基于分层调度的IEEE802.11ax接入增强方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于分层调度的IEEE 802.11ax接入增强方法，主要解决现有技术接入机制调度中数据等待时间过长的问题，其技术方案是：首先将接入点接收到的数据按照业务类别进行队列划分；然后将每个数据业务队列按照数据分组的大小分成n个分队列，并采用最高响应比优先算法进行一级调度；接着将一级调度得到的输出队列作为新的数据业务队列，再采用载波侦听多路访问和冲突避免接入机制CSMA/CA对新的数据业务队列进行二级调度；最后将经过二级调度的数据传输给一个或几个用户，本发明提高了系统吞吐量，降低了数据包的等待时间，可用于多个用户共享从网络层接收到的数据信息。
【专利说明】
基于分层调度的IEEE802.11 ax接入増强方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信技术领域，更进一步设及一种基于分层调度的IE邸802.1 lax接 入增强方法，可用于多个用户共享从网络层接收到的数据信息。
【背景技术】
[0002] 为了在多个用户共享资源的条件下有效地进行通信，就需要有某种机制来决定资 源的使用权，运就是多址接入机制。接入机制可W采用传统的时分多址，频分多址，码分多 址，空分多址接入方式。由于固定接入方式对信道资源过于浪费，16邸802.11中多采用随机 接入方式，基于冲突避免的载波侦听多路访问方式和通过接入点AP集中调度的接入方式。 随着无线网络的发展，如何结合高密度，快速性的特点，找到一种适用于IE邸802. llax的 无线接入方法是一个亟待解决的技术问题。
[0003] 中国科学技术大学拥有的专利技术"一种基于概率的多优先级队列调度方法"（授 权公告号CN 102098217 B，申请号201110008627.8)公开了一种基于概率的多优先级队列 调度方法。该方法采用多个逻辑或物理队列实现多优先级，通过检查队列是否为空队列，对 非空队列采用概率生成器随机生成概率函数值，调度器对概率函数值所在的队列数据分组 进行调度，实现了调度的公平性，对于空队列，调度器先将空队列的概率区间值配给非空队 列，然后再进行调度，实现了带宽借用。但该方法只按照优先级进行了队列划分，没有考虑 同一优先级队列中数据包长短对调度时间的影响，同时该方法采用了概率生成器和调度 器，实现复杂。
[0004] 尹德斌，谢剑英在其发表的论文"一种新的加权公平队列调度算法"（计算机工程， 2008,34(4) :28-30)中提出一种新的加权公平队列调度算法，使用服务概率和随机数实现 加权公平调度，解决了传统加权公平排队调度算法和加权循环调度算法中数据包的权重参 数计算复杂的问题，同时使用自适应服务概率计算解决了数据包变长度带来的不公平性。 该方法首先采用事件触发方式计算队列的平均长度，然后使用数据包平均长度估计值进行 服务概率计算，极大地简化了服务概率函数的计算，通过服务概率函数体现不同业务流的 权重，实现加权服务，从而避免了大多数加权队列调度算法中需要跟踪计算各个业务流权 重变化的问题，但该方法中没有细分队列，没有考虑长数据包持续传输造成短数据包长时 间等待的问题。
[0005] 李文杰，刘斌在其发表的论文"输入排队中抢占式的短包优先调度算法"（电子学 报，2005,33(4):577-583)中通过对Internet业务特征进行分析，设计了一种低复杂度抢占 式交换结构，并提出了相应的抢占式短包优先调度算法，解决长包信元的连续传输造成短 包长时间等待的问题。该方法根据Internet中短包的特点：数量多但到达率低，调度算法将 短包缓存到一个独立的先到先服务队列中，然后通过中断长包传输来优先传送短包，降低 了所有包的平均包等待时间，提高了系统吞吐量，但该方法没有考虑短数据包持续传输造 成长数据包长时间等待的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于分层调度的IEEE 802. llax接入增强方法，W减小数据包接入时延，保证数据包接入的公平性，提高接入性 能。
[0007] 本发明的思路是:在基于数据业务分类的基础上，充分考虑数据包的长短对数据 包接入信道的影响，按照数据分组长短对数据业务队列进行二次队列划分，并采用分层调 度的方法，采用最高响应比优先算法进行一级调度，计算并分析调度算法的公平性指数;在 数据业务类别的二级调度中，采用基于载波侦听的竞争接入方式，二级调度方式有效提升 了接入机制的性能。其实现方案如下：
[0008] (1)发起信道接入:每一个接入点AP，将收到的网络层接口包，按数据业务类别进 行分类；
[0009] (2)将按业务类别分类的数据包采用丢尾方式组成数据业务队列；
[0010] (3)将每个数据业务队列按照数据分组的大小分成η个分队列；
[0011] (4)对每个数据业务队列中的η个分队列进行一级调度：
[0012] (4a)读取每个分队列的第一个数据分组并记录数据分组长度；
[0013] (4b)采用香农公式，计算数据分组的传输速率R;
[0014] (4c)计算第k个数据分组的传输时间闲=^，其中，Uk)表示第k个数据分组 蚊 长度；
[001引（4d)计算第k个数据分组的等待时间：Tw化）=η*Τι，其中，η表示已接入的数据分组 个数，Τι表示传输一个数据分组需等待的时间，Ti = T(AIFS)+T(ACK)，其中，T(AIFS)表示仲 裁帖间隔，T (ACK)表示确认帖间隔；
[0016] (4e)计算第i个分队列中第k个数据分组的接入响应比:巧的=引节;的巧中， Tt化)表示第k个数据分组的传输时间，Tw化)表示第k个数据分组的等待时间；
[0017] (4f)仓幡一个空的变长队列作为输出队列，比较各分队列接入响应比Pi(k)并将 接入响应比最大的数据分组移到变长队列；
[0018] (4g)判断各分队列是否非空，若是，返回步骤(4a)，否则，将步骤(4f)中的输出队 列作为新的数据业务队列；
[0019] (5)采用载波侦听多路访问和冲突避免接入机制CSMA/CA，对得到的新的数据业务 队列进行二级调度；
[0020] (6)结束信道接入:将经过二级调度的数据传输给一个或几个用户。
[0021 ]本发明与现有技术相比，具有W下优点：
[0022] 第一，由于本发明将每个数据业务队列按照数据包长短进行队列划分，克服了现 有技术中没有考虑短包接入不公平的问题，使得本发明在接入信道时时延更低，提高了数 据包的公平性且减小了数据包的网络时延。
[0023] 第二，本发明在考虑短包接入不公平的前提下，综合考虑长包等待时间对数据包 接入的影响，避免了造成一直有短数据包接入造成长数据包饥饿问题，有效提高了长短数 据包总的公平性，降低了网络时延。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的使用场景图。
[0025] 图2为本发明的实现流程图。
[0026] 图3为本发明中对分队列进行一级调度的示意图。
[0027] 图4为本发明中对数据业务队列进行二级调度的示意图。
【具体实施方式】
[0028] W下结合附图和实例对本发明作进一步详细描述；
[0029] 参照图1，在无线通信场景中，有许多位置未知、随机分布的、并且可W运动的节 点，运些节点通过无线接入点AP实现无线网络的接入。无线接入点AP是无线局域网的中屯、 点，它可W是一个固定节点，也可W是一个移动节点。无线接入点AP为处在其节点传输半径 R内的节点发送数据信息，其中，数据信息包括语音信息，视频信息，尽力而为数据信息和后 台服务数据信息。
[0030] 参照图2,本发明具体实施步骤如下：
[0031] 步骤1，发起信道接入。
[0032] 每一个接入点AP，将MAC数据业务层收到的网络层接口包，按数据业务类别分类， 即将数据业务分为语音、视频、尽力而为和后台业务运四种类别；
[0033] 所述四种数据业务接入类别的优先级由参数仲裁帖间隔AIFS、发送机会限制 TX0P、最小竞争窗口 CWmin、最大竞争窗口 CWmax决定。
[0034] 仲裁帖间隔AIFS，是指检测信道是否空闲的固定时隙，AIFS = AIFSN相SlotTime+ aSIFSTime，其中，AIFSN表示仲裁帖间隙数，aSlotTime表示一个时隙的时间，aSIFSTime表 示一个短帖间隔。针对不同数据业务可W设置不同的空闲等待时长，AWS数值越大，用户的 空闲等待时间越长，等待时间越短则接入信道的优先级越高。
[0035] 发送机会限制TX0P，定义一次发送数据的最大长度，是指用户一次竞争成功后，可 占用信道的最大时长。其数值越大，用户一次能占用信道的时长越大，如果为0,则每次占用 信道后只能发送一个数据报文，如果一个帖太大导致不能在一个TX0P内发送完毕，则必须 分片。
[0036] 最小竞争窗口 CWmin，是指站点退避时可W选择的最小随机数。
[0037] 最大竞争窗口 CWmax，是指站点退避时可W选择的最大随机数。
[0038] 最小竞争窗口 CWmin和最大竞争窗口 CWmax决定了平均退避时间值，运两个数值越 大，用户的平均退避时间越长，接入优先级越低。
[0039] 步骤2,将按业务类别分类的数据包采用丢尾方式组成数据业务队列。
[0040] 丢尾方式是指当接收的数据分组长度超出了队列能够缓存数据的长度时，则丢掉 超出队列长度的数据分组。
[0041] 步骤3,将每个数据业务队列按照数据分组的大小分成η个分队列。
[0042] 将每个数据业务类别分为η个队列，假设其中队列1表示数据分组大小低于100字 节，队列2表示数据分组大小介于100~2000字节，队列η表示数据分组大小超过10000字节。
[0043] 步骤4,对每个数据业务队列中的η个队列进行一级调度。
[0044] 参照图3,本步骤的具体实现如下：
[0045] (4a)调度每个数据业务队列中的η个分队列，读取每个分队列的第一个数据分组；
[0046] (4b)判断分队列是否非空，若是，执行步骤(4c)，否则，不选取该分队列中的数据 分组；
[0047] (4c)计算第一个数据分组的如下参数：
[004引（4cl)采用香农公式，计算数据分组的传输速率R:K = rigfl + ^]，其中，R表示数据 V丄乂 J 分组的传输速率，W表示数据分组的传输带宽，lg( ·)表示W10为底的对数运算，P表示数据 传输功率，N表不信道噪声功率；
[0049] (4c2)计算数据分组的传输时间：/ ，其中，L表示数据分组长度；
[0050] (4c3)计算数据分组的等待时间：Tw=n*Ti，其中，η表示已接入的数据分组个数，Τι 表示传输一个数据分组需等待的时间，Ti = T(AIFS)+T(ACK)，其中，T(AIFS)表示仲裁帖间 隔，T(ACK)表示确认帖间隔； T -hT
[0化1 ] (4c4)计算数据分组的接入响应比：A ;
[0052] (4d)创建一个空的变长队列作为输出队列，比较各分队列接入响应比pi，并将接 入响应比最大的数据分组移到变长队列；
[0053] (4e)判断各分队列是否非空，若是，返回步骤(4a)，否则，将步骤(4f)中的输出队 列作为新的数据业务队列；
[0054] 步骤5,采用载波侦听多路访问和冲突避免接入机制CSMA/CA，对得到的新的数据 业务队列进行二级调度。
[0055] 参照图4,本步骤的具体实现如下：
[0056] (5a)调度AP中四个数据业务队列，判断各数据业务队列检测信道是否空闲，若是， 执行步骤(5b )，否则，继续进行检测，直到信道空闲；
[0057] (5b)每个数据业务队列等待一个固定帖间隔AIFS，并选择竞争窗口中的一个随机 数，后延一个随机回退时间接入信道，如果两个或多个数据业务队列同时结束随机回退时 间，则将高优先级数据业务接入信道，并对低优先级数据业务队列的竞争窗口加倍，W使其 竞争下一次信道接入。
[005引步骤6，结束信道接入:将经过二级调度的数据传输给一个或几个用户。
[0059] W上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解 了本
【发明内容】
和原理后，都可能在不背离本发明发明原理、结构的情况下，进行形式和细节 上的各种修正和改变，但是运些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护 范围之内。
【主权项】
1. 基于分层调度的IEEE 802.1 lax接入增强方法，其步骤包括如下： (1) 发起信道接入:每一个接入点AP，将收到的网络层接口包，按数据业务类别进行分 类； (2) 将按业务类别分类的数据包采用丢尾方式组成数据业务队列； (3) 将每个数据业务队列按照数据分组的大小分成η个分队列； (4) 对每个数据业务队列中的η个分队列进行一级调度： (4a)读取每个分队列的第一个数据分组并记录数据分组长度； (4b)采用香农公式，计算数据分组的传输速率R; (4c)计算第k个数据分组的传输时间其中，L(k)表示第k个数据分组长 R 度； (4d)计算第k个数据分组的等待时间：Tw(k) =η*Τι，其中，η表示已接入的数据分组个 数，h表示传输一个数据分组需等待的时间，TizTUlFSHTUCK)，其中，T(AIFS)表示仲裁 帧间隔，T (ACK)表示确认帧间隔； (4e)计算第i个分队列中第k个数据分组的接入响应比：P摩其中，Tt(k) Tt(k) 表示第k个数据分组的传输时间，Tw(k)表示第k个数据分组的等待时间； (4f)创建一个空的变长队列作为输出队列，比较各分队列接入响应比Pi(k)并将接入响 应比最大的数据分组移到变长队列； (4g)判断各分队列是否非空，若是，返回步骤(4a)，否则，将步骤(4f)中的输出队列作 为新的数据业务队列； (5) 采用载波侦听多路访问和冲突避免接入机制CSMA/CA，对得到的新的数据业务队列 进行二级调度； (6) 结束信道接入:将经过二级调度的数据传输给一个或几个用户。2. 根据权利要求1所述的基于分层调度的IEEE 802.1 lax接入增强方法，其特征在于， 步骤（1)所述的数据业务类别包括:语音业务、视频业务、尽力而为业务和后台业务，这些业 务的优先级由高到低排列。3. 根据权利要求1所述的基于分层调度的IEEE 802.1 lax接入增强方法，其特征在于， 步骤(2)所述的丢尾方式，是指当接收的数据分组长度超出了队列能够缓存数据的长度时， 则丢掉超出队列长度的数据分组。4. 根据权利要求1所述的基于分层调度的IEEE 802. llax接入增强方法，其特征在于， 步骤(4b)所述的香农公式如下： i? = rig卜訇 其中，R表示数据分组的传输速率，W表示数据分组的传输带宽，lg( ·)表示以10为底的 对数运算，P表示数据传输功率，N表示信道噪声功率。5. 根据权利要求1所述的基于分层调度的IEEE 802.1 lax接入增强方法，其特征在于， 步骤(6)中采用载波侦听多路访问和冲突避免接入机制CSMA/CA对新的数据业务队列进行 二级调度，按如下步骤进行： (6a)各数据业务队列检测信道是否空闲，若是，执行步骤(6b)，否则，继续进行检测，直 到信道空闲； (6b)每个数据业务队列等待一个固定帧间隔AIFS，并选择竞争窗口中的一个随机数， 后延一个随机回退时间接入信道，如果两个或多个数据业务队列同时结束随机回退时间， 则将高优先级数据业务接入信道，并对低优先级数据业务队列的竞争窗口加倍，以使其竞 争下一次信道接入。
【文档编号】H04W74/08GK105873233SQ201610187164
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】陈晨, 项红玉, 任智源, 赵力强, 李红艳, 侯蓉晖
【申请人】西安电子科技大学