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DE102004045426A1 - Quality of service and load balancing method for radio network involves control system which securely sets quality of service of radio communication from mobile stations to access points - Google Patents

Quality of service and load balancing method for radio network involves control system which securely sets quality of service of radio communication from mobile stations to access points Download PDF

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DE102004045426A1 DE102004045426A DE102004045426A DE102004045426A1 DE 102004045426 A1 DE102004045426 A1 DE 102004045426A1 DE 102004045426 A DE102004045426 A DE 102004045426A DE 102004045426 A DE102004045426 A DE 102004045426A DE 102004045426 A1 DE102004045426 A1 DE 102004045426A1
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Abstract

Quality of service and load balancing method involves a control system (LDS) which securely sets the quality of service of a radio communication from mobile stations (STA) to an access point (AP). The transmission between various access points becomes balanced such that the transmission bandwidth of each mobile station for the running application is sufficient.

Description

Die Erfindung betrifft die Sicherstellung der Dienstgüte (Quality of Service, QoS) in WLAN-Systemen (Basis IEEE 802.11) durch ein Load Balancing-Verfahren unter Verwendung eines Kommunikationsprotokolls auf der Basis des Session Initiation Protocols (SIP) sowie spezieller Kommunikationsgeräte (Intelligent Access points, IAP).The The invention relates to ensuring the quality of service (Quality of Service, QoS) in WLAN systems (based on IEEE 802.11) Load balancing method using a communication protocol based on the Session Initiation Protocol (SIP) as well as more specific communications equipment (Intelligent Access Points, IAP).

Funknetzwerke (Wireless LAN, WLAN) wurden als Erweiterung drahtgebundener Netzwerke (Local Area Network, LAN) entwickelt. Heutige WLAN-Systeme richten sich nach den vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) veröffentlichten Normen mit der Nummer 802.11. Diese Normen (Standards) beschreiben zellenorientierte Netzwerke. Jede (räumliche) Zelle des Netzwerkes wird durch einen Access Point (AP) versorgt. Der Access Point ist mit einem/dem drahtgebundenen Netzwerk verbunden und kann theoretisch beliebig viele mobile Stationen (STA) an das Netzwerk anbinden.Wireless Networks (Wireless LAN, WLAN) were used as an extension of wired networks (Local Area Network, LAN). Today's WLAN systems are aimed according to the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) published Standards with the number 802.11. Describe these standards cell-oriented networks. Each (spatial) cell of the network becomes supplied by an access point (AP). The access point is with connected to a wired network and can theoretically connect any number of mobile stations (STA) to the network.

Die Übertragungs-Bandbreite des AP ist systembedingt begrenzt und wird auf die angeschlossenen mobilen Stationen (STA) aufgeteilt. Je nach Bandbreitenbedarf und Anzahl der mobilen Stationen kann es ab einer bestimmten Zahl angebundener STA zu einer Überlastung des AP führen. Als Ergebnis dieser Überlastung wird die Bandbreite pro STA so weit reduziert, dass die laufenden Anwendungen auf den STAs nicht mehr genügend Bandbreite zur Verfügung gestellt bekommen. Insbesondere bei Echtzeitanwendungen wie der Telephonie (Voice over IP, VoIP) oder der Videobildübertragung führt dies zu Störungen bis hin zum Abbruch der Anwendung.The transmission bandwidth The AP is system-limited and is connected to the connected divided into mobile stations (STA). Depending on the bandwidth requirements and Number of mobile stations can start at a certain number of connected STAs to an overload lead the AP. As a result of this overload The bandwidth per STA is reduced so much that the running Applications on the STAs no longer provided enough bandwidth to get. Especially for real-time applications like telephony (Voice over IP, VoIP) or the video picture transmission leads this to disturbances up to the termination of the application.

In WLAN-Installationen mit mehr als einem AP ist es möglich, dass sich STAs durch überschneidende AP-Zellen bewegen. In diesem Fall muss sich die STA bei dem zuletzt verwendeten AP ab- und bei dem räumlich/logisch/funktechnisch nächsten AP anmelden. Dieser Vorgang wird durch Messungen des Rauschabstandes (Signal to Noise Ratio, SNR) ausgelöst. Sobald der SNR einer bestehenden Verbindung einen Schwellenwert unterschreitet und ein AP mit einem höheren SNR existiert, wird dieser handover oder roaming genannte Vorgang ausgelöst. In diesem Fall kann es ebenfalls zu einer unkontrollierten Überlastung des neu verbundenen APs kommen.In WLAN installations with more than one AP, it is possible that STAs are overlapping Move AP cells. In this case, the STA must be at the last used AP and in the spatial / logical / radio technology next Login AP. This process is done by measurements of the signal to noise ratio (Signal to Noise Ratio, SNR). Once the SNR of an existing Connection falls below a threshold and an AP with a higher SNR exists, this handover or roaming process is called triggered. In this case, it can also lead to an uncontrolled overload of the newly connected APs.

Die derzeitigen Regeln des Standards IEEE 802.11 bieten keine Lösungen für die beschriebene Problematik.The Current rules of the IEEE 802.11 standard do not provide solutions to the problem described.

Aufgabe des hier beschriebenen Verfahrens ist die Kontrolle der Lastverteilung der Access Points in einem IEEE 802.11-WLAN-Netzwerk in der Weise, dass angeschlossenen mobilen Stationen (STA) durch ein Steuerungssystem eine für die jeweilige Anwendung notwendige Dienstgüte zugesichert werden kann.task The method described here is the control of the load distribution of the access points in an IEEE 802.11 wireless network in such a way that connected mobile stations (STA) by a control system one for the respective application necessary quality of service can be assured.

Die Aufgabe wird durch ein Lastverteilungsverfahren (Load Distribution Mechanism, LDM) ausgeführt von einen Lastverteilungssystem (Load Distribution System, LDS) gelöst, wie es nachfolgend beschrieben wird.The Task is solved by a load distribution method (load distribution Mechanism, LDM) from a load distribution system (LDS) solved, as described below.

In einer WLAN-Installation werden mobile Stationen (STAs) in überlappenden Bereichen von Access Points (APs) durch ein Load Distribution System verwaltet. Dabei werden zwei Kategorien von Komponenten des LDS unterschieden: Lastverteilungskomponenten und Lastzuweisungskomponenten. Die Lastverteilungskomponenten werden für einen Lastverteilungsmechanismus (Load Balancing Mechanism, LBM) und die Lastzuweisungskomponenten für einen Verfahren zur Sicherung der Dienstgüte (Quality of Service, QoS) benötigt.In In a WLAN installation, mobile stations (STAs) become overlapping Areas of Access Points (APs) through a Load Distribution System managed. There are two categories of components of the LDS distinguished: load distribution components and load allocation components. The load distribution components become for a load distribution mechanism (Load Balancing Mechanism, LBM) and the load allocation components for one Quality of service (QoS) assurance method needed.

Diese Komponenten können sowohl auf den mobilen Stationen als auch auf Netzwerkknoten (Server, Intelligente Access Points) installiert und in drei verschiedenen Architekturen verwendet werden: zentrale, verteilte und gemischte Architektur. Den Kern des LDS stellt der Load Distribution Manager (LDG) dar. Der LDG ist je nach Konfiguration für die Verwaltung eines gesamten Netzwerkes oder für einen Teil verantwortlich. In dem Fall, dass ein Netzwerk von mehreren LDGs verwaltet wird, können die LDGs untereinander kommunizieren und Lastdaten austauschen. Die Funktion der Komponenten auf den mobilen Stationen ist unabhängig von der verwendeten Architektur. Der LDG kann auf Servern oder auf Intelligenten Access Points (IAPs) verwendet werden.These Components can both on the mobile stations and on network nodes (servers, Smart Access Points) installed and in three different Architectures used: central, distributed and mixed Architecture. The core of the LDS is the Load Distribution Manager (LDG) Depending on the configuration, the LDG is for the management of an entire Network or for a part in charge. In the event that a network of several LDGs can be managed the LDGs communicate with each other and exchange load data. The function of the components on the mobile stations is independent of the architecture used. The LDG can be on servers or on Smart Access Points (IAPs) are used.

Die mobilen Stationen messen regelmäßig die Parameter der aktuellen Verbindung zum AP und übertragen diese Parameter regelmäßig oder ereignisausgelöst an den verwaltenden LDG. Die Stationen prüfen auch die Parameter anderer erreichbarer APs und übertragen diese Parameter gemeinsam mit den o. a. Daten der bestehenden Verbindung.The Mobile stations regularly measure the Parameters of the current connection to the AP and transmit these parameters regularly or event-triggered to the managing LDG. The stations also check the parameters of others reachable APs and transmit these parameters together with the o. a. Data of the existing connection.

Für die Sicherung der Dienstgüte (QoS) können ein dynamisches und ein statisches Bandbreitenzuordnungsverfahren verwendet werden. Beim statischen Verfahren muss die STA vor dem Start einer Datenübertragung beim LDG Bandbreite für die gesamte Verbindungsstrecke reservieren und kann erst nach Zuweisung der Bandbreite die Übertragung beginnen. Nach Ende der Übertragung muss die STA die reservierte Bandbreite wieder frei geben. Beim dynamischen Verfahren informiert die Station den LDG nur über die benötigte Bandbreite. Da dem LDG die Last aller APs bekannt ist, entscheidet der LDG nach dem implementierten Lastverteilungsalgorithmus (Load Distribution Algorithm, LDA) über die Lastverteilung. Diese Lastverteilung kann die Anweisung an bestimmte STAs beinhalten, den AP zu wechseln (Handover) oder den eigenen Bandbreitenbedarf zu reduzieren.For quality of service (QoS) assurance, dynamic and static bandwidth allocation techniques can be used. In the case of the static method, the STA must provide bandwidth for the LDG bandwidth before starting a data transmission Reserve entire link and can begin transmission only after allocation of the bandwidth. After the end of the transmission, the STA must release the reserved bandwidth again. During the dynamic procedure, the station only informs the LDG about the required bandwidth. Since the load of all APs is known to the LDG, the LDG decides according to the implemented load distribution algorithm (load distribution algorithm, LDA) via the load distribution. This load distribution may include the instruction to certain STAs to switch the AP (handover) or reduce their own bandwidth requirements.

Claims (10)

Quality of Service- und Load-Balancing-Verfahren für Funknetzwerke (Wireless LAN, WLAN, nach IEEE 802.11), dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Steuerungssystem (Lastverteilungssystem, Load Distribution System, LDS) die Dienstgüte (Quality of Service, QoS) von Funkverbindungen (mehrerer) mobiler Stationen (STA) zu einem Access Point (AP) sicher gestellt werden und die Übertragungslast zwischen mehreren APs soweit ausgeglichen wird, dass die Übertragungsbandbreite für jede mobile Station für die laufende Anwendung ausreichen ist.Quality of service and load balancing method for wireless networks (wireless LAN, WLAN, IEEE 802.11), characterized in that by a control system (load distribution system, load distribution system, LDS), the quality of service (QoS) of wireless connections (Multiple) mobile stations (STA) to an access point (AP) are ensured and the transmission load between multiple APs is balanced so far that the transmission bandwidth for each mobile station for the current application is sufficient. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastverteilung (Load distribution) der Access Points durch einen oder mehrere zentrale(n) Server gesteuert wird (zentrale Lösung, Central LDS architecture, C-LDS, siehe 2).A method according to claim 1, characterized in that the load distribution (load distribution) of the access points is controlled by one or more central (s) server (central solution, Central LDS architecture, C-LDS, see 2 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastverteilung (Load distribution) der Access Points durch die Access Points selbst gesteuert wird (verteilte Lösung, Distributed LDS architecture, D-LDS, siehe 3). Dazu teilen sich die Access Points ihre jeweilige Last gegenseitig mit. Das verwendete Kommunikationsverfahren richtet sich nach der Größe des Netzwerkes und der Anzahl Access Points. Bei größeren Netzen werden hierfür Master/Slave- oder Broker-Architekturen verwendet.A method according to claim 1, characterized in that the load distribution (load distribution) of the access points is controlled by the access points themselves (distributed solution, distributed LDS architecture, D-LDS, see 3 ). In addition, the access points share their load with each other. The communication method used depends on the size of the network and the number of access points. For larger networks, master / slave or broker architectures are used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastverteilung (Load distribution) der Access Points durch die Access Points und durch zentrale Server ausgeglichen und gesteuert wird (gemischte Lösung, Hybrid LDS architecture, H-LDS, siehe 4). Dazu kommunizieren die Access Points und der bzw. die Server die Lastdaten der beteiligten Access Points. Das verwendete Kommunikationsverfahren richtet sich nach der Größe des Netzwerkes und der Anzahl Access Points. Bei größeren Netzen werden hierfür Master/Slave- oder Broker-Architekturen verwendet.A method according to claim 1, characterized in that the load distribution (load distribution) of the access points through the access points and central servers balanced and controlled (mixed solution, hybrid LDS architecture, H-LDS, see 4 ). For this purpose, the access points and the server (s) communicate the load data of the access points involved. The communication method used depends on the size of the network and the number of access points. For larger networks, master / slave or broker architectures are used. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in drei Versionen (zentral, verteilt und gemischt) implementiert werden kann.Method according to Claims 1 to 4, characterized that the procedure in three versions (central, distributed and mixed) can be implemented. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Access Points und/oder Server mobile Stationen (STA) über ein Kommunikationsprotokoll anweisen können, die Verbindung zu einem Access Points abzubrechen und dafür die Verbindung zu einem anderen Access Point herzustellen (Forced Handover).Method according to claim 1, characterized in that that access points and / or server mobile stations (STA) via a Communication protocol, the connection to a Abort access points and connect to another Access Point (Forced Handover). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung als WLAN IEEE 802.11-Access Point funktioniert und durch zusätzliche Programmierung die Steuerung der Lastverteilung sowie die Kommunikation der Lastdaten mit dem oder den Servern und anderen Access Points der gleichen Art übernehmen kann (Intelligent Access Point, IAP, siehe 3 und 4).Apparatus according to claim 3, characterized in that this device functions as a WLAN IEEE 802.11 access point and can take over additional control of the load distribution and the communication of the load data with the server or other access points of the same kind (Intelligent Access Point , IAP, see 3 and 4 ). Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf zentralen Servern oder auf Vorrichtungen nach Anspruch 7 die folgenden Software-Komponenten installiert und funktionsbereit sind: • Load Distribution Manager (LDG) als zentrale Komponente des Load Distribution System (LDS). Der LDG sammelt die Zustandsdaten der ange schlossenen mobilen Stationen (STAs) und APs oder IAPs. Der LDG trifft Entscheidungen über die Verbindungen von STAs zu APs bzw. IAPs. Die Entscheidungen werden durch Anweisungen an STAs umgesetzt. Der Aufgabenbereich des LDG wird administrativ festgelegt, in Abhängigkeit von der Implementierung (siehe Anspruch 5). • AP Load Monitor (ALM) zur Messung der Last und Übertragung an den LDG, sofern das Verfahren auf einem IAP (nach Anspruch 7) angewendet wird. • Cell Link Monitor (CLM) zur Registrierung der Verbindungsparameter und Übertragung an den LDG, sofern das Verfahren auf einem IAP (nach Anspruch 7) angewendet wird. • AP Load Controller (ALC) zur Ausführung der Anweisungen des Zuständigen LDG und Weiterleitung an die betreffende STA. • Cell Load Allocation Controller (CWAC) zur Organisation des Last-Reservierungs-Prozesses zwischen dem LDG und den verwalteten STAs.Method according to Claims 1 to 7, characterized that on central servers or on devices according to claim 7 the following software components installed and ready to work: • Load Distribution Manager (LDG) as the central component of the Load Distribution System (LDS). The LDG collects the status data of the attached mobile stations (STAs) and APs or IAPs. The LDG makes decisions about the Connections from STAs to APs or IAPs. The decisions will be implemented by instructions to STAs. The remit of the LDG is set administratively, depending on the implementation (see claim 5). • AP Load Monitor (ALM) for measuring the load and transmitting to the LDG, provided the method is applied to an IAP (according to claim 7). • Cell Link Monitor (CLM) for registering connection parameters and transmission to the LDG, provided the method is based on an IAP (according to claim 7) is applied. • AP Load Controller (ALC) for execution the instructions of the person in charge LDG and forwarding to the relevant STA. • Cell Load Allocation Controller (CWAC) to organize the load reservation process between the LDG and the managed STAs. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der mobilen Station (STA) drei Software-Komponenten installiert und ausgeführt werden: • WLAN Link Monitor (WLM) zur Messung und Überwachung diverser Parameter wie Transmission Bit Rate (TxBR), Signal to Noise Ratio (SNR), Menge und Größe übertragener Datenpakete etc. Weiterhin gehört die Ermittlung von erreichbaren Access Points zur Aufgabe des WLM. Übertragung der Daten an den zuständigen LDG regelmäßig oder beim Vorliegen kritischer Veränderungen. • WLAN Link Controler (WLC) zur Ausführung von Anweisungen des LDG zum Wechsel des Access Points (Forced Handover). • STA Weight Allocation Controller (SWAC) zur Sicherung der Bandbreite für eine bestehende Verbindung durch An- und Abmeldung von Bandbreitenanforderungen beim LDG.Method according to Claims 1 to 8, characterized in that three software components are installed and executed on the mobile station (STA): • WLAN link monitor (WLM) for measuring and monitoring various parameters such as transmission bit rate (TxBR), signal to Noise Ratio (SNR), quantity and size of transmitted data packets, etc. Furthermore, the determination of accessible access points belongs to the task of the WLM. Transmission of the data to the competent LDG regularly or at present critical changes. • WLAN Link Controler (WLC) to execute LDG instructions to change the access point (Forced Handover). • STA Weight Allocation Controller (SWAC) to secure bandwidth for an existing connection by logging on and off bandwidth requirements on the LDG. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten nach Anspruch 8 und 9 mit diesem Verfahren kommunizieren und Lastdaten, Verbindungsdaten sowie Anweisungen austauschen. Die Kommunikation erfolgt mit den folgenden Prozessen: • AP Status Action (ASA) zur Meldung eines ALM an den LDG • Access-To-Action (ATA) zwischen einer STA und einer LDG zur Reservierung von Bandbreite für eine Verbindung, initiiert von der STA • External Weight Allocation Action (EWAA) zur Anforderung eines LDG (1) an einen ausgewählten LDG (2) zur Bereitstellung von Bandbreite für die Verbindung einer STA verbunden mit LDG (1) und einer STA verbunden mit LDG (2). • External Release Allocation Action (ERAA) zur Rücknahme einer vorherigen EWAA. • Handoff-To-Action (HTA) zwischen einem ALC und einem WLC zur Durchführung eines Handover-Prozesses • Internal Weight Allocation Action (IWAA) zur Bearbeitung einer ATA einer oder mehrere STAs. Die IWAA wird zur Kommunikation zwischen LDGs in einer hybriden LDS-Architectur verwendet. • Internal Relese Allocation Action (IRAA) zur Rücknahme einer IWAA • Links Status Action (LSA) zur Meldung eines CLM an den LDG • Move-To-Action (MTA) zur Anfrage eines LDG an andere, benachbarte LDGs über die Annahme einer STA (Handover-Anfrage) • Release-From-Action (RFA) zur Freigabe einer Bandbreitenreservierung beim LFG durch eine STA • STA Distribution Action (SDA) zur Übertragung von Anweisungen des LDG an den ALC zur Weitergabe an die STAs • STA Status Action (SSA) zur periodischen oder ereignisausgelösten Meldung von AP • Unite-Status-Action (USA) periodische oder ereignisausgelöste Meldung (Unite Status Message, USM) des eigenen Zustandes eines LDG an andere LDGsA method according to claim 1 to 9, characterized in that the components according to claim 8 and 9 communicate with this method and exchange load data, connection data and instructions. Communication occurs with the following processes: • AP Status Action (ASA) to report an ALM to the LDG • Access-To-Action (ATA) between an STA and an LDG to reserve bandwidth for a connection initiated by the STA • External Weight Allocation Action (EWAA) requesting LDG ( 1 ) to a selected LDG ( 2 ) for providing bandwidth for the connection of an STA connected to LDG ( 1 ) and an STA connected to LDG ( 2 ). • External Release Allocation Action (ERAA) to withdraw a previous EWAA. • Handoff-to-Action (HTA) between an ALC and a WLC to perform a handover process. • Internal Weight Allocation Action (IWAA) to process an ATA of one or more STAs. The IWAA is used to communicate between LDGs in a hybrid LDS architecture. • Internal Releasure Allocation Action (IRAA) to withdraw an IWAA • Left Status Action (LSA) to report a CLM to the LDG • Move-to-Action (MTA) to request an LDG to other neighboring LDGs about the acceptance of an STA ( Handover request) • Release-from-Action (RFA) to release a bandwidth reservation to the LFG by an STA • STA Distribution Action (SDA) to transfer LDG instructions to the ALC for on-lending to the STAs • STA Status Action (SSA) for the periodic or event-triggered message from AP • Unite-Status-Action (USA) Periodic or event-triggered message (Unite Status Message, USM) of the own state of an LDG to other LDGs
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