CN100525191C - 无线局域网传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线局域网中传输数据的方法，包括：以当前速率，从发送方向接收方发送一个发送帧；从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息；根据上述与传输速率或信道质量有关的信息确定最佳传输速率，调整所述最佳传输速率为当前速率；以及以调整后的当前速率，从发送方向接收方发送下一个发送帧；并为每一个发送帧和返回帧设置持续时间。

Description

无线局域网传输方法

技术领域

本发明一般地涉及无线通信技术，具体地说，涉及无线局域网多速率传输方法。

背景技术

无线局域网通常是基于载波侦听多址协议CSMA的，其改进方式有：信道分裂预约多址接入SRMA(split-channel reservation multiple access)、冲突避免多址接入协议MACA(multiple access with collision avoidance)、改进的冲突避免多址接入协议MACAW、底部获取多址接入协议FAMA(floor acquisition multiple acess)和802.11等协议，本发明所指的无线局域网一般都是基于CSMA协议。在无线局域网中进行多速率传输需要解决两个主要问题：信道质量估计和速率选择。信道质量估计主要是以信噪比、信号强度、误比特率、误符号率或误帧率的统计作为判决测度来衡量信道的传输质量，目前实现方法较多，且较成熟。

在无线局域网中，现行的速率选择方法目前主要有两种：一种是“自动速率应变(Auto Rate Fallback)协议”，另一种是“基于接收机的自动速率(Receiver Based Auto Rate)协议”。自动速率应变协议是由艾迪.卡莫曼等人提出的，其核心思想是，以前面传输的成功和失败次数为依据来调整传输速率。这实际是一种依误帧率的速率调整体制，当站点间成功传输一定次数后，认为信道质量可靠进而逐级提高传输速率；反之，如果站点间传输失败，则认为信道质量下降而逐级降低传输速率。根据该协议同一次传输过程中各帧的传输速率是不变的，因此多速率传输不会引起持续时间的变化，在站点间信道变化缓慢时，较为适用。但不适用于无线移动信道环境，因为在无线移动信道中，信道质量的变化较快，信道的相干时间短，以数次成功或失败的数据传输间隔作为信道质量统计时间窗时间太长，从而使得信道质量统计不可靠，传输吞吐率下降。基于接收机的自动速率协议是由盖文.荷兰德、奈廷.魏德亚和帕偌沃.巴尔提出的，该协议克服了自动速率应变协议不能适应无线移动信道的缺点。其核心思想是在MAC帧头的持续时间子字段中插入该帧的发送速率和帧长。传输初始时，发送站点采用基本速率集中的速率发送“发送请求帧”，接收站点根据接收信号估计信道质量信息，并随之自适应地调整发送速率，发送站点则以接收站点返回的确认帧的发送速率发送下一帧，不参与通信的节点则根据接收信号出数据发送率和帧长，即时修正网络分配矢量。由于是以一次传输过程中的一个帧传输间隔为信道质量统计时间窗，所以该协议速率变化实时性强，适用于无线移动信道。该协议最主要的缺点是：发送站点总是以接收节点返回的确认帧的发送速率发送数据帧，发送站点或接收站点都不能预先确定自己发送下一帧时的传输速率，因此不能准确设置到整个传输结束时的持续时间，不得不将持续时间字段内容改为发送速率和发送帧长以便不参与通信的节点修正网络分配矢量。无线信道除了有大尺度衰落，同时还存在小尺度衰落，当节点高速移动时，物理信道的信道状态信息变化较快，为了可靠地通信，对传输帧长有一定限制，一个较长的MAC帧往往要分成多个小段传输。基于接收机的自动速率协议的网络分配矢量修正方法不仅和现有协议兼容性差，更因为其持续时间字段已不具备对下一帧传输信道占用的预约作用而不适用于多段传输。另外接收节点返回的确认帧帧长通常远小于发送站点发送的数据帧长，在相同误码率情况下，误帧率随着帧长的加长而增高，以接收节点能可靠返回的确认帧的发送速率发送数据帧，从统计意义上讲并不可靠。因此该协议不适用于无线高速移动信道，兼容性差。

除了以上两种多速率传输协议，无线局域网中还有一种双信道时隙ALOHA多速率传输协议，该协议采用独立的控制信道用于传输速率的设置，由于占用信道资源过多，故实际中很少使用。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种无线局域网中传输数据的方法，包括：以当前速率，从发送方向接收方发送一个发送帧；从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息；根据上述与传输速率或信道质量有关的信息，调整当前速率；以及以调整后的当前速率，从发送方向接收方发送下一个发送帧；并为每一个发送帧和返回帧设置持续时间。

优选地，上述返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤，包括：利用与上述发送帧相对应的返回帧，从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息。

优选地，上述从发送方向接收方发送的一个发送帧是RTS帧；其中，从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤包括：利用与上述RTS帧对应的CTS帧返回与传输速率或信道质量有关的信息。

优选地，上述从发送方向接收方发送的一个发送帧是数据帧；其中，从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤包括：利用与上述数据帧对应的Ack帧返回与传输速率或信道质量有关的信息。

优选地，所述无线局域网中传输数据的方法，进一步包括：重复执行上述返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤、调整当前速率的步骤和发送下一个发送帧的步骤，直到数据传输结束。

优选地，上述返回帧也以调整前的当前速率传输。

优选地，传输速率被分为多个级V1～VP，其中V1是基本速率，VP是最高速率。

优选地，在开始一次传输时，当前速率被设置为基本速率。

优选地，在开始一次传输时，根据信道质量的统计信息当前速率被设置为高于基本速率的速率。

优选地，上述与传输速率或信道质量有关的信息包括：指示V1～VP多级传输速率中的一个的信息；上述调整当前速率的步骤包括：按照上述与传输速率或信道质量有关的信息所指示的速率级别调整当前速率。

优选地，上述与传输速率或信道质量有关的信息包括：表示信噪比、信号强度、误比特率、误符号率和误帧率中的一个或多个的信息。

优选地，为该发送帧设置持续时间的步骤包括：根据以当前速率传输与该发送帧对应的返回帧、下一个发送帧和与下一发送帧对应的返回帧所花的时间，计算该发送帧的持续时间；以及将计算出的该发送帧的持续时间设置在该发送帧的持续时间字段中。

优选地，为该返回帧设置持续时间的步骤包括：根据接收到的与该返回帧对应的发送帧的持续时间、当前速率和该返回帧的帧长计算出下一个发送帧的帧长；计算该返回帧的持续时间，该返回帧的持续时间相应于按照调整后的当前速率、发送下一接收帧和与其对应的返回帧所花时间；以及将计算出的该返回帧的持续时间设置在该返回帧的持续时间字段中。

优选地，所述无线局域网中传输数据的方法，还包括：没有参与通信的其它节点根据上述发送帧和返回帧中的持续时间维护网络分配矢量。

优选地，上述返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤，包括：接收上述发送帧；根据接收结果判断信道质量；根据信道质量选择最佳传输速率；以及利用与上述发送帧相对应的返回帧，从接收方向发送方返回表示该最佳传输速率的信息。

优选地，上述返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤，包括：接收上述发送帧；根据接收结果判断信道质量；以及利用与上述发送帧相对应的返回帧，从接收方向发送方返回表示信道质量的信息。

优选地，上述调整当前速率的步骤，包括：根据返回帧中信道质量的信息选择最佳传输速率，作为当前速率。

附图说明

相信通过以下结合附图对本发明具体实施方式的说明，能够使人们更好地了解本发明上述的特点、优点和目的。

图1是展示根据本发明的一个实施例的无线局域网中传输数据的方法的流程图；

图2是展示根据本发明的一个实施例的无线局域网中传输数据的方法的详细流程图；

图3A和3B是用于说明根据本发明的一个实施例返回帧的物理帧的格式的图；以及

图4是用于说明根据本发明的一个实施例计算持续时间和维护网络分配矢量(NAV)情况的图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明的各个优选实施例进行详细的说明。

图1是展示根据本发明的一个实施例的无线局域网中传输数据的方法的流程图。

如图1所示，本实施例的无线局域网中传输数据的方法，首先在步骤101，以当前速率从发送方向接收方发送一个发送帧。具体地，在本申请中将从发送方向接收方发送的帧称为“发送帧”，而从接收方向发送方返回的帧称为“返回帧”。正如本领域技术人员已知的那样，在无线局域网(WLAN)中发送帧可以包括：RTS(Request To Send，请求发送)帧、数据帧等；分别与发送帧相对应地，返回帧可以包括：CTS(Clear To Send，允许发送)帧、ACK(确认)帧等。

接着，在步骤105，从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息。具体地，可以是，接收方接收由发送方发来的发送帧，根据接收的结果评价信道质量，然后确定一个最佳的传输速率并将该最佳传输速率的信息返回给发送方。或者，也可以是，接收方只是将信道质量的信息返回给发送方，然后由发送方根据信道质量确定最佳传输速率。

在此，对于如何评价信道质量、如何根据信道质量确定最佳传输速率，本发明并没有特别的限制，可以采用本领域技术人员了解的任何方法。后面描述的本发明最佳实施例中示例性地列举了一些方法，但是本发明并不限于该方法。

接着，在步骤110，根据返回的与传输速率或信道质量有关的信息，调整当前速率。具体地，与前面返回信息的步骤相对应，如果从接收方返回的是信道质量信息，则在发送方进一步根据该质量信息确定一个最佳传输速率来调整当前速率；如果从接收方返回的是指示最佳传输速率的信息，则在发送方直接按照该信息更新当前速率即可。

然后，在步骤115，以调整后的当前速率，从发送方向接收方发送下一个发送帧。

这样，本实施例的无线局域网中传输数据的方法可以根据信道状态以不同的速率传输数据，从而适应由于移动或其他原因造成的信道质量的变化。

图2是展示根据本发明的一个优选实施例的无线局域网中传输数据的方法的详细流程图。下面接合该图对本发明的优选实施例进行说明。

如图2所示，在开始一次数据传输后，首先在步骤205，设置初始当前速率。在本实施例中，传输速率被划分为，传输速率被分为多个级V1～VP，其中V1是基本速率(最低速率)，VP是最高速率。

在此，初始当前速率可以被设置为基本速率V1。优选地，如果在发送方具有信道质量的统计信息，则可以根据该统计信息选择一个高于基本速率的速率作为初始当前速率。但是，前提条件是要充分保证以该初始当前速率能够正确地传送第一个发送帧。

接着，在步骤210，以该初始当前速率，从发送方向接收方发送RTS帧。正如本领域技术人员已知的那样，通常在WLAN中开始一次数据传输，首先要由发送方发送RTS帧作为请求。

接着，在步骤215，接收方收到该RTS请求后，以该初始当前速率返回一个CTS帧。具体地，接收方接收由发送方发来的RTS帧，根据接收的结果评价信道质量，然后确定一个最佳的传输速率(例如，V5)，并且在向发送方返回的CTS返回帧中包含表示该最佳传输速率的信息。在此，在确定最佳的传输速率时应当综合考虑所传输的数据的特性(例如，帧长、码率等)和信道质量特点(例如，信噪比、信号强度、误比特率、误符号率等)，从而确定一个最佳的传输速率。

另外在优选方案中，接收方确定的速率，发送方应该严格的执行，否则接收方对信道的预约时间不准确，难以避免碰撞。

在此，接合图3A和3B说明根据本发明的优选实施例最佳传输速率信息被返回给发送方的具体方式。根据本优选实施例，最佳传输速率信息是包含在返回帧的物理帧头中返回给发送方的。图3A和3B是用于说明根据本发明的一个实施例返回帧的物理帧的格式的图。

目前802.11a物理层帧的结构，如图3A所示，其中“RATE”字段表示该物理层帧“DATA”(数据部分)的传输速率，“SERVICE”字段为16比特，其中7比特表示扰乱生成多项式，剩余9比特保留，根据本优选实施例，从这预留的9比特中取4比特，命名为“rRATE”字段，用来表示上述最佳传输速率信息(见图3B)。

接着，在步骤220，根据CTS帧中的最佳传输速率信息，发送方调整当前速率(例如，V5)。

接着，在步骤225，以调整后的当前速率，从发送方向接收方发送一个数据帧。

接着，在步骤230，同样以该调整后的当前速率，从接收方向发送方返回一个Ack帧。与前述的步骤215一样，接收方接收由发送方发来的数据帧，根据接收的结果评价信道质量，然后确定一个最佳的传输速率，并且在向发送方返回的Ack返回帧中包含表示该最佳传输速率的信息。同样地，在确定最佳的传输速率时应当综合考虑所传输的数据的特性(例如，帧长、码率等)和信道质量特点(例如，信噪比、信号强度、误比特率、误符号率等)，从而确定一个最佳的传输速率。

接着，在步骤235，判断是否还有数据帧需要发送。如果判断为“是”，则进行到步骤240，根据该Ack帧中的最佳传输速率信息，发送方调整当前速率(与前述的步骤220相同)；然后，返回到步骤225重复执行步骤225～240，直到没有数据帧需要发送为止。

如果步骤235的判断为“否”，则在步骤245结束。

下面结合图4对于本发明实施例中发送帧和返回帧的持续时间的设置方式以及没有参与数据传输的其它节点维护网络分配矢量(NAV)的方式进行说明。

正如本领域技术人员已知的那样，在以往无线局域网的数据通信中，为了减小碰撞的损失以及隐藏终端等的影响，在RTS和CTS帧里存放预留时长信息(RTS为20字节，CTS为14字节)。没有参与数据传输的其它节点，接收到RTS/CTS帧，获取预留时长信息后更新自己的NAV(network allocation vector)值，为竞争信道的发送方和接收方进行数据交换预留出信道带宽，如图4所示。

在以往传输速率一定的情况下，以上这种方式是可行的。但是，如果采用本发明的方法，则由于传输速率是变化的，仅仅依靠RTS和CTS帧的持续时间信息是不够的，会造成其它节点的NAV值的更新不准确，导致资源浪费或冲突增加。

根据本发明的一个优选实施例，在从发送方向接收方发送每一个发送帧时(例如，图1的步骤105、115以及图2的步骤210、225中)都为该发送帧设置持续时间。具体地，首先根据以当前速率传输与该发送帧对应的返回帧、下一个发送帧和与下一发送帧对应的返回帧所花的时间，计算该发送帧的持续时间。然后，将计算出的该发送帧的持续时间设置在该发送帧的持续时间字段(字段)中。

例如，在图2的步骤210中计算该RTS帧的持续时间时，就应当计算以初始当前速率传输与该RTS对应的CTS返回帧、下一个数据发送帧(步骤225中要发送的数据帧)和与该下一个发送帧对应的返回帧所花的时间，当然还应包括这些帧之间的间隔时间(SIFS)。

再例如，在图2的步骤225中计算该数据发送帧的持续时间时，就应当计算以调整后的当前速率传输与该数据发送帧对应的Ack返回帧、下一个数据发送帧(如果有的话，下一次循环执行步骤225处理的数据帧)和与该下一个发送帧对应的Ack返回帧所花的时间，当然还应包括这些帧之间的间隔时间(SIFS)。

进而，根据本优选实施例，在从接收方向发送方返回每一个返回帧时(例如，图2的步骤215、230中)都为该返回帧设置持续时间。具体地，首先，根据接收到的与该返回帧对应的发送帧的持续时间、当前速率和该返回帧的帧长计算出下一个发送帧的帧长。然后，计算该返回帧的持续时间，该返回帧的持续时间相应于按照与传输速率或信道质量有关的信息所指示的传输速率、发送下一接收帧和与其对应的返回帧所花时间。最后，将计算出的该返回帧的持续时间设置在该返回帧的持续时间字段中。

例如，在图2的步骤215中计算该CTS帧的持续时间时，首先，根据步骤210发送的RTS帧中的持续时间(D1)、初始当前速率(V1)和该CTS帧的帧长(L1)计算出下一个发送帧(步骤225要发送的帧)的帧长(L2)，可以通过以下公式计算：L2＝(D1-3*SIFS)*V1-2*L1。当没有后续数据帧时(可以通过MoreFrag字段状态获知)，L2＝0。。

然后，计算该CTS帧的持续时间，该CTS帧的持续时间相应于按照调整后的当前速率、发送下一接收帧(步骤225要发送的数据帧)和与其对应的返回帧(步骤230要返回的Ack帧)所花的时间，当然还应包括这些帧之间的间隔时间(SIFS)。

同时，根据本优选实施例，网络中那些没有参与通信的其它节点监听信道中每一个发送帧和返回帧，根据其中记录的持续时间更新NAV值。这样，即使在传输速率变化的情况下，也可以保证无线局域网中各个节点NAV值的准确更新，在可以进一步节省资源的同时还可以避免冲突的发生。

通过以上的描述可知，采用本发明的上述实施例，在数据传输过程中，传输速率可根据信道状态依物理帧分段自适应地变化，故可以适用于高速移动无线衰落信道。

本发明的实施例采用了速率信息(或信道质量信息)的交换技术，而速率信息的交换和信道质量信息的交换是等同的，发送方可以高效地以接收方能可靠接收的速率发送数据。

本发明的优选实施例采用了速率可变时的持续时间设置方法，该方法使得当前分段中的持续时间具有对传输下一分段信道占用的预约功能，因此适用于数据帧的分段传输。

根据本发明的上述实施例，由于发送方发送数据帧中的传输速率和相应的返回帧的传输速率总是相等，从而可以保证发送方对信道的占用，并在通信结束时可以及时地释放对信道的占用。

另外，根据本发明的一个变形例，上述最佳速率信息也可以不记录在物理帧头中，而是记录在MAC帧中，例如“Frame Control”字段中。

根据本发明的另一个变形例，在返回帧中包含的不是最佳速率信息而是表示信噪比、信号强度、误比特率、误符号率和误帧率中的一个或多个的信息。例如，可以将信噪比、信号强度、误比特率、误符号率和误帧率中的一个或多个的组合分级定义，然后通过返回帧返回给发送方。这样，发送方可以根据信道质量的特性和将要发送的数据的特性来选择最佳传输速率。

以上虽然通过一些示例性的实施例对本发明的无线局域网中传输数据的方法进行了详细的描述，但是以上这些实施例并不是穷举的，本领域技术人员可以在本发明的精神和范围内实现各种变化和修改。因此，本发明并不限于这些实施例，本发明的范围仅由所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种无线局域网中传输数据的方法，包括：

以当前速率，从发送方向接收方发送一个发送帧；

从接收方向发送方的返回帧返回与传输速率或信道质量有关的信息；

根据上述与传输速率或信道质量有关的信息确定最佳传输速率，调整所述最佳传输速率为当前速率；以及

以调整后的当前速率，从发送方向接收方发送下一个发送帧；

其中为每一个发送帧和返回帧设置持续时间。

2.根据权利要求1所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，上述返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤，包括：利用与上述发送帧相对应的返回帧，从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息。

3.根据权利要求1所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，上述从发送方向接收方发送的一个发送帧是RTS帧；

其中，从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤包括：利用与上述RTS帧对应的CTS帧返回与传输速率或信道质量有关的信息。

4.根据权利要求1所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，上述从发送方向接收方发送的一个发送帧是数据帧；

其中，从接收方向发送方返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤包括：利用与上述数据帧对应的Ack帧返回与传输速率或信道质量有关的信息。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的无线局域网中传输数据的方法，进一步包括：

重复执行上述返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤、调整当前速率的步骤和发送下一个发送帧的步骤，直到数据传输结束。

6.根据权利要求2所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，上述返回帧也以调整前的当前速率传输。

7.根据权利要求1、2、3、4或6中任意一项所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，传输速率被分为多个级V1～VP，其中V1是基本速率，VP是最高速率。

8.根据权利要求7所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，在开始一次传输时，当前速率被设置为基本速率。

9.根据权利要求7所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，在开始一次传输时，根据信道质量的统计信息，当前速率被设置为高于基本速率的速率。

10.根据权利要求7所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，上述与传输速率或信道质量有关的信息包括：指示V1～VP多级传输速率中的一个的信息；

上述调整当前速率的步骤包括：按照上述与传输速率或信道质量有关的信息所指示的速率级别调整当前速率。

11.根据权利要求1所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，上述与传输速率或信道质量有关的信息包括：表示信噪比、信号强度、误比特率、误符号率和误帧率中的一个或多个的信息。

12.根据权利要求1、2、3、4、6或11所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，为该发送帧设置持续时间的步骤包括：

根据以调整前的当前速率传输与该发送帧对应的返回帧、下一个发送帧和与下一发送帧对应的返回帧所花的时间，计算该发送帧的持续时间；以及

将计算出的该发送帧的持续时间设置在该发送帧的持续时间字段中。

13.根据权利要求12所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，为该返回帧设置持续时间的步骤包括：

根据接收到的与该返回帧对应的发送帧的持续时间、调整前的当前速率和该返回帧的帧长计算出下一个发送帧的帧长；

计算该返回帧的持续时间，该返回帧的持续时间相应于按照调整后的当前速率、发送下一接收帧和与其对应的返回帧所花时间；以及

将计算出的该返回帧的持续时间设置在该返回帧的持续时间字段中。

14.根据权利要求13所述的无线局域网中传输数据的方法，还包括：没有参与通信的其它节点根据上述发送帧和返回帧中的持续时间实时更新网络分配矢量。

15.根据权利要求1所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，上述返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤，包括：

接收上述发送帧；

根据接收结果判断信道质量；

根据信道质量选择最佳传输速率；以及

利用与上述发送帧相对应的返回帧，从接收方向发送方返回表示该最佳传输速率的信息。

16.根据权利要求1所述的无线局域网中传输数据的方法，其中，上述返回与传输速率或信道质量有关的信息的步骤，包括：

接收上述发送帧；

根据接收结果判断信道质量；以及

利用与上述发送帧相对应的返回帧，从接收方向发送方返回表示信道质量的信息。

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