用于提供高效多客户端接入的方法和装置与流程

本发明涉及无线多客户端网络，尤其涉及一种用于提供高效多客户端接入的方法和装置。

背景技术：

无线通信系统正朝向更佳的数据速率、每个小区更多的客户端以及给定部署场景中更高的效率发展。例如，在高端Wi-Fi市场中，即电子设备使用无线电波以无线方式交换数据或连接到互联网，致力于设计性能最高的接入点。

实现这些目标的一种关键技术是无线多客户端网络中小区的客户端之间的时分双工(TDD)。此技术在维持效率的同时允许接入点(AP)服务大量客户端。

US2008/0130541A1描述了一种用于通过每客户端动态功率管理提升无线局域网(WLAN)中的空间重用的方法和系统。WLAN的每个接入点都将其每个客户端与最小功率水平相关联。

根据上述方法，WLAN的中央控制器生成用于以不同功率水平进行传输的计划，且每个接入点基于该计划改变其传输功率水平。根据上述方法，接入点以计划的传输功率水平向与最小功率水平相关联的客户端发送数据包，其中最小功率水平小于所计划的功率水平。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于无线多客户端网络的改进技术。

此目的可以通过独立权利要求的特征来实现。进一步的实施形式在从属权利要求、具体说明和附图中显而易见。

根据第一方面，提供了一种用于提供高效多客户端接入的方法，所述方法包括以下步骤：创建至少两个虚拟接入点；在所述已创建的至少两个虚拟接入点上分发工作量来进行负载均衡；以及将至少一个服务质量参数动态地分配给所述已创建的至少两个虚拟接入点的每个虚拟接入点。

本发明基于一种用于实施时分复用的方法，所述方法减少了客户端之间的冲突，且与单纯的载波侦听多路存取(CSMA)冲突避免(CA)(即CSMA/CA)相比提供了更好的计算机网络性能。这表示一种网络多址接入方法，所述方法中使用了载波侦听，但节点仅在根据所用的某些算法信道被侦听为“空闲”时进行发送以试图避免冲突。

本发明基于不采用点协调功能(PCF)将Wi-Fi转换成时分复用(TDD)方案。点协调功能是基于IEEE 802.11的无线局域网中使用的媒体接入控制(MAC)技术。点协调功能位于也被称为接入点(AP)的点协调器中以协调网络内的通信。避免点协调功能的概念是有利的，因为大多数客户端不支持点协调功能。

本发明的基本思想是创新地使用虚拟接入点(VAP)服务质量(QoS)能力。通过将每个接入点划分为N个虚拟接入点得出本发明的基本思想。此外，使用负载均衡将先前接入点的所述站点(station)或客户端在所述已创建的虚拟接入点之间划分。在所述虚拟接入点之间实施时分复用。所述解决方案通过以下方式增加所述接入点效率：降低冲突概率、增加传输(TX)时间，即增加上行链路的累计时间。

本发明可用于无线网络，且尤其用在IEEE 802.11网络中，本发明还可用在任何无线通信环境中，包括无线数据网络、无线电话网络和无线I/O信道。

在根据第一方面的所述方法的第一可能实施形式中，通过调整所述至少两个虚拟接入点中的每个虚拟接入点的小区业务负载实现在所述已创建的至少两个虚拟接入点上分发工作量。

在所述虚拟接入点上分发所述工作量有利地允许管理所述虚拟接入点的业务以确保可靠性和最佳空口性能。

在根据第一方面或根据第一可能实施形式的所述方法的第二可能实施形式中，通过调整所述至少两个虚拟接入点中的每个虚拟接入点的接入点客户端数目实现在所述已创建的至少两个虚拟接入点上分发工作量。

通过调整接入点客户端的数目，提供了高效无线网络架构。

在根据第一方面的第二可能实施形式的所述方法的第三可能实施形式中，为所述至少两个虚拟接入点中的每个虚拟接入点的接入点客户端数目定义阈值。

这有利地允许管理所述虚拟接入点的所述业务以确保可靠性和最佳空口性能。

在根据第一方面的第三实施形式的所述方法的第四可能实施形式中，针对超过有关所述至少两个虚拟接入点中的每个虚拟接入点的接入点客户端数目的所述已定义阈值的情况，创建了另一虚拟接入点。

这有利地允许通过修改底层物理基础设施的虚拟拓扑调整网络业务系统。

在根据第一方面或根据第一方面的前述任一实施形式的所述方法的第五可能实施形式中，所述动态地分配所述至少一个服务质量参数包括调整所述已创建的至少两个虚拟接入点中的每个虚拟接入点的时隙。

因此，为了满足性能要求，所述调整所述服务质量参数允许提升所述无线局域网的性能和业务管理。

在根据第一方面或根据第一方面的前述任一实施形式的所述方法的第六可能实施形式中，所述动态地分配所述至少一个服务质量参数包括调整所述已创建的至少两个虚拟接入点中的一个虚拟接入点的仲裁帧间间隔。

这有利地允许改善所述业务资源的分布并且提供了所述无线局域网的优化的路由和业务管理策略。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实施形式中的任一者的所述方法的第七可能实施形式中，所述动态地分配所述至少一个服务质量参数包括为所述已创建的至少两个虚拟接入点中的一个虚拟接入点调整最小竞争窗口。

这有利地允许通过修改所述服务质量参数调整所述网络业务系统。

在根据第一方面或根据第一方面的前述任一实施形式的所述方法的第八可能实施形式中，所述动态地分配所述至少一个服务质量参数包括为所述已创建的至少两个虚拟接入点中的一个虚拟接入点调整最大竞争窗口。

因此，为了满足性能要求，调整所述服务质量参数允许提升所述性能和所述业务管理。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实施形式中的所述方法的第九可能实施形式中，所述动态地分配所述至少一个服务质量参数包括为所述已创建的至少两个虚拟接入点中的一个虚拟接入点调整传输机会(TXOP)作为时间间隔。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实施形式的所述方法的第十可能实施形式中，根据优先级值进行所述动态地分配所述至少一个服务质量参数给所述至少两个虚拟接入点中的一个虚拟接入点。

因此，为了满足性能要求，调整所述服务质量参数允许提升所述性能和所述业务管理。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实施形式的所述方法的第十一可能实施形式中，根据权重值进行所述动态地分配所述至少一个服务质量参数给所述至少两个虚拟接入点中的一个虚拟接入点。

在根据第一方面或根据第一方面的任一前述实施形式的所述方法的第十二可能实施形式中，根据负载和性能值进行所述动态地分配所述至少一个服务质量参数给所述至少两个虚拟接入点中的一个虚拟接入点。

根据第二方面，本发明涉及一种用于提供高效多客户端接入的装置，所述装置包括：创建单元，用于创建至少两个虚拟接入点；均衡单元，用于在所述已创建的至少两个虚拟接入点上进行负载均衡；以及分配单元，用于将至少一个服务质量参数动态地分配给所述已创建的至少两个虚拟接入点中的每个虚拟接入点。

根据第三方面，本发明涉及一种在通信网络中使用的接入点，所述通信网络包括根据所述第二方面的装置。

本文所描述的方法、装置、系统和设备可实施为微控制器或任何其它边处理器中的数字信号处理器(DSP)中的软件或实施为专用集成电路(ASIC)内的或现场可编程门阵列(FPGA)中的硬件电路，FPGA是设计用于在制造之后由客户或设计者配置的集成电路，从而实现现场可编程。

本发明可以实施在数字电子电路、计算机硬件、固件、软件或它们的组合中，例如在常规移动设备的可用硬件中或在专门用来处理本文描述的方法的新硬件中。

缩略语列表

AC 接入类别

AIFS 仲裁帧间间隔

AP 接入点

CA 冲突避免

CCA 空闲信道评估

CFP 非竞争时期

CP 竞争时期

CPE 用户驻地设备

CSMA 载波侦听多路存取

DCA 动态信道分配

DCF 分布式协调功能

MAC 媒体接入控制

PC 点协调器

PCF 点协调功能

PHY 物理(层)

QoS 服务质量

RRM 射频资源管理

STA 站点/客户端

TCP 传输控制协议

TDD 时分双工

TPC 发射功率控制

TX 发射或发射器或传输

VAP 虚拟接入点

WLAN 无线LAN

WMM Wi-Fi多媒体

附图说明

本发明的其它实施例将参照以下附图进行描述，附图中：

图1所示为示出用于解释本发明的不同频率的每片段长度的IEEE802.11效率的数据速率对应用数据报大小的示意二维表示图；

图2所示为示出用于解释本发明的不同数目的客户端，STA，的数据速率对累计时间的示意二维表示图；

图3所示为示出用于解释本发明的CW_min对数据速率的示意二维表示图；

图4所示为示出用于解释本发明的性能对比概述的示意二维表示图；

图5所示为根据本发明实施例的一种用于提供高效多客户端接入的装置；

图6所示为根据本发明实施例的用于提供高效多客户端接入的方法的方框图；

图7所示为根据本发明实施例的数据报结构图；以及

图8所示为根据本发明另一实施例的用于提供高效多客户端接入的方法的方框图。

具体实施方式

在相关图中，同样的参考符号表示同样或至少等效的元件、零件、单元或步骤。并且，应注意，所有附图不是按实际比例绘制的。

下文参考本发明的实施例中的附图清晰并完整地描述了本发明的实施例中的技术解决方案。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，所属领域普通技术人员在不进行任何创造性劳动的情况下就可获得的所有其它实施例应落入本发明的保护范围内。

图1所示为示出用于解释本发明的不同频率的每片段长度的IEEE802.11效率的数据速率对应用数据报大小的示意二维表示图。

在图1中的二维表示图的x轴上，MSDU代表MAC业务数据单元。MSDU是从逻辑链路控制(LLC)子层接收到的业务数据单元，LLC子层位于协议栈中的媒体接入控制(MAC)子层之上。LLC和MAC子层被统称为DLL。数据速率作为MAC业务数据单元的函数被按照各种频率绘制。

覆盖从0到1800字节大小的MAC业务数据单元的灰框覆盖了大多数IP网络的情形。

基于IEEE 802.11的WLAN可用于电子邮件、文件传送和网页接入(浏览)等互联网应用，WLAN预计还用于支持音频和视频等实时应用。

IEEE 802.11WLAN标准定义了两种接入方法：分布式协调功能(DCF)或基础接入方法。分布式协调功能为载波侦听多路存取冲突避免(CSMA/CD)。对于分布式协调功能，以先到先得、尽力而为为基础发送数据业务。

点协调功能(PCF)是使用点协调器(PC)对站点之间的接入进行仲裁的基于轮询的接入方法。手持客户端不支持点协调功能，且大部分用户驻地设备(CPE)客户端不支持点协调功能。

以下项造成IEEE 802.11WLAN的效率降低：协议开销、媒体接入控制(MAC)和物理层(PHY)。出于以下原因，尤其在具有高速率、54Mbps及以上速率的情况下，开销变得更加重要：IEEE 802.11开销具有和物理层以及速率无关的相对固定的时长，数据速率越高，数据发送时间越短，最多达到1.6。

IEEE 802.11ac和IEEE 802.11n通过引入数据聚合增加效率这个事实给出了其它原因。此外，当每小区的客户端数目增加时聚合大小减小(TX时间更短)，且冲突次数增加直到成功传送片段为止。

冲突概率由客户端或站点(STA)的数目和退避算法使用的CW_min值确定。为STA的数目调整初始随机等待时间CW_min受以下限制地控制了冲突概率：与AP关联的较大数目的客户端需要增加CW_min值。较大的CW_min值导致较长的等待时间，从而导致较长的发送时间。为客户端的数目调整CW_min有限地控制冲突概率。

如图1所示，IEEE 802.11协议媒体接入控制和物理层的效率取决于帧发送时间、物理层数据速率和冲突概率。

等式1：

等式2：FrameSize＝DataRate·AccumulateTime

等式3：

上述等式的条件可以是：

关于帧大小(frame size)：发射器(TX)帧大小，以比特为单位

关于数据速率(data rate)：客户端数据速率，以Mbps为单位

对于累计时间(accumulation time)：两个数据帧的TX之间的延迟，以μs为单位

关于PHY速率(PHY rate)：PHY发送速率，以Mbps为单位

Overheads：预期的帧MAC和PHY开销，以μs为单位

ExReTrans：预期重传次数

根据上述等式，802.11的效率为：

等式4：

从等式4明显可以看出802.11协议效率(PHY+MAC)与数据速率和累计时间成正比，与PHY速率和冲突概率成反比。

等式5：

当定义如下时：

NumOfSta：(每AP)活动客户端的数目

根据开销：预期的帧MAC和PHY开销，以μs为单位

ExReTrans：预期重传次数

从等式4和等式5推导得出IEEE 802.11的效率为：

等式6：

从等式6明显可以看出IEEE 802.11协议效率(PHY+MAC)与数据累计时间成正比，与站点数目、协议开销和预期重传次数(或冲突概率)成反比。

图2所示为示出用于解释本发明的不同数目的客户端，STA，的数据速率对累计时间的示意二维表示图。

图2将分布式协调功能协议开销问题可视化。下文列出了造成IEEE802.11链路低效的因素：客户端尽快，即在相对较短的累计时间(参见等式6)内发送数据，客户端共享资源，例如PHY速率×效率。在存在许多与接入点(AP)相关联的客户端的场景中，每个客户端都具有较低数据速率，即较长数据延迟，数据延迟致使基于TCP的应用降低数据速率。

图2的二维表示图中绘制了针对1、10、30、60、90和200个客户端的不同函数，示出了y轴上的数据速率，对x轴上的累计时间，即以ms或msec为单位的延迟，例如单位为毫秒。

图2还将分布式协调功能高冲突概率问题可视化。自动地将CW_min值调整为与AP相关联的客户端数目减少了冲突概率并且提高了协议效率。以下为(仍)造成IEEE 802.11高冲突概率的因素：对于80个以上与接入点相关联(并且活动)的客户端，任意合理的CW_min值的冲突概率都较高，正确地估计每接入点(AP)的活动客户端的数目，正确地估计每信道的活动客户端的数目，例如共享相同的广播区。

图3所示为示出用于解释本发明的CW_min对数据速率的示意二维表示图。

x轴表示每接入点，例如每个所有虚拟接入点(VAP)的客户端或站点(STA)，以及y轴示出了以Mbps为单位的数据速率。呈现了各种合理CW_min值的函数，例如4、15、35、55和95。

IEEE 802.11定义了点协调功能(PCF)模式以通过减少冲突概率来克服效率问题。在点协调功能模式下，总空中时间被划分为非竞争时期(CFP)和竞争时期(CP)。

在竞争时期期间，所有设备都使用分布式协调功能模式来访问介质。在点协调功能模式中，AP也是小区的点协调器(PC)且其确保在非竞争时期期间，空中介质无需CSMA/CA机制，即使用轮询模式在STA之间进行划分。客户端在上行链路中通过使用CP上的DFC来请求带宽分配。

如等式4所示，IEEE 802.11的效率取决于帧发送时间、PHY数据速率和冲突概率。虽然点协调功能通过减少冲突概率提升了效率，但当与许多STA一起运作时协议效率仍然较低。

下文列出了造成IEEE 802.11链路低效的因素：对于带宽请求过程和不支持PCF的客户端而言，竞争时期仍是需要的。PCF不是强制的，只有少量客户端支持PCF机制。不支持PCF的客户端共享数据速率，因此在存在许多与AP相关联的客户端的场景下，每个客户端都具有较低数据速率，即较长数据延迟，数据延迟致使基于TCP的应用降低数据速率。

为了克服IEEE 802.11 STA的效率问题，使用了一种较密集的AP部署。添加RRM层以管理密集型网络(DCA、TPC和CCA)。通过将智能天线(波束成形)技术添加到高密度部署来作出额外的改进。该方法的缺点为：较大数目的AP、较高成本、安装复杂以及更多硬件。

图4所示为示出用于解释本发明的性能对比概述的示意二维表示图。

图4所示为用于提供高效多客户端接入的方法(最顶端的线)，相对基础Wi-Fi(无RRM、固定CW_min)和CW_min优化(图中具有较低性能的其它线)的性能结果。

图4清楚地示出：用于提供高效多客户端接入的方法显著地优于基础Wi-Fi和自适应CW_min。在15个活动客户端之下，例如常规虚拟接入点VAP实施方式降低了系统效率。

x轴表示每接入点的客户端，例如每个所有虚拟接入点(VAP)的客户端，以及y轴示出了以Mbps为单位的速率。

例如，对于每接入点(AP)具有60个以上接入点客户端C，效率高于50％且产生比IEEE 802.11实施形式好四倍的性能，由用x4表示的箭头指示。

图5所示为根据本发明实施例的一种用于提供高效多客户端接入的装置。

一种用于提供高效多客户端接入的装置100，装置100可包括创建单元10、均衡单元20和分配单元30。

创建单元10可用于创建至少两个虚拟接入点(VAP)。

均衡单元20可用于通过在已创建的至少两个虚拟接入点VAP上分发工作量来进行负载均衡。

分配单元30可用于将至少一个服务质量参数动态地分配给已创建的两个虚拟接入点(VAP)中的每个虚拟接入点。

在图5中，从一个物理接入点(AP)中创建三个虚拟接入点(VAP)。三个虚拟接入点(VAP)，例如VAP₁、VAP₂……VAP_N都包括虚拟客户端领域(VCS)，其表示与每个虚拟接入点(VAP)关联的客户端组。虚拟客户端领域(VCS)可以是大量相关接入点客户端C。

可选地，在本发明的一项实施例中，装置100可耦合到接入点AP。装置100还可集成到接入点AP。

图6所示为根据本发明实施例的用于提供高效多客户端接入的方法的方框图。

可选地，在本发明的一项实施例中，一种用于提供高效多客户端接入的方法可包括以下步骤。

作为提供高效多客户端接入的方法的第一步骤，创建(S1)至少两个虚拟接入点(VAP)。

作为提供高效多客户端接入的方法的第二步骤，在所述已创建的至少两个虚拟接入点(VAP)上分发工作量来进行负载均衡(S2)。

作为提供高效多客户端接入的方法的第三步骤，将至少一个服务质量参数动态地分配(S3)给已创建的至少两个虚拟接入点(VAP)中的每个虚拟接入点。

可选地，在本发明的一项实施例中，一种用于提供高效多客户端接入的方法可包括以下步骤：

创建N个虚拟接入点(VAP)。例如，创建八个虚拟接入点。作为进一步步骤，执行客户端的负载均衡以实现：每虚拟接入点相同或大约相同数目的客户端，每虚拟接入点(VAP)相同或大约相同的业务负载。

可选地，如果每(虚拟)接入点(VAP)存在15个以上的活动客户端，则将(虚拟)接入点划分为K个虚拟接入点组，其中K小于或等于N。可使用表示每接入点或每虚拟接入点的客户端最大数目的任何其它阈值取代15个客户端。例如使用以下公式执行该划分：

其中x是每接入点或每虚拟接入点的接入点客户端C的数目。

作为该方法的进一步步骤，动态地分配不同的服务质量参数。例如，作为服务质量参数，以下参数可被修改：每个虚拟接入点组有独立的时隙、仲裁帧间间隔、CW_min、CW_max、TXOP等参数。算法需要修改每个组的这些参数。以下标准可用于该修改：虚拟接入点(VAP)优先级、虚拟接入点(VAP)权重或虚拟接入点(VAP)负载和性能。

可选地，在本发明的一项实施例中，时分双工通过将不同的服务质量参数设置为高优先级虚拟接入点(VAP)，即所选的时分双工算法虚拟接入点(VAP)来实现。

根据以下规则定义和执行业务设置的优先级或质量：

按每VAP设置仲裁帧间间隔(AIFS)值；时分双工所选(临时优先)虚拟接入点(VAP)-低AIFS值(1、2、3)，其它虚拟接入点(VAP)-当优先级<15时高AIFS值(15-优先级)，根据虚拟接入点(VAP)AC设置CW_min。

此外，CW_min取决于虚拟接入点(VAP)时分双工所选选择：TDD所选虚拟接入点(VAP)–CW_min是客户端的虚拟接入点(VAP)数目的函数；其它虚拟接入点(VAP)-根据(客户端的AP数目)(虚拟接入点(VAP)权重)；CW_max根据虚拟接入点(VAP)AC设置；此外，依赖于虚拟接入点(VAP)时分双工所选优先级：分双工所选虚拟接入点(VAP)-根据客户端的虚拟接入点(VAP)数目；其它虚拟接入点(VAP)-根据(AC组)×(VAP权重)TXOP基于AC和虚拟接入点(VAP)优先级被划分。

图7所示为根据本发明实施例的数据报结构图。

信道接入方法或多址接入方法允许连接到相同多点传输介质的若干终端在介质上传输并共享介质的容量。

图7所示为四个接入点客户端C或终端的无线数据传输的数据报结构图，四个接入点客户端C或终端由一个虚拟接入点(VAP)的A、B、C和D表示。每个接入点客户端都具有高优先级数据包和低优先级数据包，分别由高和低表示。

作为基于IEEE 802.11的WLAN中的管理帧的信标帧在高优先级数据包和低优先级数据包之间发送。信标帧包含有关网络的所有信息。定期发送信标帧以通报无线LAN的存在。信标帧由虚拟接入点(VAP)发送。

图8所示为根据本发明另一实施例的用于提供高效多客户端接入的方法的方框图。

可选地，在本发明的一项实施例中，一种用于提供高效多客户端接入的方法最初开始于N个虚拟接入点(VAP)的激活。接着，该方法划分为两种可选方法。

特别是，该方法的方框图中呈现了两个分支。在左侧，新客户端的存在触发用例均衡模式。在右侧，VAP信标触发了数目K(例如虚拟接入点(VAP)的数目)的计算。

接着，用例均衡模式被分成两个分支，一种为相等负载，另一种为相等客户端数目。在相等负载的情况下，选择具有最小负载的虚拟接入点(VAP)，对于相等客户端数目的情况，选择具有最小数目客户端STA的虚拟接入点(VAP)。在任意情况下，所选的虚拟接入点(VAP)随后与客户端相关联。

关于计算数目K的分支的第二分支，在执行计算之后，将虚拟接入点(VAP)划分为K个组。最后，设置新参数。

通过阅读以上内容，所属领域的技术人员将清楚地了解，可提供多种方法、系统、记录媒体上的计算机程序等等。

本发明还支持包含计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，这些计算机可执行代码或计算机可执行指令在执行时使得至少一台计算机执行本文所述的执行及计算步骤。

通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代产品、修改及变体是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。

虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中列举的若干项目的功能。

在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。计算机程序可存储或分发到合适的介质上，例如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质，还可以以其它形式例如通过因特网或者其它有线或无线电信系统分发。