CN104936224B - Wlan中具有双频段ap的能效分流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种WLAN中具有双频段AP的能效分流方法，主要解决无线网络接入点设备中时延和功率消耗大及吞吐量小的问题。其实现方案是：1、在AP设备中用单双频转换算法选择最优化的频段数目，该算法基于在线采样，当单频段能够满足网络业务的服务质量需求时，仅使用单频段传输业务，当不能满足时，开启下一频段；2、由单双频转换算法确定频段数目，并在发送业务包之前，利用漏斗缓存需要发送的业务包，当超过漏斗的开关阀值时，将全部缓存的帧发送到发送缓存队列较短的频段上。本发明提高了用户的能效，为生产设备厂家减小了能耗，可用于无线局域网WLAN在双频段中选择频段和网络层流量控制。

Description

WLAN中具有双频段AP的能效分流方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体一种无线接入点AP的能效分流方法，可用于无线局域网WLAN在双频段中选择频段和网络层流量控制。

背景技术

在无线局域网中，业务来临之后要解决流量控制的问题，通常有随机分配、冗余分配、注水分配和帧聚合分配等几种分配方式。然而随着移动应用业务的井喷式增长，终端设备的能耗越来越大，导致客户对移动设备的技术指标要求也就越来越高。而且多频段的无线局域网WLAN采用802.11n协议，相比传统型的AP设备，新型设备功耗增加的原因是因为配备了多端口，增加了电路单元的固定消耗，但是上述传统的单一分流方式还是不能更好的解决能耗问题。因此，必须提出更好的解决策略来应对能耗。

在无线局域网中，无线接入点AP的配置有两个频段：2.4GHZ和5.8GHZ。业务传输时，需要进行流量控制，对于不同的分流方法会选择不同的频段。随着无线局域网的快速发展，网络对吞吐量、能效和时延的要求越来越高。而上述传统的分流方式均存在不同的缺陷：

随机分配：不考虑每个频段的实际情况，将要发送的业务包随机的分配到某一个频段上，毫无目的的进行业务分配，其性能自然很差。

冗余分配：首先考虑2.4GHz频段，将业务包优先分配到2.4GHz频段，只有当2.4GHz的频段到达饱和时，才将业务分配到5.8GHz频段，当业务负载较轻时，只有2.4GHz频段处于工作状态，5.8GHz频段大部分时间处于空闲状态没有考虑不同频段的传输能力，因此达不到很好的性能。

注水分配：在业务发送到终端设备之前，AP设备检查工作在2.4GHz和5.8GHz频段的发送缓存队列，然后将新来的业务发送到队列长度最短的发送缓存队列可以实现更好的性能。但每发送一个业务包就需要发送一个802.11报文PLCP Preamble和PLCP Header，增大了传输开销，时延达不到很好的性能。

帧聚合：通过一次性发送若干个业务包，将业务包分发到不同频段之前缓冲了一下，只需要发送一个802.11报文PLCP Preamble和PLCP Header，减小了开销，进而减少了应答时间，而缓存时间又比较小，又避免了过多的时延，从而提高***吞吐量。但由于在发送业务包时没有考虑不同频段的发送缓冲队列长度，不能更有效的传输业务。

发明内容

本发明的目的在于是针对上述已有技术的不足，提出一种WLAN中具有双频段AP的能效分流方法，以减少传输时延，提高吞吐量，实现更有效的业务传输。

实现本发明目的的技术方案是：将现有的注水分配和帧聚合相结合，先利用帧聚合缓存到来的业务包，等到缓存的业务量到达帧聚合缓存的上限时，再利用注水分配将缓存的业务包发送到输入缓存队列最短的频段上。其实现步骤包括如下：

(1)初始化当前射频配置的时间、业务到达率S和业务通过量G，AP节点开始发送业务包，邻节点接收业务包；

(2)设定采样间隔门限值T_Thr为一常数，业务到达率S的变化量σ_S也为常数，邻节点根据检测距上次采样过程的时间间隔T_L或业务到达率S确定后续的操作：若满足T_L≥T_Thr或|S±S'|≥2σ_S之一者，则执行步骤(3)，否则，执行步骤(5)，其中，S'表示业务到达率的平均值；

(3)AP节点返回到单频段工作，计算当前单频段工作的吞吐量G_S和平均功率损耗P₁，预测切换到双频段的吞吐量G_d和第二频段的平均功率损耗P₂；

(4)记录当前发送业务时间T和上次采样截止时间T_E，判断采样持续时间是否溢出：

若满足T-T_E＜T_Thr，则采样持续时间未溢出，则执行步骤(3)；

若满足T-T_E≥T_Thr，则采样持续时间溢出，此时，若满足则执行步骤(5)，若不满足，则AP节点继续工作在单频段，执行步骤(8)，其中节点其他组件的固定消耗用常数P_c表示；

(5)AP节点返回到双频段工作处理到来的业务包，即把到来的业务包放在一个事先配置好的漏斗中，漏斗配备活塞，在漏斗未满载之前用活塞将漏斗堵住；

(6)随着业务包的不断到来，在漏斗未满载之前，不断更新漏斗的重量并且重新调度打开活塞的时间；

(7)判断漏斗中的重量是否超过该发送缓冲队列长度：

若漏斗中的重量超过发送缓冲队列长度，则将所有的业务包发送到发送队列长度最短的频段，执行步骤(8)；

若漏斗中的重量未超过发送缓冲队列长度，则继续聚合业务包，返回到步骤(6)；

(8)AP节点发送业务包，接收端接收业务包。

本发明相比于传统的分流方法，融合了注水分配和帧聚合的双重优点，具有如下效果：

1)避免了过多的时延：本发明在业务包到来时，将业务包分发到不同频段之前先缓冲一下，进行帧聚合，然后动态更新缓存的包的权重，若满足打开活塞的条件则将所有聚合的帧发送到发送缓存队列最短的频段中，这样聚合的帧只需要一个报头，减少了发送所需要的PLCP preamble和报头开销，缩短了发送时间，避免了过多的时延，而缓存时间又比较小，也避免了过多的时延，再利用注水分配发送缓存的业务包进一步缩短了发送时间，又避免了过多的时延；

2)提高了能效：本发明在当业务负载来临时，先进行帧聚合，开关阀值到达后，发送聚合的业务包，减小了传输损耗，从而减小了能耗，提高了能效，而又利用注水分配分发业务，缩短了发送时间，提高了吞吐量，也提高了能效，其中，能效＝吞吐量/能耗。

附图说明：

图1是本发明的实现流程图；

图2是用本发明对不同的传输速率中四种分流策略的吞吐量性能仿真结果图；

图3是用本发明对不同的传输速率中四种分流策略的能效性能仿真结果图；

图4是用本发明对不同的传输速率中四种分流策略的时延性能仿真结果图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的技术方案和效果做进一步的描述。

在WLAN中，无线接入点AP的端口配置有两个频段：2.4GHZ和5.8GHZ，首先设计双频段AP的节能方法，即单双频段转换算法，该算法基于在线采样，实时性地进行网络性能的统计和评估，自适应的选择最具能效的端口配置，当单频段能够满足网络业务的服务质量需求时，仅使用单频段传输业务，当不能满足时，则同时使用双频段进行分流，在此基础之上，本发明针对802.11n标准中的帧聚合特性，提出了帧聚合和注水分配相结合的策略，该策略是指当业务被传递到不同的频段之前，先进行缓存以便聚合到更多的帧；当缓存的帧的权重超过开关阀值时，则将其***到发送缓存队列较短的频段中。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1：初始化网络参数：

初始化当前射频配置的时间为0、业务到达率S和业务通过量G均为0，AP节点开始发送业务包，邻节点接收业务包。

步骤2：通过单双频段转换选择频段。

本发明基于在线采样，实时性地进行网络性能的统计和评估，自适应的选择最具能效的端口配置，具体实施步骤如下：

2.1)判断是否满足T_L≥T_Thr或|S±S'|≥2σ_S之一，若满足之一则执行步骤2.2，此时返回到单频段工作，否则，执行步骤3，此时返回到双频段工作，其中，采样间隔门限值T_Thr为一常数，业务到达率S的变化量σ_S也为常数，T_L表示距上次采样过程的时间间隔，S'表示业务到达率的平均值；

2.2)AP节点返回到单频段工作，计算当前单频段工作的吞吐量G_S和平均功率损耗P₁，预测切换到双频段的吞吐量G_d和第二频段的平均功率损耗P₂，其中，当前单频段的吞吐量G_S和平均功率损耗P₁根据进网络的实时性直接统计出来；双频段的吞吐量G_d和第二频段的平均功率损耗P₂通过如下预测得到：

用业务到达率S估计开启双频段时的吞吐量G_d，即用S≥G_d评估开启双频段的条件，根据开启双频段的条件：推出开启双频段的条件为：

此时，开启第二频段，进行分流；

P₂按照公式进行估计，其中，P_TX表示当前频段发送业务时的平均功耗，P_I表示当前频段处于空闲时的平均功耗；

2.3)记录当前发送业务时间T和上次采样截止时间T_E，判断采样持续时间是否溢出：

若满足T-T_E＜T_Thr，则采样持续时间未溢出，执行步骤2.2；

若满足T-T_E≥T_Thr，则采样持续时间溢出，此时，若满足执行步骤3，若不满足，则AP节点继续工作在单频段并发送业务包，接收端接收业务包，步骤执行结束。

步骤3：对发送的业务包进行聚合。

AP节点返回到双频段工作处理需要发送的业务包，即将业务包发送到不同频段之前，需要缓冲一下，以便聚合更多的帧；当缓存的包的权重超过开关阀值时，则将要发送的包块***到发送缓存队列长度较短的队列中，具体实施步骤如下：

3.1)把到来的业务包放在一个事先配置好的漏斗中，漏斗配备活塞，在漏斗未满载之前用活塞将漏斗堵住；

3.2)随着业务包的不断到来，在漏斗未满载之前，不断更新漏斗的重量并且重新调度打开活塞的时间，具体更新漏斗重量的方法，按照如下公式计算：

其中，W表示更新后的漏斗重量，n表示缓存的业务包个数，i表示第i个到达的业务包，T_i表示第i个到达的业务包在缓存中停留的时间，Upper_Bound表示帧聚合的上界。

步骤4：发送聚合后的业务包。

若漏斗中的重量超过发送缓冲队列长度，则将所有的业务包发送到发送队列长度最短的频段，AP节点发送业务包，接收端接收业务包，步骤执行结束；

若漏斗中的重量未超过发送缓冲队列长度，则继续聚合业务包，返回到步骤3。

本发明的效果可通过以下仿真进一步描述：

1、仿真条件：

基于上述实施例，在WLAN中对于双频段AP，让其中一个频段处于5.8GHz，带宽为40MHz，另一个频段处于2.4GHz，带宽为20MHz，双频段配置业务负载，业务传输速率从100～200Mbps依次递增，在业务包发送到终端用户之前，配置好漏斗，用于聚合需要发送的帧，满足打开漏斗的条件时，按照注水分配发送业务包。

2、仿真内容与结果分析：

仿真1：按照上述仿真条件，分别统计随机分配、冗余分配、注水分配和本发明这四种分流分配方案的吞吐量性能，结果如图2所示。

从图2可见，随着业务传输速率不断增大，随机分配性能最差，冗余分配次之，紧接着是注水分配，而本发明所提方案吞吐量最大，这是因为：

随机分配：不考虑每个频段的实际情况，将要发送的业务包随机的分配到某一个频段上，毫无目的的进行业务分配，其吞吐量性能自然很差；

冗余分配：首先考虑2.4GHz频段，将业务包优先分配到2.4GHz频段，只有当2.4GHz的频段到达饱和时，才将业务分配到5.8GHz频段，当业务负载较轻时，只有2.4GHz频段处于工作状态，5.8GHz频段大部分时间处于空闲状态没有考虑不同频段的传输能力，因此吞吐量达不到很好的性能；

注水分配：在业务包发送到终端设备之前，AP设备检查工作在2.4GHz和5.8GHz频段的发送缓存队列，然后将新来的业务发送到队列长度最短的发送缓存队列，但未考虑业务包的帧聚合，吞吐量达不到很好的性能；

本发明：融合了帧聚合和注水分配的双重优点，不仅考虑不同频段的传输能力，而且业务包传输之前进行了帧聚合，因此吞吐量优于上述传统方法。

仿真2：按照上述仿真条件，分别统计随机分配、冗余分配、注水分配和本发明这四种分流分配方案的能效性能，结果如图3所示：

从图3可见，随着业务传输速率不断增大，随机分配性能最差，冗余分配次之，再次是注水分配，而本发明的能效性能最优，其中，能效＝吞吐量/能耗，这是因为：

随机分配：不考虑每个频段的实际情况，将要发送的业务包随机的分配到某一个频段上，毫无目的的进行业务分配，其能效性能自然很差；

冗余分配：首先考虑2.4GHz频段，将业务包优先分配到2.4GHz频段，只有当2.4GHz的频段到达饱和时，才将业务分配到5.8GHz频段，当业务负载较轻时，只有2.4GHz频段处于工作状态，5.8GHz频段大部分时间处于空闲状态没有考虑不同频段的传输能力，吞吐量达不到很好的性能，而且空闲状态能耗很大，因此能效性能达不到最优；

注水分配：在业务发送到终端设备之前，AP设备检查工作在2.4GHz和5.8GHz频段的发送缓存队列，然后将新来的业务发送到队列长度最短的发送缓存队列，但未考虑业务包的帧聚合，吞吐量达不到很好的性能，因此能效性能达不到最优；

本发明：融合了帧聚合和注水分配的双重优点，不仅考虑不同频段的传输能力，而且传输之前进行了帧聚合，吞吐量优于上述传统方法，因此能效也优于上述传统方案。

仿真3：按照上述仿真条件，分别统计随机分配、冗余分配、注水分配和本发明这四种分流分配方案的时延性能，结果如图4所示。

从图3可见，四种分流分配方案的时延中本发明所提方案时延性能最优，这是因为：

冗余方案：由于业务负载很大，双频段缓存队列大部分时间处于满载状态即超过发送队列缓存长度64，在这种动态满载状态下，只有很少一部分时间双频段发送缓存队列长度小于64，双频段缓存队列变化不大，因此时延变化不是很明显；

随机分配：不考虑每个频段的实际情况，将要发送的业务包随机的分配到某一个频段上，毫无目的的进行业务分配，时延自然很差；

注水分配：在业务发送到终端设备之前，AP设备检查工作在2.4GHz和5.8GHz频段的发送缓存队列，然后将新来的业务发送到队列长度最短的发送缓存队列，但未考虑业务包的帧聚合，不能减少发送所需要的PLCP preamble和报头开销，时延性能也达不到最优；

本发明：将业务包分发到不同频段之前先缓冲一下，进行帧聚合，然后动态更新缓存的包的权重，若满足打开活塞的条件则将所有聚合的帧发送到发送缓存队列最短的频段中，这样聚合的帧只需要一个报头，减少了发送所需要的PLCP preamble和报头开销，缩短了发送时间，避免了过多的时延，而缓存时间又比较小，也避免了过多的时延，再利用注水分配发送缓存的业务包进一步缩短了发送时间，又避免了过多的时延；

当业务负载达到180～200Mbps时，此时传输队列完全处于满载状态，随机分配、注水分配和所提方案没有多大的区别，故时延性能接近，但是，冗余分配产生了大量的丢包，统计的包数量变少，故看上去时延性能很好。

以上描述仅是本发明的具体实例，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，都能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这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。

Claims (3)

1.一种WLAN中具有双频段AP的能效分流方法，包括如下步骤：

(1)初始化当前射频配置的时间、业务到达率S和业务通过量G，AP节点开始发送业务包，邻节点接收业务包；

(2)设定采样间隔门限值T_Thr为一常数，业务到达率S的变化量σ_S也为常数，邻节点根据检测距上次采样过程的时间间隔T_L或业务到达率S确定后续的操作：若满足T_L≥T_Thr或|S±S'|≥2σ_S之一者，则执行步骤(3)，否则，执行步骤(5)，其中，S'表示业务到达率的平均值；

(3)AP节点返回到单频段工作，计算当前单频段工作的吞吐量G_S和平均功率损耗P₁，预测切换到双频段的吞吐量G_d和第二频段的平均功率损耗P₂；

(4)记录当前发送业务时间T和上次采样截止时间T_E，判断采样持续时间是否溢出：

若满足T-T_E＜T_Thr，则采样持续时间未溢出，则执行步骤(3)；

若满足T-T_E≥T_Thr，则采样持续时间溢出，此时，若满足则执行步骤(5)，若不满足，则AP节点继续工作在单频段，执行步骤(8)；

(5)AP节点返回到双频段工作处理到来的业务包，即把到来的业务包放在一个事先配置好的漏斗中，漏斗配备活塞，在漏斗未满载之前用活塞将漏斗堵住；

(6)随着业务包的不断到来，在漏斗未满载之前，不断更新漏斗的重量并且重新调度打开活塞的时间；

(7)判断漏斗中的重量是否超过该发送缓冲队列长度：

若漏斗中的重量超过发送缓冲队列长度，则将所有的业务包发送到发送队列长度最短的频段，执行步骤(8)；

若漏斗中的重量未超过发送缓冲队列长度，则继续聚合业务包，返回到步骤(6)；

(8)AP节点发送业务包，接收端接收业务包。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(3)预测切换到双频段的吞吐量G_d和第二频段的平均功率损耗P₂，按照如下公式计算：

用业务到达率S估计开启双频段时的吞吐量G_d，即用S≥G_d评估开启双频段的条件，根据开启双频段的条件：推出开启双频段的条件为：此时，开启第二频段，进行分流；

P₂按照公式进行估计，其中，P_TX表示当前频段发送业务时的平均功耗，P_I表示当前频段处于空闲时的平均功耗。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(6)不断更新漏斗的重量，按照如下公式计算：

其中，W表示更新后的漏斗重量，n表示缓存的业务包个数，i表示第i个到达的业务包，T_i表示第i个到达的业务包在缓存中停留的时间，Upper_Bound表示帧聚合的上界。