DE102004040406B4

DE102004040406B4 - Verfahren zur Verbesserung der Dienstgüte (QoS) in einem drahtlosen Netzwerk

Info

Publication number: DE102004040406B4
Application number: DE102004040406A
Authority: DE
Inventors: Xavier Pérez Costa; Daniel Camps Mur
Original assignee: NEC Europe Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: CN100477633C; US20060039395A1; CN1738297A; DE102004040406A1; JP4787556B2; JP2006060787A; US7782886B2

Abstract

Verfahren zur Verbesserung der Dienstgüte (QoS) in einem drahtlosen Netzwerk, mit einer Basisstation und mindestens einer mobilen Station (STA), wobei für die prioritätsabhängige Übertragung von Rahmen unterschiedliche Zugangskategorien (ACs) definiert sind, und wobei die mobilen Stationen (STA) in dem Netzwerk einen Power Save Modus (PSM) verwenden, dadurch gekennzeichnet, dass die PSM-Warteschlange an der Basisstation in mehrere Unterwarteschlangen aufgeteilt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Dienstgüte (QoS) in einem drahtlosen Netzwerk, vorzugsweise in einem WLAN nach IEEE-Standardisierungsentwurf 802.11e, mit einer Basisstation und mindestens einer mobilen Station (STA), wobei für die Übertragung von Rahmen unterschiedliche Zugangskategorien (ACs) definiert sind, und wobei in dem Netzwerk ein Power Save Modus (PSM), vorzugsweise nach IEEE-Standard 802.11, verwendet wird.
Drahtlose Netzwerke – Wireless Local Area Networks (WLANs) – sind eine direkte Erweiterung von drahtgebundenen LANs und haben dank der Entwicklung der IEEE 802.11 Standardfamilie mittlerweile eine weite Verbreitung gefunden. WLANs umfassen eine Basisstation bzw. einen Access Point (AP) sowie im Allgemeinen mehrere Stationen (STA), wobei die Datenübertragung zwischen dem AP und den einzelnen Stationen über eine Funkstrecke realisiert ist. Derartige Netze werden in einem großen Umfang in sogenannten Hot Spot Areas eingesetzt und bieten einen Breitband-Internetzugang bspw. in Büros, Flughäfen, Hotels oder Konferenzzentren.
Weitere interessante Anwendungen bietet die Integration von WLANs und 3G-Systemen, an deren Entwicklung aktuell intensiv gearbeitet wird. Für ein problemloses Zusammenspiel beider Technologien müssen allerdings einige Vorraussetzungen erfüllt sein. Eine der Schlüsselvorrausetzungen ist bspw. die Bereitstellung ähnlicher Dienstgüte(„Quality of Service", QoS)-Garantien in den beiden Systemen, so dass grundlegende Dienste, wie z. B. Voice over IP (VoIP), unterstützt werden. Die IEEE 802.11e MAC (Medium Access Control) Erweiterung stellt mittlerweile Funktionalitäten bereit, um QoS in einem WLAN zu unterstützen. In Geräten, die 3G- und WLAN-Fähigkeiten aufweisen, wird daher der IEEE 802.11e Standardisierungsentwurf implementiert, so dass Anwendungen, die QoS-Garantien erfordern, wie z. B. VoIP, unterstützt werden.
Bei der Einführung von Wireless LAN-Technologie in mobilen Geräten, wie z. B. Handys, sind jedoch die Limitierungen der mobilen Geräte, die im Allgemeinen mit Batterien betrieben werden, zu berücksichtigen. Aufgrund der Tatsache, dass die Übertragung in einem WLAN über ein gemeinsam genutztes (shared) Medium erfolgt, können Datenrahmen zu jeder Zeit an ihrem Ziel ankommen, weshalb WLAN- Geräte normalerweise in einem Betriebszustand mit voller Energie arbeiten. Geräte mit Restriktionen aufgrund von Batteriebetrieb können demgegenüber nicht ständig mit voller Energie betrieben werden und verwenden demzufolge Energiesparmechanismen. Im IEEE 802.11 Standard ist ein Power Save Modus (PSM) spezifiziert, der in derartigen Geräten eingesetzt werden kann. Problematisch in diesem Zusammenhang ist die Wechselwirkung des IEEE 802.11-PSM mit den 802.11e QoS-Mechanismen.
Im 802.11e Standardisierungsentwurf ist eine Differenzierung des (Daten-)Verkehrs definiert, die auf den unterschiedlichen Prioritäten der zu versendenden Rahmen basiert. Die Differenzierung wird erreicht, indem verschiedene Parameter variiert werden. So kann bspw. in Abhängigkeit von der jeweiligen Priorität die Zeitdauer, die eine Station innerhalb des Netzwerks den drahtlosen Übertragungskanal als frei identifizieren muss, bevor sie den sogenannten Backoff oder die Übertragung startet, variiert werden. Darüber hinaus ist eine Variation der Länge des so genannten Contention Windows (CW), das für den Backoff verwendet wird, und der Dauer, die eine Station senden darf, nachdem sie den Kanalzugang hergestellt hat, vorgesehen.
Dies wird realisiert durch die Einführung von vier Zugangskategorien (Access Category, AC), denen unterschiedliche Prioritäten zugewiesen sind. Im Konkreten handelt es sich um die Kategorien AC_VO, AC_VI, AC_BE und AC_BK, wobei die Anhänge die Anwendungen bezeichnen, für die die jeweilige Kategorie gedacht ist. So steht VO für Voice (höchste Priorität), VI für Video, BE für Best Effort und BK für Background (niedrigste Priorität). Eine Station kann bis zu acht Übertragungswarteschlangen für die ACs implementieren, die innerhalb der Station als Backoff-Instanzen realisiert sind, wobei die oben genannten individuellen QoS-Parameter die Prioritäten der ACs definieren. Die unterschiedlichen AC-Warteschlangen werden – in Abhängigkeit von ihrer Priorität – mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten geleert. Da jede AC ihre eigene Warteschlange aufweist, hat die Geschwindigkeit, mit der eine AC bearbeitet wird, keinen Einfluss auf die übrigen ACs.
Probleme treten auf, wenn die soeben beschriebenen QoS-Differenzierungsmechanismen zusammen mit dem 802.11-PSM eingesetzt werden. In einem solchen Fall werden standardmäßig alle Rahmen unterschiedlicher Zugangskategorien an der Basisstation bzw. am Access Point in derselben Warteschlange – der PSM-Warteschlange – zwischengespeichert. Unter Lastbedingungen führen die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Bearbeitung der einzelnen ACs dazu, dass sich die PSM-Warteschlange mit Rahmen niedriger Priorität anfüllt, während Rahmen hoher Priorität aus der PSM-Warteschlange geleert werden. Wenn die normale Prozedur verwendet wird, bei der für den Fall, dass die Warteschlange voll ist, neu eintreffende Rahmen verworfen werden, wird sich die Leistung von ACs hoher Priorität signifikant verschlechtern, da die meisten Rahmen hoher Priorität direkt verworfen werden, da die PSM-Warteschlange vollständig mit Rahmen niedriger Priorität gefüllt ist.
Ein möglicher Ansatz, um das beschriebene Problem zu umgehen, besteht in einer Modifikation des standardmäßigen Verhaltens des Warteschlangensystems. Eine Modifikation könnte bspw. dahingehend vorgenommen werden, dass nicht die neu ankommenden, sondern die ältesten Rahmen verworfen werden und durch neu eintreffende Rahmen ersetzt werden. Diese Lösung würde zwar die Leistungsfähigkeit des Systems grundsätzlich verbessern, würde jedoch nicht für alle Fälle sicherstellen, dass Rahmen hoher Priorität nicht aufgrund von neueren Rahmen niedriger Priorität verworfen werden.
Aus der EP 1 349 321 A2 ist ein drahtloses lokales Netzwerk mit mehreren Basisstationen sowie einer Vielzahl mobiler Stationen bekannt, wobei für die prioritätsabhängige Übertragung von Rahmen unterschiedliche Kategorien definiert sind. Wenn eine der Basisstationen überlastet ist, sendet ein Host-Gerät einen Roaming-Request an die mobilen Stationen und ein PSM-Request an die entsprechende Basisstation. Nach Empfang des PSM-Request geht die Basisstation in einen DOZE-Modus gemäß IEEE 802.11 über.
Aus der WO 2004/025972 ist darüber hinaus eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Meldung eines wartenden QoS-Dienstes an eine drahtlose Station bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Hybrid-Koordinator, mit dem mobile Stationen über den anhängigen QoS-Dienstplan informiert werden. Diese Information kann seitens der mobilen Station genutzt werden, um einen Eintritt in einen Powersafe-Modus zu verhindern, wenn die Basisstation plant, der mobilen Station TXOPs zuzuweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Dienstgüte (QoS) in einem drahtlosen Netzwerk der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine prioritätsabhängige Übertragung von Rahmen bei möglichst niedrigem Energieverbrauch der mobilen Stationen ermöglicht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbesserung der Dienstgüte (QoS) in einem drahtlosen Netzwerk löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die PSM-Warteschlange an der Basisstation in mehrere Unterwarteschlangen aufgeteilt wird.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass bei der Verwendung des 802.11 Power Save Modus zusammen mit der 802.11e MAC Erweiterung keine ausreichende Dienstgüte gewährleistet werden kann, da die langsame Leerungsrate der ACs mit niedriger Priorität an der AP PSM-Warteschlange zu einer übermäßig hohen Rate an Verlusten von Rahmen hoher Priorität führen kann, so dass Echtzeit-Anwendungen wie Sprachübertragung nicht realisierbar sind. Darüber hinaus ist erkannt worden, dass die durch die langsame Bearbeitungsgeschwindigkeit von ACs niedriger Priorität bedingten Rahmenverluste von ACs hoher Priorität dadurch vermieden werden können, dass die PSM-Warteschlange an der Basisstation bzw. am Access Point in mehrere Unterwarteschlangen aufgeteilt wird und die einzelnen ACs somit voneinander separiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist angesichts seiner geringen Komplexität einfach zu implementieren, da insbesondere keinerlei Modifikationen der Stationen erforderlich sind. Am Access Point kann anstelle einer gewöhnlichen PSM-Warteschlange Speicherplatz für separate Unterwarteschlangen bereitgestellt werden. Die ankommenden Rahmen werden folglich nicht in einer gewöhnlichen PSM-Warteschlange, sondern in den jeweiligen Unterwarteschlangen zwischengespeichert. Die übrigen PSM-Operationen können im Übrigen vollständig unverändert bleiben, mit der Ausnahme, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anstelle einer gewöhnlichen PSM-Warteschlange mehrere unterschiedliche PSM-Unterwarteschlangen im Hinblick auf das Vorhandensein von Datenrahmen abgefragt werden müssen.
Im Rahmen einer konkreten Ausführungsform ist eine logische Aufteilung der PSM-Warteschlange in Unterwarteschlangen vorgesehen. Alternativ hierzu kann eine physikalische Aufteilung der PSM-Warteschlange vorgenommen werden. Logische Aufteilung bezieht sich dabei auf die Teilung der PSM-Warteschlangenkapazität, um verschiedene Unterwarteschlangen zu emulieren. Physikalische Auteilung bezieht sich demgegenüber auf die Einführung neuer Warteschlangen.
In besonders vorteilhafter Weise wird die PSM-Warteschlange in eine Anzahl von Unterwarteschlangen aufgeteilt, die der Anzahl von ACs entspricht, so dass jede Unterwarteschlange einer konkreten AC zugeordnet werden kann.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 ein Diagramm einer standardmäßigen Implementierung eines QoS-Differenzierungsmechanismus bei Verwendung des PSM gemäß 802.11 Standard und
2 ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit physikalischer Aufteilung der PSM-Warteschlange in zwei Unterwarteschlangen.
1 zeigt schematisch in einem Diagramm den standardmäßigen Speichermechanismus für den Fall, dass der Power Save Modus des 802.11 Standards und die 802.11e QoS-Erweiterung gleichzeitig eingesetzt werden. Dargestellt ist eine Implementierung mit zwei ACs, wobei AC_VO einer hohen Prioritätsklasse (Voice) und AC_BE einer niedrigen Prioritätsklasse (Best Effort) entspricht. Ankommende Datenrahmen werden zunächst ungeachtet ihrer Priorität in der üblichen PSM-Warte schlange zwischengespeichert. Sobald eine Power Save(PS)-Poll-Anfrage von einer Station vom AP empfangen wird, verlässt der entsprechende Rahmen die gewöhnliche PSM-Warteschlange, und der Rahmen wird einer ToS(Type of Service)-Prüfung unterzogen. In Abhängigkeit von der Priorität des Rahmens wird dieser in eine der Warteschlangen einsortiert, d. h. in der dargestellten Ausführung entweder in die AC_VO-Warteschlange oder in die AC_BE-Warteschlange.
Aufgrund der für die ACs unterschiedlichen – prioritätsabhängigen – Bearbeitungsgeschwindigkeiten füllt sich die PSM-Warteschlange vermehrt mit Rahmen niedriger Priorität. Wenn der Speicher der PSM-Warteschlange voll ist, werden neu an der PSM-Warteschlange eintreffende Rahmen im Normalfall verworfen. Unter Lastbedingungen, d. h. bei vollem Speicher der PSM-Warteschlange, erfährt die Bearbeitung der AC_VO somit im dargestellten Beispiel eine signifikante Verschlechterung, da Rahmen hoher Priorität wesentlich häufiger verworfen werden als Rahmen niedriger Priorität. Im Ergebnis hat die Verwendung des standardmäßigen PSM somit im Hinblick auf die erwünschte 802.11e Funktionalität sogar eine entgegengesetzte Wirkung.
2 zeigt schematisch in einem Diagramm ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die gewöhnliche PSM-Warteschlange in Übereinstimmung mit der implementierten Anzahl an ACs in zwei Unterwarteschlangen aufgeteilt ist. Im Konkreten ist die Warteschlange in eine AC_VO-PSM-Unterwarteschlange, in die Rahmen hoher Priorität einsortiert werden, und in eine AC_BE-PSM-Unterwarteschlange, in die Rahmen niedriger Priorität einsortiert werden, aufgeteilt. Beim Empfang entsprechender AC-spezifischer PS-Polls werden die Rahmen direkt aus der entsprechenden PSM-Unterwarteschlange in die korrespondierende Warteschlange einsortiert. Danach erfolgt die Übertragung der Rahmen wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Durch die Aufteilung der PSM-Warteschlange in zwei separate Unterwarteschlangen ist erreicht, dass Bearbeitung der AC_VO nicht durch die langsamere Bearbeitungsgeschwindigkeit der AC_BE beeinflusst wird, so dass Verluste von Rahmen hoher Priorität auf Grund von Rahmen mit niedriger Priorität ausgeschaltet sind.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Dienstgüte (QoS) in einem drahtlosen Netzwerk, mit einer Basisstation und mindestens einer mobilen Station (STA), wobei für die prioritätsabhängige Übertragung von Rahmen unterschiedliche Zugangskategorien (ACs) definiert sind, und wobei die mobilen Stationen (STA) in dem Netzwerk einen Power Save Modus (PSM) verwenden, dadurch gekennzeichnet, dass die PSM-Warteschlange an der Basisstation in mehrere Unterwarteschlangen aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem drahtlosen Netzwerk um ein WLAN nach IEEE-Standardisierungsentwurf 802.11e handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem in dem Netzwerk verwendeten Power Save Modus um einen Power Save Modus nach IEEE-Standard 802.11 handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine logische Aufteilung der PSM-Warteschlange.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine physikalische Aufteilung der PSM-Warteschlange.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die PSM-Warteschlange in eine Anzahl von Unterwarteschlangen aufgeteilt wird, die der Anzahl von Zugangskategorien (ACs) entspricht.