发明内容

本发明旨在解决无线局域网中工作在PCF模式的AP的轮询决策问题，即在PCF时段内特定时刻确定AP轮询的STA以及轮询该STA时发送的数据包。本发明采用动态加权求和的多属性决策方法解决该问题，综合考虑了数据包剩余有效期、数据包优先级、数据包长度、STA距上次被轮询的时间、STA待发送数据包数量、AP接收STA信号的平均信噪比等因素，能够有效提升业务服务质量，同时保证了各STA的公平性。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：AP在确定待轮询STA和待发送数据包时考虑以下因素：数据包剩余有效期、数据包优先级、数据包长度、STA距上次被轮询的时间、STA待发送数据包数量和AP接收STA信号的平均信噪比，采取动态加权求和多属性决策方法首先确定待轮询的STA，然后确定在轮询该STA时发送的数据包，并且各属性的权重与当前时刻在PCF时段的位置有关，具体步骤包括：

步骤1：AP计算向STA_i发送数据包的迫切程度s_i，t；

步骤2：AP计算STA_i被轮询的迫切程度v_i，t；

步骤3：AP计算轮询STA_i的强度w_i，t＝max{s_i，t，v_i，t}；

步骤4：AP确定当前时刻轮询STA_j′，其中i′＝argmax_{i＝1，2，...，N}{w_i，t}；

步骤5：AP判断是否有待发送给STA_i′的数据包，如果有，AP发送Data+CF-Poll包或Data+CF-Ack+CF-Poll包给STA_i′，其中数据部分是目的地址是STA_i′并且发送迫切程度最大的数据包，否则，AP发送CF-Poll包或CF-Ack+CF-Poll包给STA_i′。

设一个BSS内有1个AP和N(N≥1)个STA。STA的集合记为S，S＝{STAi}，i＝1，2，...，N。AP为每个STA分别维护一个传输队列，其中存放待发送给各STA的数据包。在t时刻，AP维护的与STA_i对应的传输队列记为 对于特定的STA_i，内的每个数据包都具有相应的属性，包括剩余有效期、优先级、长度等。当AP轮询STAi时，需综合考虑这些因素，确定最能提升服务质量的数据包发送。该问题可建模为多属性决策问题。多属性决策将决策对象的多种属性聚合成效用值，效用值最高的对象即为本次决策的目标。定义AP向STA_i发送数据包的迫切程度s_i，t为内各数据包的最大效用值。同样，AP记录STA_i的相关属性，包括STA_i距上次被轮询的时间、STA_i待发送数据包数量、AP接收STA_i信号的平均信噪比，这些因素共同决定了STA_i被轮询的迫切程度v_i，t，该问题同样可被建模为多属性决策问题。综上所述，AP的轮询决策与两个因素有关：AP向各STA发送数据包的迫切程度和各STA被轮询的迫切程度。AP综合考虑这两方面的因素，最终确定被轮询的STA以及轮询该STA时发送的数据包。

由于PCF时段有限，当前时刻在PCF时段内所处的位置同样影响着AP的轮询决策。当PCF时段即将结束时，AP在决策时应优先考虑如何在剩余时段内传输更多数据包或保证剩余时段内的传输质量。因此，AP的轮询决策是一个动态的多属性决策问题，即在其他因素不变的情况下，当前时刻在PCF时段的位置同样影响着决策结果。

在t时刻，AP工作在PCF模式，按照以下步骤确定待轮询的STA以及轮询该STA时发送的数据包：

步骤1：AP计算向STA_i发送数据包的迫切程度s_i，t(i＝1，2，...，N)：

(1)AP剔除内剩余有效期小于或等于零的数据包。对于内的数据包定义剩余有效期u_i，j，t＝t_{remove，i，j}-t，其中t_{remove，i，j}表示该数据包失效的绝对时刻，由源节点在产生该数据包时标定。AP计算中每个数据包的剩余有效期，并从中剔除u_i，j，t≤0的数据包，得到传输队列j＝1，2，...，J_i，t(J_i，t≥0)。

(2)对于内的每个数据包计算其以下三种属性：

a)剩余有效期u_i，j，t：某些业务要求数据包在一定期限内被送达目的节点。源节点在产生该数据包时标定有效期，当数据包在有效期内被送达目的节点时，业务有效。当数据包在未送达目的节点时有效期已终止，则中间节点(路由器、AP等)丢弃该数据包。定义u_i，j，t＝t_{remove，i，j}-t，其中t_{remove，i，j}表示该数据包失效的绝对时刻，由源节点在产生该数据包时标定。

b)优先级p_i，j：上层协议在产生数据包时根据一定的策略确定该数据包优先级，p_i，j∈[0，1]，0表示最低优先级，1表示最高优先级。

c)长度l_i，j：数据包长度是指MAC层承载的上层协议帧的长度，以字节计。在IEEE802.11标准中，该长度被称为MAC层服务数据单元(MAC Service Data Unit，MSDU)。

(3)由于数据包的三种属性的量纲和对AP发送各数据包的迫切程度的影响各不相同，在进行加权求和多属性决策时需对上述三种属性做规范化处理，得到规范化后的值和

a)针对u_i，j，t的规范化方法：u_i，j，t越小，表示当前时刻离相应数据包有效期终止时间越近，发送该数据包的紧迫性越强。同时，各数据包的有效期(从产生到有效期终止的时间)各不相同，因此采用如下的规范化方法：

其中它表示该数据包有效期长度，t_{generate，i，j}为数据包在源节点产生的绝对时刻。表示该数据包的相对存留时间。在数据包未失效的情况下，相对存留时间越长，AP发送该数据包的紧迫性越高。f_u，n(x)定义为

b)针对p_i，j的规范化方法：优先级的取值范围是[0，1]，并且优先级越大，AP发送该数据包的紧迫性越高，因此规范化后的值

c)针对l_i，j的规范化方法：由于无线信道损耗较大并且容易受到干扰，数据包传输存在一定的丢包率。为提高传输成功率，节点应优先发送较短的数据包。然而，不同业务的数据包长度差异较大，需用数据包平均长度进行归一化处理。记L_t为AP内所有传输队列中数据包的平均长度，则表示数据包的相对长度。采用如下公式计算

其中

(4)根据当前时刻t确定三种属性的权重ω_u，t、ω_p，t、ω_l，t。计算权重ω_u，t、ω_p，t、ω_l，t需首先确定每种属性权重在PCF时段开始时的边界值和PCF时段结束时的边界值 它们首先满足如下对权重的要求： 在PCF开始时，AP优先考虑数据包的剩余有效期和优先级，而在PCF临近结束时，AP则优先考虑数据包长度，以尽可能在剩余时段内发送更多的包。因此设定权重的边界值满足如下关系： 设当前PCF时段的开始时刻为t_start，PCF时段长度为T_pcf，则按照如下公式计算ω_u，t、ω_p，t、ω_l，t：

上述公式定义了三种属性权重的变化规律，其中ω_u，t和ω_p，t随着t的增大而线性减小，而ω_l，t随着t的增大而线性增大，反映了随着时间推移，AP在决策时不同属性影响程度的变化。

(5)基于上述规范化值及对应的三种属性权重ω_u，t、ω_p，t、ω_l，t，应用加权求和方法得到AP发送数据包的迫切程度s_i，j，t为：

(6)由定义可知，AP向STA_i发送数据包的迫切程度s_i，t为内各数据包的最大效用值，即

步骤2：AP计算STA_i被轮询的迫切程度v_i，t(i＝1，2，...，N)：

(1)AP计算对应STA_i的以下三种属性：

a)距上次被轮询的时间c_i，t：c_i，t＝t-t_i，其中t_i表示STAi上次被轮询的绝对时刻，该值由AP记录；

b)待发送数据包数量r_i，t：在STA_i发送给AP的帧(Data+CF-Ack、Data、CF-Ack、Null)的格式中的相应字段记录该STA的传输队列(是已剔除失效数据包的传输队列，)内包含的数据包的个数(不包含当前发送的数据包)，AP收到该包后可记录该值；

c)AP接收STA_i信号的平均信噪比q_i，t：AP记录最近M次收到STA_i回复包的信噪比，并计算平均值得到q_i，t；

(2)对上述三种属性做规范化处理，得到规范化后的值和

a)针对c_i，t的规范化方法：距上次被轮询的时间越长，相应STA被轮询的迫切程度越高，从而使得STA产生的数据包能及时发送出去。记h_t为各STA被轮询的平均时间间隔，则表示STA_i被轮询的相对时间间隔，采用如下公式计算

其中

b)针对r_i，t的规范化方法：STA_i待发送的数据包越多，则STA_i被轮询的迫切程度越高。记R_t为各STA平均等待发送的数据包的数量，即则表示STA_i相对等待发送的数据包的数量，按照如下公式计算

其中f_r，n(x)＝f_c，n(x)；

c)针对q_i，t的规范化方法：AP收到的STA_i信号的平均信噪比越大，意味着AP发送给STA_i的包被STA_i正确接收的概率越大，从而AP轮询STA_i的倾向性越高。记q_max，t＝max_{i＝1，2，...，N}{q_i，t}，q_min，t＝min_{i＝1，2，...，N}{q_i，t}，按照如下公式计算

(3)根据当前时刻t确定三种属性的权重ω_c，t、ω_r，t、ω_q，t。计算权重ω_c，t、ω_r，t、ω_q，t需首先确定每种属性权重在PCF时段开始时的边界值和PCF时段结束时的边界值 它们首先满足如下对权重的要求： 在PCF开始时，AP优先考虑各STA距上次被轮询的时间和待发送的数据包数量，而在PCF临近结束时，AP则优先考虑接收各STA信号的平均信噪比，以尽可能在剩余时段内发送更多的包。因此设定权重的边界值满足如下关系：设当前PCF时段的开始时刻为t_start，PCF时段长度为T_pcf，则按照如下公式计算ω_c，t、ω_r，t、ω_q，t：

上述公式定义了三种属性权重的变化规律，其中ω_c，t和ω_r，t随着t的增大而线性减小，而ω_q，t随着t的增大而线性增大，反映了随着时间推移，AP在决策时不同属性影响程度的变化。

(4)基于上述规范化值及对应的三种属性权重ω_c，t、ω_r，t、ω_q，t，应用加权求和方法得到STA_i被轮询的迫切程度v_i，t为：

步骤3：对每个STA_i，AP都计算得到其对应的s_i，t和v_i，t，它们分别从不同的角度表征了AP轮询STA_i的迫切程度。定义AP轮询STA_i的强度w_i，t如下：

w_i，t＝max{s_i，t，v_i，t} (18)

w_i，t综合反映了AP轮询STA_i的迫切程度。

步骤4：AP确定当前时刻轮询STA_i′，其中i′＝argmax_{i＝1，2，...，N}{w_i，t}。

步骤5：AP在确定被轮询的STA后，还需确定发送给该STA的数据包。判断是否为空，如果为空，则AP发送CF-Poll帧(当上一个被轮询的STA回复的帧不含Data部分时)或CF-Ack+CF-Poll帧(当上一个被轮询的STA回复的帧含Data部分时)给STA_i′，否则AP发送Data+CF-Poll帧(当上一个被轮询的STA回复的帧不含Data部分时)或Data+CF-Ack+CF-Poll帧(当上一个被轮询的STA回复的帧含Data部分时)给STA_i′，Data部分为数据包其中至此，AP的决策过程结束。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明能够有效降低业务时延，提升服务质量。本发明综合考虑了两方面的因素：AP缓存的待发送数据包的属性和BSS内各STA的属性。数据包的属性包括剩余有效期、优先级和长度，STA的属性包括距上次被轮询的时间、待发送数据包的数量和AP收到的该STA信号的平均信噪比。

2.本发明根据当前时刻在PCF时段内的位置动态调整各属性的权重，反映了不同属性在PCF内不同时刻对决策影响程度的变化。

3.本发明简单易行，不会引入大量计算负载。

4.本发明兼容IEEE Std 802.11-2016标准。IEEE Std 802.11-2016标准定义了的MAC帧头部包含QoS Control字段。STA在发送Data+CF-Ack、Data、CF-Ack、Null帧时可在此字段添加待发送数据包数据量，AP据此可获得该信息。