专利名称：用于提供ieee802.11系统中的服务质量的系统和方法
技术领域：
本发明涉及无线LAN网络，更具体而言涉及用于提供IEEE 802.11系统中的服务质量的方法和系统。
背景技术：
IEEE 802.11无线局域网协议使能接入点和元(cell)内的移动终端之间的无线通信。IEEE 802.11提供了两种方法以通过移动终端来接入接入点。分布协调函数(DCF)使许多单元能同时争取对网络的接入。点协调函数(PCF)允许接入点控制对网络的接入。尽管现有接入点可使用点协调函数来分配元内的移动终端之间的带宽，当前大多数802.11产品并不支持被用在点协调函数中的轮询机理。这剩下了仅可被用于控制下行链路业务并具有相对于QoS的很受限的可能性的系统。
IEEE 802.11标准目前并不提供对服务质量(QoS)的明确支持。当前正致力于将提供QoS支持的新标准。然而，这种更新远远不能被实施并且对QoS的支持将不能长时间存在。这样，需要一种将支持没有QoS能力的系统的系统并需要可部分支持QoS的系统，并且需要为不支持点协调函数的轮询机理的设备提供现有802.11内部结构中的某种类型的差别的(differentiated)服务质量支持。
除了无线终端的末端用户所使用的IEEE 802.11无线LAN协议以外，IP、UDP、RTP(实时传输协议)和TCP协议也是众所周知的协议。
发明内容
本发明借助一种用于提供802.11无线网络中的服务质量的方法克服了以上和其它问题，其中从至少一个移动终端接收的数据是使用接入点或中间节点(note)内的服务质量代理功能性在该接入点或节点处得以处理的。所述至少一个移动终端然后被提供了来自接入点的多个服务操作。
被包括以提供对本发明的进一步理解并被引入本说明书且作为其一部分的附图与用来说明本发明原理的描述一起说明了本发明的实施例。在附图中图1说明了802.11无线局域网；图2说明了点协调函数的操作；图3说明了用于提供802.11WLAN内的服务质量的第一实施例；图4说明了用于提供802.11WLAN内的服务质量的进一步实施例；图5说明了用于提供802.11WLAN内的服务质量的仍进一步的实施例；图6说明了用于提供802.11WLAN内的服务质量的又一个实施例；图7说明了从接入点被发送给各种移动终端的帧内的持续时间/ID字段；图8说明了对多重STA的NAV传输；图9说明了使用经扩展的网络分配矢量来实现802.11WLAN内的服务质量；图10说明了移动终端、AP和对等末端用户的一个协议堆栈；图11说明了IP版本4协议格式；图12说明了IP版本6协议格式；并且图13说明了TCP协议格式。
具体实施例方式
现在参考附图，更具体而言参考图1，所示为使用IEEE 802.11无线局域网标准的网络环境的实例。无线LAN系统10典型地由许多元15组成，每个都具有每个元15内的至少一个接入点(AP)20。移动终端(MT)25可与特定的接入点20关联，并获得对由连接到有线网络(未示出)的接入点20提供的服务的接入。接入点20和移动终端25有时被称为站(STA)。在以下，当提到接入点和移动终端两者时而不是单独提到其每个时，术语“站”或“STA”被使用。
如先前所述，IEEE 802.11标准提供了两种方法来接入无线介质，也就是说分布协调函数(DCF)和点协调函数(PCF)。分布协调函数是载体意义上的多重接入，而冲突避免方案是所有STA同时竞争对无线介质的接入。STA听取无线介质一个特定的时间量，并当它不忙时，STA开始发送。当发生冲突时，补偿(back off)机理被用于减小进一步冲突的风险。原则上没有方式来预测特定帧的传输将在何时发生，或者特定的STA将获得多少带宽，这是因为对无线介质的接入取决于来自元内其它STA的竞争量。也不可能在STA之间区分，这是因为所有STA都使用相同的规则来竞争，而不管用于传输的数据量或类型。
点协调函数使接入点20能发出(issue)无竞争期(CFP)，从而向接入点20提供对无线介质的控制。这被说明于图2中，其中由接入点20发送的信标30建立了特定元中的无竞争期35。无竞争期35在CFP最大持续时间段到期时或在由接入点20发送CF结束帧40时结束。然后竞争期45处于有效，其中分布协调函数被用于通信，直到接下来的信标50被接入点20发送。在无竞争期35期间，接入点20可发送下行链路(Ap到MT)业务，但移动终端25不被允许发送上行(MT到AP)业务，除非它们被接入点20轮询。这样，通过使用点协调函数，接入点20具有对上行链路和下行链路调度两者的控制。
由于在IEEE 802.11中没有对元内移动终端25之间的带宽的明确分配的支持，需要使用某种类型的服务质量代理26(图1)来用作在服务质量函数中起作用的对等体(peer)之间的媒介。在诸如路由器的中间节点(note)中，服务质量代理26可位于接入点20中，该解决方案可使移动终端25经历不同的带宽、延迟、包误差率等，但移动终端内的802.11层将不知道任何的服务质量差别。
代理的几种可能实施是可用的。对于以下讨论，将针对对应的移动终端25在优选用户和常规用户之间进行参考。例如，优选用户具有比常规用户贵的WLAN供应商的预订并将由此接收元15内的优选处理。亦可在不同类型的数据类别之间，例如高优先权和低优先权之间区分，但为了以下讨论的目的将仅参照用户。接入点20可使用移动终端25的MAC地址以在用户之间区分并且/或者使用IEEE 802.1Q标签以在业务类别之间区分。
现在参考图3，所示为当代理26被实施于接入点20内时的第一实施例。在竞争期间一旦从常规移动终端25收到帧60，接入点20在65处放弃所述帧而不发送确认消息给常规移动终端25的用户。当移动终端25未接收用于帧传输的确认时，移动终端25将在70处增加其竞争窗并在75处将所述帧从移动终端25再次发送到接入点20。较大的竞争窗意味着较长的补偿时间。补偿时间确定在STA被允许发送之前无线介质必须空闲的时间。在具有大量竞争的元15内，这将使总竞争减少，并且尚未增加其竞争窗的移动终端25，包括所有优选移动终端，将具有接入无线介质的优势。
现在参考图4，所示为代理26的实施的可替换实施例，其中在竞争期间一旦从常规移动终端25在接入点20处收到帧80，如对移动终端25为正常情况的那样，接入点20在85处确认收到所接收的帧，但在90处舍弃该帧并且不将该帧传送给被连接于接入点的有线网络。这用来减小协议的较高层发送数据的步幅(pace)。由此减小了TCP发送器发送数据的步幅。这亦减小了通过常规移动终端发送到无线介质上的数据量，并因此其它移动终端，包括优选移动终端，将经历较少的竞争。
现在参考图5，所示为代理的实施的又一个实施例，其中在竞争期间一旦从常规移动终端25收到帧95，接入点20在105处将所接收的帧传送给有线局域网105，但防止将确认发送回常规移动终端发送器25。响应将基本上与针对图3所述相同，其中移动终端25将在110处增加其竞争窗并在115处将所述帧再次发送到接入点20。这与图3的实例之间的差异在较高层上是显而易见的，例如在TCP层的RTT估算上。
每次当接入点20开始如以上针对图2所述的无竞争期35时，元内的所有移动终端25设置其网络分配矢量(NAV)以在无竞争期内保护无线介质。如以上所述，无竞争期在CFP最大持续时间到期时或在接入点20发送CF结束帧给广播地址时结束。一旦收到CF结束帧，移动终端25将重新设置其网络分配矢量并将无线介质向DCF竞争开放。
现在参考图6，为了提供服务质量，接入点20可将被寻址的单播(unicast)CF帧发送给优选移动终端25。这将使接收CF结束帧的移动终端重新设置其网络分配矢量并开始使用分布协调函数。如果仅所选的移动终端接收单播CF结束帧，尽管所有其它的移动终端仍具有其网络分配矢量设置并且被防止发送，但所选移动终端将具有对无线介质的优先接入。
信标在由目标信标发送时间(TBTT)表示的时间处被周期性地发送。在每个TBTT处，在发送信标180之前，接入点20必须等待无线介质变得空闲。这样，如图6中所说明的，在TBTT出现120时，为与特定接入点20关联的所有移动终端而设置网络分配矢量。如果没有任何进一步的动作，在被指示于125处的整个时间段内，将为每个移动终端25而设置所述NAV。如果在130处，接入点20将单播CF结束帧发送给移动终端1，则移动终端1重新设置其NAV然后在时间段135内使用分布协调函数。当接入点20在140处发送单播CF结束帧给移动终端2时，移动终端1和移动终端2两者均在145处使用分布协调函数。在150处，在发送广播CF结束帧之前，仅移动终端1和移动终端2正在使用分布协调函数并因此具有对无线介质的较容易的接入。所有其它移动终端25仅在被轮询时能与接入点20通信。在广播之后，结束帧在150处被发送，并且所有移动终端可在时间段155内开始使用分布协调函数，直到下一个信标160被接收。
现在参考图7-9，代理的进一步实施例被说明，其中在竞争期间，网络分配矢量被用于在帧交换序列的持续时间内保护无线介质。需要接收不被寻址于STA的帧的STA使用所接收帧的如图7中所示的持续时间/ID字段165中的值来更新其NAV值。
通过将具有表示大于所需的时间段的持续时间/ID字段165中的值的帧发送给移动终端，接入点20可给予对给定移动终端25的优先接入。这样，如图8中所示，当接入点20发送帧给第一移动终端25a时，亦接收该帧的一个或多个STA依照所接收的值来设置其网络分配值。由于所述帧的所需接收者移动终端25a并不更新其NAV，经扩展的NAV将不影响所述帧已被寻址的移动终端25a。寻址移动终端25a将在NAV的持续时间内具有优先权接入。
如在图9中所说明的，只要经扩展的NAV持续，则该移动终端25a将具有对无线介质的单独接入。时间T表示所有其它移动终端已设置其NAV并且移动终端25a具有对无线介质的排他接入的时间。常规NAV表示将已通过持续时间字段的标准使用而设置的NAV。经扩展的NAV表示如由以上提出的代理而设置的NAV。图9中的时间T应比DIFS+CW*slot_time长，从而保证移动终端25中的DCF机构可在时间段T内开始传输。CW是竞争窗，DIFS是DCF帧间间隔而slot_time是802.11时隙。该所述系统将提供对移动终端25a的隐含轮询。
在以下实施例中，将在IEEE 802.11WLAN协议上的协议层处强调QoS代理的实施。
图10示出移动终端的一个协议堆栈200的AP处的对应协议堆栈210，以及位于有线LAN 220处的对等末端用户200的协议堆栈。如可以看到的，AP 210对有线侧250利用了一个类型的MAC和物理层并对无线侧利用了802.11MAC和物理层260。亦可看到IP层以及TCP层通过AP 210是透明的。
在以下实施例中，如在图11中看到的，QoS代理修改IP版本4头部中的ToS(服务类型)。在发送或传递所接收的IP数据报之前，QoS代理修改ToS字段。对于优选用户，QoS代理将修改ToS字段以指示高QoS级别，而对于常规用户，QoS代理将修改ToS字段以指示低QoS级别。ToS字段当前被用于依照在许多路由器中实施的DiffServ机理，RFC(信息的)no.2475来协商带宽特性，如延迟和吞吐量(throughput)。通过调节ToS字段，来自终端200的包将向着对等体220经历较低的服务水平。亦有可能通过对应地调节ToS字段来增强对给定终端200的服务。应指出，QoS代理将重新计算IP数据报的校验和，从而反映所操纵的ToS字段，并仍允许进行校验和运算。
类似于以上实施，在IP版本6被使用的情况下，QoS代理修改IP版本6头部中的业务级别字段，见图12。对于优选用户，QoS代理将修改业务级别字段以指示高QoS级别，而对于常规用户，QoS代理将修改业务级别字段以指示低QoS级别。
在另一个实施例中，QoS代理将为常规用户，即低QoS分配的用户而故意地延迟IP数据报或落下(drop)IP数据报。对IP数据报的故意延迟将具有以下效果例如TCP的发送端的较高层递送IP数据报给IP协议的步幅将减小发送步幅。用于常规，即低QoS用户的增加的往返时间将导致用于优选用户，即高QoS用户的较短的往返时间。
落下IP数据报的效果可导致从发送端用户的较高层进行的再次发送，并且处于发送端用户的较高层递送IP数据报给IP协议的减小的步幅。这亦将导致用于优选用户的好处。
通过组合修改、ToS字段、业务级别字段、故意延迟IP数据报和故意落下IP数据报的机理，强有力的工具箱被给予了QoS代理。QoS代理的行为可由IP层上的较高层协议来确定。例如，使用TCP的常规用户可被给予在使用RTP或UDP、或者其任何组合的常规用户之上的优先。
亦可注意到，QoS的行为可依照较低层统计来确定。例如，IEEE802.11占用/空闲阈可确定IP数据报的延迟以使在占用/空闲阈高的情况下，与在占用/空闲阈较低时相比，较多的IP数据报被延迟。
在另一个实施例中，QoS代理将通过AP从无线移动终端跨越到例如有线LAN中的对等实体的TCP连接分裂成2个TCP连接。该分裂将在QoS代理中进行并导致2个TCP连接。QoS代理然后将传递从无线移动终端来回浮动(float)的TCP段，并且如可从两者的末端用户均可看到的，将用作任何其它的对等TCP发送器或接收器。
类似于QoS代理修改IP版本4头部中的ToS字段的情况，QoS代理可修改TCP头部中的窗字段，见图13。
窗字段确定用于发送器的待处理(outstanding)数据量的上限并因此确定其包传输速率的上限。通过增加用于优选用户的窗字段并且/或者减小用于常规用户的窗字段，优选用户可察觉到TCP层的较高吞吐量并因此察觉到增加的QoS。
可注意到，除了当传递TCP字段时实际改变窗字段以外，QoS代理亦可影响通信末端用户以改变窗字段。这可例如通过向着末端用户的明确控制链路来实现。
从以上描述来看可以认为本发明的操作和构造是显然的，并且尽管在此所示和所述的本发明已被表征为特定的实施例，可在如在以下权利要求中所限定的本发明的范围内在其中做出改变和修改。
权利要求
1.一种用于提供无线局域网中的服务质量的方法，包括以下步骤使用服务质量代理来处理来自至少一个移动终端的所接收数据；以及提供服务质量操作给所述至少一个移动终端。
2.权利要求1的方法，其中处理步骤进一步包括以下步骤通过所述服务质量代理从移动终端接收帧；放弃所接收的帧；以及防止收到所述帧的收到确认被发送回到所述移动终端。
3.权利要求1的方法，其中处理步骤进一步包括以下步骤通过所述服务质量代理从移动终端接收帧；以及放弃所接收的帧。
4.权利要求1的方法，其中处理步骤进一步包括以下步骤通过所述服务质量代理从移动终端接收帧；防止收到所述帧的收到确认被发送回到所述移动终端；以及将所述帧传送给有线网络。
5.权利要求1的方法，其中处理步骤进一步包括以下步骤为与一接入点关联的多个移动终端的每个移动终端而设置网络分配矢量；将单播CF结束帧发送给所述多个移动终端的至少一个移动终端；以及响应于所述单播CF结束帧，为所述至少一个移动终端重新设置网络分配矢量以使能对无线网络的DCF接入。
6.权利要求5的方法，进一步包括以下步骤将CF结束帧广播到所述多个移动终端；以及为任何剩余的移动终端重新设置网络分配矢量。
7.权利要求1的方法，其中处理步骤进一步包括以下步骤发送可由多个移动终端的每个接收的来自接入点的帧，所述帧被寻址于特定的移动站并包括比所需的大的持续时间/ID字段中的值；依照所指示的值为所述帧未被寻址的每个移动终端而设置被寻址的NAV；响应于比所需值大的值，在一个时间段内提供特定移动站对接入点的优先权接入。
8.任何一个以上权利要求的方法，其中无线是802.11无线局域网。
9.权利要求1的方法，特征在于代理修改IPv4头部中的ToS字段。
10.权利要求1的方法，特征在于代理修改IPv6中的业务级别字段。
11.权利要求1的方法，特征在于代理故意延迟一个或多个IP包。
12.权利要求1的方法，特征在于代理故意落下一个或多个IP包。
13.权利要求1的方法，特征在于通信对等体在其通信中使用TCP。
14.权利要求1的方法，特征在于通信对等体在其通信中使用UDP。
15.权利要求1的方法，特征在于通信对等体在其通信中使用RTP。
16.权利要求13的方法，特征在于代理分裂TCP连接，就是说，为通信对等体截取并确认段。
17.权利要求16的方法，特征在于代理修改TCP头部中的窗字段。
18.权利要求16的方法，特征在于代理影响通信对等体在窗字段中设置的值。
19.任何一个以上权利要求的方法，其中代理驻留在一AP中。
全文摘要
一种用于提供诸如802.11无线网络的无线网络中的至少一个移动终端的服务质量的方法，其中网络的接入点或另一个实体内的服务代理功能性提供服务操作给所述至少一个移动终端。
文档编号H04L29/06GK1853371SQ02822376
公开日2006年10月25日 申请日期2002年11月12日 优先权日2001年11月12日
发明者J·林斯科格, S·罗默, G·赖德内尔, U·汉松, J·库兰德尔, K·F·约翰松 申请人:艾利森电话股份有限公司