CN100484064C - 通过多信道装置接入媒介的方法 - Google Patents

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Abstract

接入至少具有两个信道的传输系统上的媒介的方法，其中，多信道装置群聚至少两个信道以便提高带宽。该方法使多信道装置和单信道装置能够通过在信道被群聚之前在单独的信道上发送出前同步码和报头而共存，从而，可能正在扫描该信道的单信道装置检测到随后的消息并非用于它自己。

Description

通过多信道装置接入媒介的方法
本发明涉及用于通过多信道装置接入媒介的方法。该媒介包括至少具有的两个信道的传输系统，将在信道上被发射的消息至少包括前同步码和报头加上继承数据字段。数据字段可能包括被称为＂有用数据＂的用户数据或例如用于协调接入媒介的控制信息。一种用于分散媒介接入的方法和一种用于集中媒介接入的方法被提出权利要求。
传输系统的频带往往被分成被称为信道的子频带，单个通信链路或系统的完整小区在子频带上运行。后者是例如802.11a/e和HiperLAN/2无线局域网(WLAN)的情况。关于802.11a/eWLAN，基础规范，即ANSI/IEEE标准802.11，1999版和1999年9月纽约IEEE的，＂IEEE Std 801.11a-1999：High-speed Physical Layer in the5GHz Band，Supplement to Standard IEEE 802.11＂，和2003年2月纽约IEEE的，＂IEEE Std 802.11e/D4.2：Medium AccessControl(MAC)Enhancements for Quality ofService(QoS)，Draft Supplement to Standard IEEE 802.11＂，其内容在此通过参考被合并。信道带宽为可能在小区中的两个站之间获得的最大数据率设置限制，换言之是设置小区的容量。一个用于提高传输系统容量的可能的方法是扩大信道带宽。通过预先设置的信道定义，这能够通过群聚两个或多个信道以获得带宽更大的一个信道而被实现。这个方法理论上是已知的，并且已经在某些WLAN系统中被实现，其中，高数据率或所谓的＂turbo＂处理模式被获得。
在传输系统中存在某个数量的站，其中的两个或多个站在某时相互暂时连接。如果所涉及的所有站都以高数据率模式运行，则只能执行信道群聚。对于信道群聚来说必须有一个用于所有的站或终端的标准。然而，移动电信是存在各种终端制造商的特别区域，并且终端采用没有标准化的信道群聚。因为作为性能特色的信道群聚必然伴有开发和制造的额外开支，所以还可能由于成本是这种情况，即终端制造商一方面提供采用信道群聚的终端，而另一方面提供不具有这个性能特色的终端。此外，在信道群聚被引入传输系统之前开发和销售的旧终端不能以具有高数据传输速率的模式运行。
标准IEEE802.11e把用于媒介接入的分散和集中方案结合在一起。能够用于此的算法将通过以802.11系统为例来解释。基础802.11MAC协议是运行为先听后讲方案的分布协调功能(DCF)。分布协调功能是基于载波感应多路访问(CMSA)。如果已经发现在无线媒介上没有进行其它传输，则站放射MAC至多为2304字节的任意长度的服务数据单位(MSDU)。然而，如果两个站同时发现一个空闲信道，则在数据在它们都使用的无线电传输媒介(即空气)上被发送出的时候会出现冲突。802.11MAC协议定义了一个用于冲突避免(CA)的机理以降低这类冲突的可能性。在一个站开始发射之前先执行等待或后退处理是冲突避免机理的一部分。在站发现信道空闲之后，它继续在信道上监听一个附加的、随机的时段。只有当信道在这个附加的不定时段中保持空闲时，站才被允许开始传输。这个随机等待时间由在802.11aMAC协议的情况下长度为34μs的所谓的DCF帧间间隔(DIFS)恒定部分，以及长度在零和最大时间之间的随机部分组成。从而，DIFS间隔是该站可能的最小等待时间。等待时间的随机部分的长度被获得为多个时隙长度(时隙)，其长度在802.11aMAC协议中是9μs。每个站都抽取一个将被等待的时隙数量的随机值，其存储在所谓的冲突窗口(CW)中。在每个9μs的周期满期的时候，CW的值被减1。
每当成功地接收到数据帧的时候，接收站立即发送出确认帧(ACK)。如果传输失败(意指被发送出的数据帧没有被确认)，则冲突窗口的尺寸被扩大。在每次失败的传输尝试之后，新的媒介接入在刷新等待时间之后起作用，刷新等待时间被选择为当前的冲突窗口的两倍。这降低了在多个站试图获准接入信道的事件中的冲突可能。那些在信道繁忙期间推迟信道接入的站不选择新的随机等待时间，而是在发现信道再次空闲的时候，继续倒计数推迟媒介接入的时间。用这种方法，当推迟信道接入的站恢复其开始传输的尝试时，它们由于相对于其它站较长的随机等待时间而被给予较高的优先级。在每次成功的传输之后，即使发射站在那时没有其它的MSDU要发送，它也执行新的随机等待处理(后退)。这就是所谓的＂回退＂，因为这个等待处理发生在传输之后而不是发生在传输之前。
在802.11MAC协议之下存在这样一种情形，其中，站在它可以开始传输数据之前不必执行随机持续时间的等待处理(后退)。如果来自于较高层的MSDU达到站并且上一次传输的回退已经完成，则会出现这个情形，或换言之没有队列并且加之信道已经空闲了最小的DIFS时间。所有这个MSDU之后的后续MSDU将在随机等待时间之后被发射，直到再次没有队列。
为了限制长帧冲突的概率并且被发射不止一次，数据帧也被分割。长MSDU可以通过分割被分成多个小数据帧，即数据段，它们可以作为将被分别确认的数据帧被顺序地发射。分割的优点在于：如果传输失败，则这个失败可以在较早的时间点被检测到，并由此只需要重新发射较少的数据。
在使用CSMA的系统中存在一个隐藏站的问题。这是CSMA系统中固有的问题，并且系统为了缓和这个问题定义了一种可以被用作选项的请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制。在数据帧被发射之前，系统发送短的RTS帧是可能的，紧接着是来自于接收站的CTS传输。RTS并且CTS帧包括关于下一个数据帧(即第一段)的传输时间长度的信息，以及关于对应的确认响应的传输时间长度的信息。用这种方法可以实现，接近发射站的其它站以及接近接收站的隐藏站不开始传输，因为它们设置了计数器，即所谓的网络分配矢量(NAV)。RTS/CTS机制有助于从隐藏站保护长数据帧。大量ACK通过分割被发射，而MSDU可以通过RTS/CTS在单个数据帧中被有效率地发射。在序列RTS帧、CTS帧、数据帧以及ACK帧中的每对连续帧之间存在802.11a情况下长度为16μs的短帧间间隔(SIFS)。
涉及先有技术的图1是示出分布协调功能(DCF)的示例框图。短帧间间隔(SIFS)与DCF帧间间隔(DIFS)相比较来说较短，这是由于CTS响应和确认帧(ACK)总是具有接入无线媒介的最高优先级。增强分布协调机能(EDCF)已经被引入MAC协议的最新版本(802.11e协议)中，其仍然用同样的方法运行，但是另外支持诸如接入优先权之类的不同类型的业务。在图1中所示的用于六个站基于时间的框图中，尽管站6不能检测到正在发射的站2的RTS帧，然而它可以检测到站1的CTS帧。
另一个已知的功能，混合协调功能(HCF)扩展了用于(E)DCF接入的规则。802.11eMAC的重要的性能特征是传输时机(TXOP)。TXOP被定义为站接收开始传输命令的时间点(由起始时间定义)和最长时间之间的间隔。TXOP用冲突方法(EDCF-TXOP)来分配或者由HCF(轮询TXOP)来授予。只有小区中被称为混合协调器(HC)的站可以给予其它站发射权限，即可以授予TXOP。轮询TXOP的持续时间由分配帧内的时间字段指定。该混合协调器能够将传输时机TXOP分配给自身以便使MSDU能被随时开始，但是只是在检测到信道空闲等于PIFS的时间的时候(点协调器帧间间隔)，这个时间的长度小于DIFS。
能够减少冲突的附加随机接入协议被定义为802.11e协议的一部分。所谓的控制冲突给予混合协调器获悉需要询问什么站关于它们希望在什么时间发射的机会。控制冲突机制允许站通过发送源询问请求被分配轮询TXOP，而不会干扰其它的(E)DCF业务。
本发明的目的是指定用于通过至少具有两个信道的传输系统上的多信道装置接入媒介的方法，该方法给予不具有信道群聚的性能特征的终端以在所述传输系统上发射与接收的机会，即给出单信道和多信道装置共存的可能性的方法。方法将被指定用于集中机制和分散机制。
该目的根据本发明依靠通过多信道装置接入媒介的方法而被实现，媒介包括至少具有两个信道的传输系统，将在信道上被发射的消息包括至少一个前缀、报头和一帧的继承控制或数据部分，并且消息的前缀和报头在所有信道上被重复。由于帧中的控制信息在每个信道上被重复的结果，即使单信道装置能够获得前最和报头，并执行依从标准的等待处理，也是可能有随机后退时间。如果PHY并MAC报头没有在每个频道上被重复，则单信道装置不会认识到传输并将把它解释为在不定持续时间中阻塞它们的信道的干扰。
在本发明的一个实施例中，前缀和报头在所有信道上被并行重复。消息这些部分的并行传输直到所有信道空闲为止都不能开始。模拟已经示出由于并行传输出现的数据传输速率损失相对较轻。
在又一个实施例中，一帧的继承控制或数据部分从群聚请求发送(RTS)、清除发送(CTS)、确认(ACK)或数据(DATA)中取得。
在本发明的一个特殊实施例中，多信道装置运行于具有媒体接入控制(MAC)协议的标准IEEE802.11(即802.11e或802.11n)下，并且不只是前缀和报头，而且还有至少一部分属于MAC协议的信息项在所有信道上被重复。
如果媒介接入发生在标准IEEE802.11(即802.11e)之下，则RTS、CTS和ACK控制帧在所有信道上被发射，这意味着单信道装置基于RTS/CTS数据分组中的信息来设置它们的网络分配矢量(NAV)。NAV的设置使得计数器得以开始，并且直到已经达到目标计数之前都不会尝试接入无线电传输媒介。
该目的还根据本发明用通过多信道装置接入媒介方法被实现，媒介包括至少具有多信道装置打算请求以用于传输的两个信道的传输系统，该方法具有下列步骤：
由多信道装置来扫描为了传输将被请求的所有信道，发现这些信道中的一个信道是空闲的或者装置自身进行的后退正在这个信道进行，通过多信道装置阻塞其它装置到这个信道，进一步扫描将被请求的其它信道，并且在发现相关信道空闲或其上正进行后退的时候阻塞或保留其它信道。
由于连续阻塞单独信道的结果，最后实现的状态是，为了传输将被请求的所有信道都是空闲的。扫描被阻塞信道的其它装置认识到信道不空闲，因此它们自己不开始传输。然后，消息的传输可以用群聚信道来执行，并由此以高数据率来进行。
在一个实施例中，空闲信道的阻塞由多信道装置和接收装置来执行，它们中的每个装置都发射保留消息。
在一个实施例中，保留消息以RTS和CTS帧的形式被实现，RTS和CTS帧通过下列步骤被发射：
RTS帧由多信道装置在空闲信道上发射，因此围绕正在发射的多信道装置的区域中的装置将设置它们的NAV，CTS帧由接收装置在空闲信道上发射，因此围绕接收站的区域中的站将设置它们的NAV。
在这种情况下，多信道装置能够用信道群聚，在之前自己阻塞的所有信道上执行其发射。
在一个实施例中，空闲预定时段的信道阻塞通过由多信道装置在单个信道上开始传输来执行，替换地有或没有RTS-CTS机制这样替换地做。RTS-CTS机制必然伴有多信道站在空闲信道上选择传输RTS帧，接收站选择传输CTS帧，和多信道站在空闲信道上传输数据帧(并由此阻塞信道)。
该目的还根据本发明用通过多信道装置接入媒介的方法来实现，媒介包括至少具有两个多信道装置打算为了传输而请求的信道的传输系统，在该方法中，第三装置(独立于发射机和接收机)保留或阻塞用于希望发射的多信道装置的信道群中的信道。这个第三装置被假定负责在网络上发射同步信标。
在一个实施例中，第三装置负责协调对多个信道的媒介接入。
在一个实施例中，如果信道群中的单独信道没有同时变成空闲状态，则第三装置替换地让一个信道或单独的信道被阻塞，直到信道群中的所有信道都变成空闲为止，或已经变成空闲的信道立即被分配到希望发射的多信道装置。
在一个实施例中，媒介接入在IEEE802.11(即802.11e或802.11n)之下被执行，并且所述第三装置通常是所谓的混合协调器或点协调器。信道的集中保留由第三装置来执行，第三装置负责在信道群中的所有信道上发射信标并同时保持空闲或保留用于希望发射的多信道站的信道群中的所有信道。如果所述第三装置或站负责协调对所有信道的媒介接入，则通过能够同时使用的相位在其信道群中的所有信道上被提供用于多信道装置，它可以对所有信道上的装置做出保留。尽管如此，信道群中的单独信道没有同时变成空闲，存在两个不同的方式，其中，所述第三站能够保护用于多信道站的信道直到信道群中的所有信道都变成释放为止。
在该方法的优选实施例中，媒介接入在标准IEEE802.11(即802.11e或802.11n)之下被执行，并且所述第三装置是混合协调器或点协调器。
在该方法的又一个实施例中，点协调器或混合协调器同时在所有的信道上发射所谓的信标。如果需要，传输可以被同时或以同步的方式来执行。
根据本发明，该方法可以在使用标准通用移动电信系统(UMTS)的传输系统上被采用。
本发明的这些及其它方面将变得明显并且将通过参考下述的
(一个或多个)实施例而被阐明。
附图说明
图2是先有技术传输的基于时间的框图。
图3是根据本发明的方法第一变形的基于时间的框图。
图4是根据本发明的方法第二变形的基于时间的框图。
图2是现有技术传输的基于时间的框图。在信道3(ch3)处于所给出情况的时候，即使当信道空闲的时候，传输也总是只发生在一个信道上。
图3是根据本发明的方法第一变形的基于时间的框图。消息的可能的例子在六个信道的单独一个上被示出。两个站通常通过交替地发射RTS帧、CTS帧、数据帧和ACK帧而在信道上通信。在时间T1，多信道装置打算用信道群聚开始传输数据。在当前的例子中，六个信道的扫描示出信道1、2和5是空闲的，因此跟随前缀和报头PR，RTS帧首先被发射，然后CTS帧被接收。当接收三个在这个情况下是并行的CTS帧的时候，信道1、2和5被阻塞，这意味着任何其它的站(与它们是单信道还是多信道装置无关)已经设置了它们的NAV。在时间T2，多信道装置检测到信道4是空闲的，因此RTS-CTS程序被执行和这个信道从而被阻塞。在时间T3发生了同样的事情。一旦六个信道中的五个信道已被阻塞，当最后的信道、即信道6也被认识到是空闲时，数据传输在时间T4开始。前缀和报头PR已经在六个单独的信道上被发射，数据DATA的传输用信道群聚来进行，借此获得了较高的数据率。当数据传输完成的时候，发射多信道装置在每个单独的信道上在前缀和报头PR之后又接收确认帧ACK。这个变形的优点在于数据传输在一开始就正好以固定、高数据率开始，并且同时在所有的信道上这样做。
图4是根据本发明的方法第二变形的基于时间的框图。在这个例子中，关于信道的消息和占用/空闲状态在多信道装置开始扫描之前被假定为与图3中的情况相同。然而，在那些处于空闲状态的信道上，数据传输被开始以便阻塞它们，在这种情况下发生在时间T4。在其它信道上，一旦信道空闲被检测到，传输就(可能在暂停以后)开始，这种情况在时间T5在信道4上被检测到，在时间T6在信道3上被检测到，而在当前情况下在时间T6被检测到在信道3上。在时间T7，最后的信道(即信道6也被)也被带入。在这个信道上，消息首先从前缀和报头开始。在这之后，信道群聚然后用全部的六个信道进行以用于数据帧。在数据传输的开始的时候T4，三个单独的信道被并行使用，并且只有在时间T7通过信道群聚增加了带宽。
全部的三个框图真实的是：在控制帧的结尾和前同步码与报头开头之间示出了一个间隔，该间隔意在示出在此可能有短暂的暂停。

Claims (18)

1.一种用于通过多信道装置接入媒介的方法，媒介包括至少具有两个信道的传输系统，将在信道上发射的消息包括至少一前缀和一报头(PR)加上一个继承控制或数据部分，其特征在于消息的前缀和报头(PR)在所有的信道上都被重复。
2.权利要求1中要求的方法，其特征在于前缀和报头(PR)在所有的信道上被并行重复。
3.权利要求1中要求的方法，其特征在于将被发射的消息的类型有请求发送(RTS)、清除发送(CTS)、确认(ACK)或数据(DATA)。
4.权利要求1和2中任意一个所要求的方法，其特征在于多信道装置根据具有媒体接入控制(MAC)协议的标准IEEE802.11，即802.11e或802.11n来运行，并且至少属于MAC协议的一些信息项在所有信道上都被重复。
5.权利要求3中要求的方法，其特征在于媒介接入进行在标准IEEE802.11，即802.11e或802.11n之下，RTS、CTS和ACK控制帧在所有信道上被发射，并且接入媒介的单信道装置基于RTS/CTS数据分组中的信息来设置它们的网络分配矢量(NAV)。
6.一种用于通过多信道装置接入媒介的方法，该媒介包括至少具有多信道装置打算为了传输而请求的两个信道的传输系统，其特征体现为下列步骤
通过多信道装置扫描为了传输而将被请求的所有信道，
发现这些信道中的一个信道是空闲的或者装置自身进行的后退正在这个信道进行，
通过多信道装置对其它装置阻塞这个信道，
进一步扫描将被请求的其它信道，并且当发现所涉及信道空闲或其上正在进行后退的时候，阻塞或保留那些信道。
7.权利要求6中要求的方法，其特征在于信道阻塞通过多信道装置和接收装置来执行，其中每个装置都发射保留消息。
8.权利要求7中要求的方法，其特征在于保留消息以通过下列步骤发射的RTS和CTS帧的形式来实现
RTS帧由多信道装置在空闲信道上被传输，因此围绕正在发射的多信道装置的区域中的装置将设置它们的NAV，
CTS帧由接收装置在空闲信道上被发射，因此围绕接收站的区域中的站将设置它们的NAV。
9.权利要求7中要求的方法，其特征在于多信道装置用信道群聚在之前自己阻塞的所有信道上执行它的传输。
10.权利要求6中要求的方法，其特征在于信道阻塞通过多信道站在单个信道上开始传输而被执行，而在这样情况下传输可以采用或不用RTS-CTS机制来做出。
11.一种用于通过多信道装置接入媒介的方法，该媒介包括至少具有多信道装置打算为了传输而请求的两个信道传输系统，其特征在于独立于发射机和接收机的第三装置为希望发射的多信道装置保留或阻塞信道群中的信道。
12.权利要求11中要求的方法，其特征在于第三装置负责协调对多个信道的媒介接入。
13.权利要求11或12中要求的方法，其特征在于如果信道群中的单独信道不是同时变成空闲，则第三装置替换地使
一个信道或单独的信道被阻塞，直到信道群中的所有信道都变成空闲位置，或
已经变成空闲的信道立即被分配到希望发射的多信道装置。
14.权利要求11或12中要求的方法，其特征在于媒介接入在标准IEEE802.11，即802.11e或802.11n之下被执行，并且所述第三装置是混合协调器或点协调器。
15.权利要求14中要求的方法，其特征在于点协调器或混合协调器在所有的信道上并行发射所谓的信标。
16.之前的任何一个权利要求中要求的方法，用于采用标准通用移动电信系统(UMTS)的传输系统。
17.一种多信道装置，被用来接入包括具有至少两个信道的传输系统的媒介，该多信道装置是用来执行权利要求1或权利要求6中要求的方法，以便接入媒介。
18.一种无线网络，配备有至少具有两个信道的传输系统并且至少具有一个权利要求17中要求的多信道装置。
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