帧被识别为开始帧，且具有等于或小于时间tEND的时间值的最后的巾贞被识别为结束巾贞。该方法尝试识别在时间间隔[tSTART，tEND]中的第一个和最后一个帧。计算在结束帧和开始帧的序列号之间的差值D，模212，且从等式D+1获得在该间隔期间的分组计数。该计数分组的方法总的来说不如上述方法可靠，因为在帧的序列号中的未校正的比特错误能够在所计算的分组计数中引起明显错误。可以修改前面段落中描述的方法以仅考虑对帧的CRC检查所指示的显得不具有比特错误的那些帧。这可以基本上消除由损坏的数据引起的错误，但是这通常在信号接收质量低时提供过小的缓存器占用的评估。当信号接收质量低时，通常观察到很少的帧具有好的CRC，且很可能识别为开始和结束帧的帧不是时间间隔[tSTAKT，tEND]中的实际的第一和最后帧。分别在被认为是开始和结束帧的帧之前和之后的时间间隔中的帧会被错误地排除出所计算的计数。4. FIFO队列的变化上述的技术假定缓存器用于实现严格的或至少基本上符合FIFO的排队方案。这些技术能够适于运行其它排队方案的实现。在下面段落中描述的一个方案对于不同等级的分组提供单独的FIFO队列。
实现IEEE802. 11守则技术的处理设备10还能够包括使用多级FIFO排队方案的服务质量(QoS)增强。在根据IEEE802. Ile标准的一个实现方式中，将分组放入由MAC报头中三比特业务标识符(TID)字段指示的八个排队等级或优先级之一。上述技术能够用于通过识别该级别的分组和对分组计数，对于特定队列等级评估缓存器占用程度。上述一些过程用于避免或减少由丢失分组引起的计数误差。更难以获得对于特定队列等级的丢失分组的数目的精确评估，因为每个丢失的分组可属于任意可能的等级。这可以以多种方式处理。下面段落中描述了两种技术。在一个技术中，接收器20保持能够由其TID字段中的值识别的每个等级中的所有分组的移动平均，在特定间隔内对能由在其TID字段中的值识别的分组数目计数，且使用上述处理以估计在该特定间隔内不能被观察到或不能由TID字段识别的不可分级的分组的数目。通过将该等级的移动平均除以所有移动平均的和来计算每个等级的相对概率。通过将该给定间隔中不可分级的分组的总数乘以该等级的相对概率，计算在属于特定等级的 给定间隔内的不可分级的分组的数目的估值。将该估值加到该等级的计数。能够改良该技术用于将队列优先级和每个队列等级相关联的实现。根据该改良的技术，接收器20对于每个队列等级保持缓存器占用程度的进行中的估值，并且从仅那些具有等于或大于具有大于零的缓存器占用的最高优先级等级的队列优先级的等级的移动平均计算相对优先级。该改良基于在该特定间隔期间不可能发送低优先级类中的分组的观察。C.估计缓存器容量可通过确保处理设备10中的缓存器充满到容量且之后使用上述任意方法来估计缓存器占用程度来估计处理设备10中的缓存器容量。可以通过以一速率发送分组流到处理设备10并具有足够高以将缓存器驱动到溢出条件的长度来将缓存器充满到容量。在一个实现中，例如，在一些时间间隔，比如100毫秒，以超过设备的发送速率的速率将分组流发送到处理设备10，且之后如上所述估计缓存器占用程度。例如，在更长的时间间隔，比如，200毫秒，将另一探测分组流以相同速率发送到处理设备10，并且之后再次估计缓存器的占用程度。如果在两个估计的程度之间没有显著的差别，能够假定两个分组流都能够将缓存器充满到其容量。如果在估计的程度之间具有显著差别，则使用更长的探测分组流重复处理直到估计的程度不再增加。能够通过发送足够速率和长度的几个探测分组流到处理设备10以充满缓存器到其容量、获得每个流的缓存器占用的估计值、并计算估计值的平均，来获得缓存器容量的合理精确的测量值。D.其它应用I.估计争用业务到达速率能够使用缓存器占用程度的估计值来推导其它参数的估计值，以用于比如在上述FEC优化应用中公开的技术的各种应用。能够估计的一个参数是和“主要分组”的流争用处理资源和通信带宽的所谓“争用分组”的到达速率。这可以在缓存器占用程度低于缓存器容量时的时间间隔期间通过推导缓存器占用程度多快改变的测量值来进行。参考图I所示的通信系统，例如，假设由数据源2发送的分组流是在前段中提到的主要分组的流。如果在设备中的缓存器占用程度低于缓存器容量，那么主要分组和所有其它争用分组的到达速率的和将等于由处理设备10发送的分组的速率和缓存器占用程度改变的速率的和。例如，如果在时间缓存器占用程度是bi，且在时间t2缓存器占用程度是b2，那么以下等式假设没有缓存器溢出引起的分组损失
_b2~blPa+Pc = ~ + Pd
,2-(2)其中，b1=在时间&在缓存器中存储的分组的数目； b2=在时间t2在缓存器中存储的分组的数目；pA=主要分组的到达速率；Pc=争用分组的到达速率；且Pd=所有分组的发送速率。以可能需要的基本上任意时间单元表示速率和时间，但是以被称为时隙的均匀的时间间隔表示这些值是方便的，如在FEC优化应用中定义的。建立这些时隙的持续时间使得在任意给定时隙分组处理设备10能够从指定流接收分组，能够接收争用分组且能够发送分组，但是在一个时隙中能够接收不多于一个指定的分组和不多于一个争用分组，且在一个时隙中能够发送不多于一个分组。这能被表不为O ( pA, Pc, Pd彡I。在许多应用中，主要分组的到达速率pA被指定为接收器20的先验条件，且能够通过对由处理设备10经一些时间周期发送的分组数进行计数，和计算每时隙或任意其它所需单位时间周期的平均速率，来测量发送速率Pd。能够使用任意上述方法估计时间ti的缓存器占用程度Iv能够从下面等式估计争用分组的到达速率，下面等式是通过重新排列等式(2)获得的
/).，— / ,Pc = I~7" + Pd— Pa
Z2-/,(3)从等式(3)计算的速率对于缓存器占用程度增加或减少时的间隔是有效的，但是如果缓存器溢出或由于任意其它原因分组丢失，其是无效的。如果需要，能够从几个估计值的线性或移动平均推导争用分组的到达速率。2.估计发送速率当缓存器不为空时，能够使用缓存器占用的估计值来推导发送速率参数PD以用于比如上述在FEC优化应用中公开的技术的多种应用。该参数表示当在缓存器中有分组在排队且准备发送时处理设备10能够实现的发送速率。如上所述，如果在一些间隔期间缓存器不为空，那么可以通过对在该间隔期间发送的分组数计数和计算平均值来计算在该间隔期间发送速率的估计值。但是，如果在所有或部分计数间隔期间缓存器为空，需要一些其它技术来计算该参数，因为观察的分组的平均速率将很可能低估当缓存器不为空时设备能够实现的发送速率。下面描述在网络中可应用的方法，其使用带冲突避免的载波侦听多址访问(CSMA/CA)协议。该方法的精度取决于CSMA/CA协议的特定特性且取决于当分组发送到达时缓存器为空。下面描述该CSMA/CA协议的有关特性和可用于确定缓存器是否为空的技术。3.控制发送速率能够使用缓存器占用程度的估计值来控制一个或多个数据源的发送速率以防止处理设备10中的缓存器溢出。存在已知的速率控制方法，其使用通常被称为早期拥塞通知(ECN)的特性，但这些已知方法需要处理设备10监控缓存器占用程度并如果缓存器占用程度上升到某些阈值之上，在分组中设置特殊ECN标志。当分组的意向接收器检测到ECN标志，其发送ECN反馈分组到相应的数据源。该数据源通过降低其发送速率响应于ECN反馈分组。遗憾的是，ECN不是广泛实现的。另外，例如，如果处理设备10是无线接入点，则该设备不适于实现ECN。根据开放系统互连(OSI)基准模型，应该由在OSI层3 (网络层)工作的设备设置ECN标志。路由器典型地在OSI层3工作，但是基本上桥接在有线和无线网络之间的无线接入点典型地在OSI层2 (链路层)工作。不像已知的ECN控制方法，这里描述的控制方法不需要处理设备10的任意特殊特性或功能。根据该方法，接收器20使用类似上述的方法监控缓存器占用程度，并无论何时估计的缓存器占用程度满足一个或多个标准，就发送ECN反馈分组到相应的数据源。例如，接收器20能够实践简单的方案，比如当估计的缓存器占用程度超过某个阈值时发送ECN反 馈分组。如果需要，接收器20能够实现对于特定数据源优化的更加复杂的方案，比如考虑占用情况的改变速率以及占用程度。该方法能够用于使用传输控制协议(TCP)的单跳网络中。使用TCP，数据源增加其发送速率直到其被通知发生分组损失。响应于该通知，数据源降低其发送速率且之后以较慢的速率再次增加。这个处理重复，使得发送速率震荡。该处理的一个缺点是其依赖于分组损失。该损失在一些应用中，比如流多媒体应用中可能不能忍受或至少高度抗拒的。对于这些类型的应用，应该在不需要分组损失的情况下控制发送速率。使用本发明的缓存器占用估计技术的控制处理不具有该缺点。不需要分组损失。接收器20能够检测即将发生的缓存器溢出，并使用和发生分组损失相同的通知来通知数据源。当缓存器占用程度超过阈值时启动该通知。该阈值的确切的值对于某些应用可能不是关键的，因为大于零的任意缓存器占用是发送速率过高的指示。E.时钟同步上述的缓存器占用估计技术假定探测分组的数据源和接收器20使用彼此同步的时钟。这些技术可适于解决两个时钟不同步但是彼此相差接近恒定或缓慢变化的量的情况。接收器20调整数据源时钟的表现以实现和它自己的时钟的同步。首先描述依赖于一简化假设的基本的调整技术。之后描述不依赖于该假设的更加复杂的技术。参考图I所示的通信系统，例如，由数据源2在时间ts发送探测分组，且分组沿通信路径3传播到处理设备10。如果当分组到达时处理设备10中的缓存器为空，假定在一恒定、非常短的处理时间间隔之后立即沿通信路径11发送该分组。之后所发送的分组几乎立即由接收器20观察到。在发送时间ts和观察时间tK之间的延迟ε等于通信路径3和通信路径11的总传播时间加上处理设备10缓存、检索和发送分组的处理时间。如果通信路径3符合ΙΕΕΕ802. 3标准之一且通信路径11符合ΙΕΕΕ802. 11标准之一，延迟ε典型地为I毫秒的量级。在观察时间tK和表示为关于接收器20中的时钟的真正的发送时间t' s之间的延迟被表示为ε = t-t1 s (4)能够通过重新排列等式(4)如下表示真正的发送时间t' s:
t' s = tR- ε = ts+ δ(5)其中δ =同步发送和接收时钟的调整值。给定延迟ε的精确估计值，接收器20能够使用下面等式(其是等式(5)的重排)计算调整值的合理精确的值δ δ = tE-ts- ε(6)计算的值δ中的任何误差最多为延迟ε的幅度。通过使用该计算的值，和典型地在处理设备10中发生的排队延迟比较，如果值ε非常小，则能够将两个时钟以合理的精度同步。例如，如果当缓存器满时延迟ε是I毫秒，且排队延迟是100毫秒，则由接收器20观察的时钟时间将具有不大于百分之一的误差，这意味着上述技术能够以不大于百分之一的误差估计缓存器容量。
如果延迟ε的值相对大但是恒定，仍可通过从延迟值ε排除沿通信路径3的传播延迟实现在发送和接收时钟之间的精确同步。上述技术基于发送时间^基本上等于探测分组到达处理设备10的事件的假定。如果沿路径3的传播延迟足够大，使得假定不成立，则能够调整探测分组的发送时间ts以通过使用排除了沿路径3的传播延迟的延迟值ε计算调整值δ，来补偿该情况。通过假定由处理设备10沿通信路径11发送探测分组而没有任何排队延迟来简化上述时钟同步技术。在该假定下，探测分组的发送仅延迟恒定、非常短的时间间隔，在该时间间隔中处理设备10处理探测分组的接收和发送。如果当处理设备10准备发送分组时，来自另一发射器的噪声或争用业务使得通信路径11不空闲，则该假定无效。在这些情况中，分组将经受额外的延迟，因为处理设备10在其能够发送分组之前必须等待直到通信路径11空闲。如果通信路径11实现CSMA/CA协议，例如，不能由另一设备，比如接收器20精确地计算或预测处理设备10等待的时间量。结果，不能计算时钟调整值δ。通过使得接收器20仅在通信路径11在探测分组的发送时间tK之前的空闲指定时间周期时计算时钟调整值I能够避免噪声或争用业务产生的计算的值δ中的误差。在符合ΙΕΕΕ802. 11的网络中，该指定的时间周期应至少和下面所述的DIFS间隔相同。如果处理设备10能够检查接收器20观察不到的发送，则接收器20不能可靠地确定何时通信路径11空闲。通过使得接收器20多次计算时钟调整值δ，并比较多个值，能避免或至少显著减少该情况产生的问题。如果S的不同计算结果值基本上相同，很可能每个计算的探测分组没有经受任何排队延迟。接收器20能够重复计算直到实现计算的值δ的足够的置信度。对于每个探测分组，在接收其时，接收器20应用时钟调整值δ到发送时间值ts。如果发送和接收时钟不关于彼此漂移，如果需要，能够对于每个通信会话仅确定一次δ的值。如果两个时钟之间的差值改变，可在需要时确定调整值S的修订的值。I.确定缓存器是否为空如果处理设备10中的缓存器在测量时为空，能够以合理的精度测量时钟调整值δ。上述缓存器占用估计技术不能精确地确定缓存器是否为空，因为那些技术的精度取决于数据源时钟和接收器时钟同步。如果通信路径11使用被称为分布坐标函数(DCF)的CSMA/CA协议，则能够由接收器20实现在前段中讨论的技术，以更可靠地确定缓存器是否为空。能够按需要修改该技术的原理并应用于使用不同通信技术的网络。在符合ΙΕΕΕ802. 11标准的CSMA/CA网络中，在处理设备10尝试发送分组之前，其确定通信路径11是否繁忙。如果通信路径11在已知为分布帧间空间(DIFS)的指定时间周期(这可被表示为DIFS=50y s)不忙，则处理设备10发送分组，且之后等到来自意向接收器的已成功接收分组的肯定应答(ACK)。如果处理设备10在已知为短帧间空间(SIFS)的指定时间周期(是10 μ s)之后没有接收到ACK，则其将重发分组。如果通信路径11繁忙或者如果需要重发，则处理设备10在尝试发送之前等待所计算的时间周期，直到通信路径11空闲。该时间周期等于DIFS间隔加上由下面描述的“退避算法”计算的“退避间隔”。处理设备10基于观察的业务使用载波侦听电路和虚拟载波侦听(VCS)指示器的组合确定通信路径11是否繁忙。不需要该处理的细节来理解本发明的原理，因此从说明书中省略。退避算法根据下面等式计算等于某些数目的时隙的退避间隔Tff=R · TS(7)其中R=间隔
中的随机或伪随机数；
CW=竞争窗口间隔；且TS=时隙的间隔。对于ΙΕΕΕ802. 11b，例如，时隙的长度TS是20 μ S，且竞争窗口(CW)间隔具有初始最小值CWmin=31个时隙。对于IEEE802. Hg,例如，时隙的长度TS是9 μ S，且CW间隔具有初始最小值CWmin=15个时隙。CW窗口的长度可增加到最大1023时隙，如下面所述。处理设备10使用倒计时计时器在尝试发送之前等待等于Tw的时间间隔。如果处理设备10侦听到通信路径11繁忙，则暂停倒计时计时器直到通信路径11保持空闲DIFS间隔那么长时间。当倒计时计时器到达零时，处理设备10尝试发送。从意向接收器20接收ACK将使得处理设备10复位CW到其最小值CWmin以准备发送下一个分组。如果没有接收到ACK，则将CW的值加倍直到其最大允许的值，且处理对于下一次尝试发送重复。下面所述的技术基于分组的第一或初始发送的观察的等待次数。分组的第一发送可通过在MAC报头中设置的被称为Retry_flag的比特值与所有接下来的该分组的重发区另O。对于第一发送将Retry_flag设置为零，且对于任意接下来的重发将其设置为I。该技术基于如果处理设备10进行的分组的第一次发送在等于DIFS+TWX的其中不发生其它发送(包括在相同或相邻网络中从其它发射器的发送)的最大可能的等待间隔之后，则处理设备10中的缓存器已知为空的事实。该间隔Twx可被表示为Twx=Cfffflin * TS(8)如果接收器20在时间tK接收到分组，且在时间间隔[tK - (DIFS+TffX), tE]期间没有观察到其它发送，那么已知处理设备10中的缓存器在发射的分组到达发射器的时间为空。换句话说，该空闲间隔足以暗示该特定分组的发送没有由任意排队延迟拖延的情况。该情况能由反证法证明，假定分组经历排队延迟，且仍在时间tK观察到。在这个实例中，tE被定义为由接收器20观察到分组的第一比特的时间。如果作为替代地，接收器20检查接收到分组的最后比特的时间，那么能从下面等式获得第一比特的观察时间
_ BtR =tLAST ^y-jPRE(9)其中tUST=分组中最后比特的观察时间；B=分组中的比特数；
V=每秒的比特的发送速率；且Tpee=接收所有帧前导信息的时间间隔。参数B和V的值通常是从接收器中的定制的符合IEEE802. 11的设备驱动器获得的，但是通常不能获得时间间隔Tpke的值。如果该值不是可用的，通过使用由经验测试确定的值、查询适宜的通信协议的规范、或者通过需要的任意其它方式，可实现满意结果。例如，对于符合IEEE802. Ilb和802. Ilg的通信路径，适宜的规范指示间隔Tpke的值分别是192 μ s 和 24 μ S。指出上述的空闲间隔是缓存器为空的充分条件而不是必要条件是有用的。为此，该技术更好地适于其中通信路径11不总是高度使用的网络。如果最大可能初始等待间隔Twx已知，则该技术能用于使用某些类型的冲突避免方案的其它通信协议。当接收器20对于探测分组确定缓存器为空时，能测量时钟调整因素δ，且之后将其用于同步接收器和数据源时钟。之后能使用上述技术估计缓存器占用程度。 F.在缓存器为空时估计发送速率假定设备中的缓存器不为空，通过计算由处理设备10每单位时间周期发送的分组的平均数，接收器20能够使用上述技术获得发送速率参数pD的精确估计值。如果缓存器为空，没有发送分组；因此，如果缓存器为空，应该使用一些其它技术精确地估计该参数。用于估计Pd的一种技术如下面所述。该技术估计处理设备10发送M个特有分组中的每一个所需要的各个时间Tt的和ΣΤτ，并通过计算M除以和ΣTt的商推导发送速率参数。估计发送分组所需的各个时间间隔的技术使用前段中公开的CSMA/CA协议的某些特性。图6和7说明了在比如通信路径11的通信信道上观察到的由帧流传送的分组。参考图6，由处理设备10发送传送分组Pn的帧。传送分组Px、Py和Pz的帧由处理设备10之外的一个或多个设备发送，并表现争用业务。参考图7，由处理设备10发送传送分组Plri和Pn的帧。传送分组的帧Px、Py和Pz由处理设备10之外的一些设备发送，并表现争用业务。为了这里描述的模型的目的，如果需要，所有争用业务可被看作从单一设备始发的。信道繁忙时间Tbusy表示其间观察到争用业务的帧的间隔的持续时间。帧间到达时间Tifa表示在争用业务的连续帧之间的间隔的持续时间。信道发送时间Txmit表示其间观察到在帧间到达时间内由处理设备10发送的所有帧的间隔的累积持续时间。在如图6所示的实例中，信道发送时间Txmit等于发送携带分组Pn的帧所需的时间。在如图7所示的实例中，信道发送时间Txmit等于其间观察到携带分组Plri和Pn的帧的各个时间Tx的和。信道空闲时间Tiim表示其间没有观察到业务的间隔的持续时间。能够通过观察通信信道上的业务估计信道繁忙时间Tbusy，信道发送时间Txmit和帧间到达时间Tifa的统计分布或概率密度函数。从估计的统计分布计算每个时间的平均。从下面等式计算通信信道传送争用业务的概率入2=ΓΤ “1'(10)
Tbusy +^ifa其中7"kvr=平均信道繁忙时间;且「=平均帧间到达时间。可从下面等式计算通信信道传送由处理设备10发送的业务的概率炉
权利要求
1.一种用于在通信系统中确定处理设备的缓存器的估计占用程度的方法，该通信系统包括 数据源，其发送信息分组； 处理设备，其从数据源接收信息分组，在缓存器中为至少一些分组存储信息，且沿通信信道发送信息分组以供一个或多个接收器接收； 接收器，其从通信信道接收由一个或多个设备发送的信息分组，这些信息分组包括由处理设备发送的至少一些信息分组；以及该方法包括 识别从接收器接收的信息分组中选择的分组，所选分组传送指示以下内容的数据作为处理设备发送所选分组的第一次尝试的结果，所选分组由接收器接收； 记录当所选分组由接收器接收时的所选分组的接收时间； 监控通信信道以检测由所述一个或多个设备中任一个进行的发送； 计算紧接在所选分组的接收时间之前的没有检测到沿着通信信道的发送的时间长度； 比较所述时间长度和第一等待间隔阈值；和 如果所述时间长度超过第一等待间隔阈值，则确定缓存器的估计占用程度为零，并产生一个传送表示缓存器的估计占用程度的信息的信号。
2.如权利要求I所述的方法，在确定缓存器的占用程度为零时计算用于同步接收器中的第一时钟和数据源中的第二时钟的时钟调整值，该方法包括 从由所选分组传送的数据中获得发送时间，该发送时间相对于数据源中的第二时钟指示何时数据源发送由所选分组传送的信息； 当缓存器的占用程度为零时，获得延迟分组发送的处理设备中的估计的处理延迟；通过从所选分组的接收时间减去所选分组的发送时间和估计的处理延迟而计算时钟调整值，该接收时间指示相对于接收器中的第一时钟所选分组何时由接收器接收；和产生表示时钟调整值的信号。
3.如权利要求2所述的方法，包括如果所述时间长度等于小于第一等待间隔阈值的第二等待间隔阈值，则计算估计的处理延迟。
4.如权利要求2所述的方法，包括 计算多个所选分组的多个调整值； 检查所述多个调整值以估计在处理设备进行发送之前，是否在处理设备中多个所选分组中的任一个遇到排队延迟；和 从对应于估计没有遇到排队延迟的所选分组的那些调整值获得时钟调整值。
5.如权利要求I所述的方法，包括 监控通信信道以推导通信业务统计，其中该处理设备使用通信协议沿通信信道发送信息分组； 基于通信业务统计从模型获得处理设备发送特有信息分组需要的估计的各个时间，该估计的各个时间是等待间隔和发送间隔的和，其中 各自的等待间隔是处理设备在沿通信信道发送信息分组之前必须等待的通信协议所强加的时间量，以及各自的发送时间是处理设备将表示信息分组的数据注入通信信道所需的时间量； 获得处理设备发送多个特有信息分组的每一个所需的估计的各个时间的和；以及从特有分组数目除以估计的各个时间的和，推导处理设备发送特有信息分组的估计速率，并产生表示处理设备发送特有信息分组的估计速率的信号。
6.一种用于在通信系统中确定处理设备的缓存器的估计占用程度的设备，该通信系统包括 数据源，其发送信息分组； 处理设备，其从数据源接收信息分组，在缓存器中为至少一些分组存储信息，且沿通信信道发送信息分组以供一个或多个接收器接收； 接收器，其从通信信道接收由一个或多个设备发送的信息分组，这些信息分组包括由处理设备发送的至少一些信息分组；以及该设备包括 用于识别从接收器接收的信息分组中选择的分组的装置，所选分组传送指示以下内容的数据作为处理设备发送所选分组的第一次尝试的结果，所选分组由接收器接收； 用于记录当所选分组由接收器接收时的所选分组的接收时间的装置； 用于监控通信信道以检测由所述一个或多个设备中任一个进行的发送的装置； 用于计算紧接在所选分组的接收时间之前的没有检测到沿着通信信道的发送的时间长度的装置； 用于比较所述时间长度和第一等待间隔阈值的装置；和 用于如果所述时间长度超过第一等待间隔阈值，则确定缓存器的估计占用程度为零，并产生一个传送表示缓存器的估计占用程度的信息的信号的装置。
7.如权利要求6所述的设备，在确定缓存器的占用程度为零时计算用于同步接收器中的第一时钟和数据源中的第二时钟的时钟调整值，该设备包括 用于从由所选分组传送的数据中获得发送时间的装置，该发送时间相对于数据源中的第二时钟指示何时数据源发送由所选分组传送的信息； 用于当缓存器的占用程度为零时，获得延迟分组发送的处理设备中的估计的处理延迟的装置； 用于通过从所选分组的接收时间减去所选分组的发送时间和估计的处理延迟而计算时钟调整值的装置，该接收时间指示相对于接收器中的第一时钟所选分组何时由接收器接收；和 用于产生表示时钟调整值的信号的装置。
8.如权利要求7所述的设备，包括用于如果所述时间长度等于小于第一等待间隔阈值的第二等待间隔阈值，则计算估计的处理延迟的装置。
9.如权利要求7所述的设备，包括 用于计算多个所选分组的多个调整值的装置； 用于检查所述多个调整值以估计在处理设备进行发送之前，是否在处理设备中多个所选分组中的任一个遇到排队延迟的装置；和 用于从对应于估计没有遇到排队延迟的所选分组的那些调整值获得时钟调整值的装置。
10.如权利要求6所述的设备，包括 用于监控通信信道以推导通信业务统计的装置，其中该处理设备使用通信协议沿通信信道发送信息分组； 用于基于通信业务统计从模型获得处理设备发送特有信息分组需要的估计的各个时间的装置，该估计的各个时间是等待间隔和发送间隔的和，其中 各自的等待间隔是处理设备在沿通信信道发送信息分组之前必须等待的通信协议所强加的时间量，以及 各自的发送时间是处理设备将表示信息分组的数据注入通信信道所需的时间量； 用于获得处理设备发送多个特有信息分组的每一个所需的估计的各个时间的和的装置；以及 用于从特有分组数目除以估计的各个时间的和，推导处理设备发送特有信息分组的估计速率，并产生表示处理设备发送特有信息分组的估计速率的信号的装置。
11.一种传送可由设备执行以实现权利要求I到5的任一个的方法的指令的程序的存储介质。
全文摘要
本发明公开了在无线网络中估计无线处理设备队列长度和估计信号接收质量。本发明可用于估计通信系统中发送和接收信息流的设备的工作特性。在一个应用中，通过监控由处理设备发送的分组估计在处理设备，比如路由器或无线接入点中的FIFO缓存器的占用程度。工作特性的估计值能够用于控制系统中的通信，使得改进整体性能。也公开了能用于缓和低信噪比条件的影响的技术。
文档编号H04L12/26GK102932278SQ20121041949
公开日2013年2月13日 申请日期2007年4月9日 优先权日2006年4月13日
发明者蒋文宇 申请人:杜比实验室特许公司