CN101166186A - 正交频分复用无线局域网物理层超帧的构造方法和对其的应答方法 - Google Patents

正交频分复用无线局域网物理层超帧的构造方法和对其的应答方法 Download PDF

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Abstract

一种正交频分复用(OFDM)无线局域网物理层超帧的构造方法和对其的应答方法，属于无线通信技术的领域。该物理层超帧由超帧帧头和超帧帧体两部分构成，其中，超帧帧头即为OFDM无线局域网系统的物理帧采用的帧头，超帧帧体则由一组物理帧的帧体通过前后粘接而构成，这些物理帧帧体可以是发往不同站点的，每个物理帧帧体中设置了关于其后粘接的物理帧帧体位置的信息。对该物理层超帧，接收站点将采用群组应答机制进行应答，即每次只有一个接收站点能够进行应答，但该接收站点对从上一次应答结束之后到当前应答开始之前来自当前发射站点的所有数据帧进行应答。

Description

正交频分复用无线局域网物理层超帧的构造方法和对其的应答方法
技术领域
本发明属于无线通技术领域，特别涉及正交频分复用(OFDM)无线局域网系统。
背景技术
随着社会生活越来越广泛的对于信息的需求，网络已经越来越成为人们日常生活不可缺少的一部分。无线局域网因其接入灵活、不需要布线等优点，具有广阔的发展前景。
IEEE802.11工作组针对无线局域网的应用需求提出了其无线局域网的解决方案，这就是802.11无线局域网标准。到目前为止，802.11无线局域网物理层的标准主要有四个，即802.11，802.11b，802.11g和802.11a，媒体接入(MAC)层的标准主要有802.11和802.11e。在物理层标准方面，802.11定义了跳频扩频、直接序列扩频和红外三种工作方式；802.11b对802.11的直接序列扩频工作方式进行扩展，使其物理层最高数据速率达到11Mbps(前者只能达到2Mbps)；802.11g则对802.11b作进一步的扩展，在兼容802.11b的基础上，加入了OFDM工作方式，物理层最高数据速率可达54Mbps，802.11g和802.11b均工作在2.4G频段；802.11a标准工作在5G频段，采用OFDM工作方式，物理层最高数据速率为54Mbps；802.11g的OFDM工作方式与802.11a采用了完全相同的实现方式，差别只在于工作频段不同。在MAC层标准方面，802.11定义了802.11网络中工作站点占用信道的方式，即通过随机竞争占用信道(DCF)和AP通过中央控制占用信道(PCF)两种方式，802.11e主要是针对802.11网络的用户质量问题而提出的解决方案，提出了HCF工作方式来实现局域网通信中的用户质量。
802.11-OFDM(含802.11a和802.11g的OFDM方式)系统的物理帧由Preamble、SIGNAL符号和数据三部分组成(见图1)，其中，Preamble用于帧同步、载波同步、定时同步和信道估计等；SIGNAL是一个OFDM符号，其内包含了数据部分所采用的调制方式、纠错码码率和MAC帧帧长等的信息；数据部分承载了所要传送的MAC帧。
应该看到，现行802.11-OFDM的物理层帧结构主要是针对中、低阶的信号调制方式设计的，当系统为达到高数据速率而采用高阶调制时，会产生以下问题：
在802.11系统中，为实现MAC层的接入，必须付出一定的接入开销，这包括：ACK包、RTS包、CTS包、数据包间的时间间隙、MAC层由于信道竞用而产生的数据包碰撞、DCF工作方式下发送数据包前的退避等。802.11系统在一定的MAC层工作方式下每发送一个数据包，其MAC层开销占用的时间在平均意义上是确定的。当802.11系统对其传输数据的物理帧采用高阶调制时，其传输数据符号的时间将变短，而MAC层开销所占的时间保持不变，因而MAC层的数据吐吞不能随着物理层数据速率的提高而得到等幅的提高，从而造成MAC层数据吞吐的受限。由于802.11/802.11e协议为MAC帧规定了最大帧长，因此802.11系统不能通过简单地加大MAC帧帧长的办法来解决上述问题。
下面通过一个实际例子来描述MAC层数据吞吐受限的问题。考虑802.11系统的MAC层通过DATA包发送网络层的数据，每个DATA包均发送2000个字节的网络层数据(802.11和802.11e规定的最大数据长度分别为2312字节和2324字节)，若在MAC层仅仅考虑ACK应答、数据包之间的时间间隙这两项开销，则802.11-OFDM系统在物理层达到54Mbps(采用64QAM调制、3/4码率)的有效数据速率时，其MAC层只能实现39.8Mbps的数据吞吐。由此可见，当物理层采用高阶调制、高码率时，现行的802.11-OFDM系统的物理层帧结构将严重地限制其MAC层可以达到的数据吞吐量。
本发明给出了一种OFDM无线局域网物理层超帧的构造方法，解决了现行无线局域网系统在物理层采用高阶调制、高码率时MAC层数据吞吐受限的问题。
发明内容
提出了一种OFDM无线局域网系统物理层超帧的构造和实现方法，以克服现行OFDM无线局域网存在的当物理层达到高数据速率时MAC层数据吞吐受限的问题。
OFDM无线局域网中的物理帧可一般性地表示为物理帧帧头和物理帧帧体两部分。物理帧帧头用于实现同步、信道估计等功能。物理帧帧体可以只包含所要传送的数据体(如图2所示)，也可以包含数据属性体和数据体两部分(如图3所示)，其中，数据属性体用于定义数据体的某些属性，如其采用的调制、编码方式等，提供给接收站点用于信号检测。
对于图3所示的物理帧结构，通过将若干个物理帧去掉帧头后再前后粘接，即构成超帧的帧体。对超帧帧体加上帧头，即构成超帧。该超帧帧头直接采用OFDM无线局域网的物理帧帧头。由K个物理帧构造一个物理层超帧的实现过程可以表示为图4所示的过程。
对于图2所示的物理帧结构，将若干个物理帧去掉帧头后，首先在每个数据体前加入一个空白的数据属性体、构成新的物理帧帧体，然后再前后粘接构成超帧帧体。最后，对超帧帧体加上帧头，构成超帧。这里，空白的数据属性体用于实现物理帧帧体间的粘接。由K个物理帧构造一个物理层超帧的实现过程可以表示为图5所示的过程。
由上述方法构造的物理层超帧由一个超帧帧头和若干个物理帧帧体所构成，每个物理帧帧体又由一个数据属性体和一个数据体两部分构成。超帧帧头用于该超帧的同步和信道估计等。物理帧帧体中的数据体由若干个OFDM符号所构成，承载所要传送的MAC层数据。物理帧帧体中的数据属性体由一个或若干个OFDM符号所构成，由其完成物理帧帧体的前后粘接功能。在该数据属性体中存在一个标志位，用以标示当前物理帧帧体的尾部是否粘接有后续物理帧帧体。除最后一个数据属性体外，超帧中的每一个数据属性体中均放置了关于其尾部所粘接的物理帧帧体位置的信息。发射站点在通过将物理帧帧体前后粘接构成超帧时，首先修改数据属性体中的标志位，接着再向其加入关于后续物理帧帧体所在位置的信息。
在802.11-OFDM系统的物理帧中，其Preamble部分为物理帧帧头，SIGNAL符号部分为物理帧的数据属性体部分，其后承载数据的部分为物理帧的数据体部分，SIGNAL符号对其后数据所要采用的调制、编码方式和所承载的MAC帧的帧长等作出定义。对于一组802.11-OFDM物理帧，采用图4所示的方法，将其去掉Preamble，然后前后粘接起来，最后再在其前端加上一个Preamble，即可构成一个802.11-OFDM系统的物理层超帧。
在实际的超帧构造中，可由一组MAC帧构造出一组物理帧帧体后，直接通过前后粘接而构成超帧，而不需要先将它们构造成一组物理帧。
超帧中的各个物理帧帧体可以是发往同一站点的，也可以是发往不同站点的。为解决超帧承载的物理帧不发往同一站点时所存在的应答问题，本发明对物理层超帧设计了一种群组应答机制。在该应答机制中，当发射站点向局域网内的各个站点发送数据时，只有与某个特定位置的物理帧帧体所对应的接收站点拥有应答权限，且它必须利用该应答权限对从上一次应答结束之后到本次应答实施之前来自当前发射站点的所有数据帧进行应答。群组应答机制还包括，由于可以使用超帧，接收站点可以利用它获得的任何发送数据的机会对其在此前所接收到的数据帧进行应答。
在802.11-OFDM系统中，可通过群组应答帧来实现对一个数据帧组的应答，该群组应答帧则通过在802.11协议ACK帧的基础上定义新的数据域而得到。
附图说明
图1802.11-OFDM系统物理帧的帧结构
图2 OFDM无线局域网系统物理帧的帧结构(物理帧帧体仅包含数据体部分)
图3 OFDM无线局域网系统物理帧的帧结构(物理帧帧体包含数据属性体和数据体两部分)
图4由一组具有图3结构的物理帧构造一个物理层超帧的实现方法
图5由一组具有图2结构的物理帧构造一个物理层超帧的实现方法
图6由一组MAC帧构造一个物理层超帧的实现方法
图7 802.11-OFDM系统中由一组MAC帧构造一个物理层超帧的实现方法
图8 802.11-OFDM标准中SIGNAL符号的结构
图9本发明设计的SIGNAL符号的结构
图10 802.11MAC层协议中DATA帧的帧结构
图11 802.11系统DATA帧中Sequence Control域的结构
图12群组应答帧的帧结构
具体实施方式
图4和图5给出了OFDM无线局域网中由一组物理帧构造物理层超帧的实现过程。在实际的超帧构造中，可由一组MAC帧构造出一组物理帧帧体后，直接通过前后粘接构成超帧，而不需要先将它们构造成一组物理帧。
图6给出了由K个MAC帧构造一个物理层超帧的实现方法。通过三个步骤来完成：第一步是将各个MAC帧经过编码、调制后构造成对应的数据体；第二步是对各个数据体加上数据属性体构成各个物理帧帧体，然后再将各个物理帧帧体前后粘接起来，构成超帧帧体；第三步是在超帧帧体前部加上超帧帧头，构成超帧。
在图6所示的超帧构造中，数据属性体可能包含了对数据体的某些属性的定义(当网络的物理帧采用图3所示的结构时)，也可能未包含这样的定义、仅用作物理帧帧体间的粘接(当网络的物理帧采用图2所示的结构时)。各个物理帧帧体的前后粘接可通过在前一个物理帧帧体的数据属性体中设置其尾部粘接的后一个物理帧帧体的位置信息来完成，如在物理帧帧体1的尾部粘接物理帧帧体2时在数据属性体1中标示物理帧帧体2的位置，在物理帧帧体2的尾部粘接物理帧帧体3时在数据属性体2中标示物理帧帧体3的位置，依次类推。在由超帧帧体加上超帧帧头的操作中，可直接使用OFDM无线局域网系统的物理帧帧头作为该超帧帧头。
超帧中物理帧帧体的前后粘接可以以OFDM符号为单位来实现，也可以以子载波符号为单位来实现。在以OFDM符号为单位来实现帧体粘接中，若一个物理帧帧体的长度不能正好占满整数个OFDM符号，则需在它的最后一个OFDM符号的构造中对信息数据作填充操作，以解决交织器的工作问题。如果不使用交织器，则可以在最后一个OFDM符号的没有占满的子载波上不发送信号。
802.11-OFDM系统的物理帧采用Preamble结构作为物理帧帧头、SIGNAL符号作为数据属性体。由图6所示的构造方法，不难得到如图7所示的802.11-OFDM系统中由一组MAC帧构造物理层超帧的实现过程。
在图7的实现方法中，不同的物理帧帧体之间通过SIGNAL符号进行前后联接。802.11-OFDM系统物理帧SIGNAL符号的结构如图8所示，其由RATE域、LENGTH域、保留位、校验位(Parity)和用于卷积码解码的置尾0(Signal Tail)五个部分构成。RATE域标示的是物理层的数据速率，等价地表示了当前物理帧传输数据所采用的调制方式和卷积码码率，LENGTH域标示的是传输的MAC帧的帧长。
当发射站点向局域网内的其它站点发送物理层超帧或普通物理帧时，它必须利用SIGNAL符号向各接收站点标示当前物理帧帧体的尾部是否粘接有后续的物理帧帧体，以引导接收站点的数据接收。SIGNAL符号中现有的保留位正可以用来标示该信息。我们把新定义的由该标志位所构成的域称为Next Frame域。
在Next Frame域标示当前物理帧帧体的尾部粘接有后续物理帧帧体的情况下，必须在当前物理帧帧体的SIGNAL符号中向各接收站点标示出下一个物理帧帧体的位置。注意到任何接收站点在收到当前SIGNAL符号后都可以利用其RATE域和LENGTH域的信息计算出当前物理帧帧体的长度，从而也就可以找到下一个物理帧帧体的起始位置。因此，SIGNAL符号中的LENGTH域实际上向接收站点间接地提供了后续物理帧帧体的位置信息，从而，在由SIGNAL符号实现802.11-OFDM系统的物理帧帧体的粘接中，不必特意在SIGNAL符号中设置其后续物理帧帧体的位置信息，如图7所示。
采用物理层超帧的802.11-OFDM系统中SIGNAL符号的结构如图9所示。其中，NextFrame域用来表示当前的物理帧帧体的尾部是否粘接有后续物理帧帧体，用1表示粘接有后续物理帧帧体，用0表示没有粘接后续物理帧帧体，如表1所示。注意到，发射站点在发送普通物理帧时，其将Next Frame域设置为0，而每个超帧的最后一个物理帧帧体中的SIGNAL符号的Next Frame域也必须设置为0。
表1SIGNAL符号中新定义的Next Frame域的含义
  Next Frame域   Next Frame域含义
  0   没有粘接后续物理帧帧体
  1   粘接有后续物理帧帧体
超帧中物理帧帧体的前后粘接分为以OFDM符号为单位来实现和以子载波符号为单位来实现两种。设SIGNAL符号中RATE域标示的物理帧帧体的数据速率为R(Mbps)，LENGTH域标示的MAC帧帧长为L(bytes)，则当采用以OFDM符号为单位进行物理帧帧体的粘接时，当前物理帧帧体的长度为：
Figure A20061015058400091
个OFDM符号，式中，
Figure A20061015058400092
表示距当前值最近的不小于当前值的整数；当采用以子载波符号为单位进行物理帧帧体的粘接时，当前物理帧帧体的长度为：个子载波符号。
由于物理层超帧的设计允许在一个超帧中传输发往不同站点的物理帧，因此，在超帧系统中必须采用与802.11MAC层协议不同的应答机制。
我们采用群组应答机制来实现接收站点对发射站点的应答，其工作原理是：(1)发射站点在发送完一个物理层超帧后，只有一个接收站点有权限进行即时的应答；(2)接收站点在获得应答权限或其它发送数据的机会时，对从上一次应答结束之后到本次应答开始之前所接收到的来自当前发射站点的所有数据帧进行应答。由于接收站点也能以超帧方式发送数据，因此，它总是可以在其对任何站点发送数据的同时，对已经接收到的数据帧进行应答。
OFDM无线局域网系统采用群组应答机制对物理层超帧进行应答时，按如下方式分配应答权限：发射站点在发送完一个物理层超帧后，与某一特定位置的物理帧帧体相对应的接收站点获得应答权限。该特定的位置可根据无线局域网系统的具体特点来定。由于物理层超帧中第一个数据属性体获得正确解码的可能性总是大于其它的数据属性体，因此，群组应答权限的一种分配方法是指定物理层超帧中与第一个物理帧帧体相对应的接收站点获得应答权限。该种应答权限的分配方法可使得群组应答权限得到最大可能的使用。
802.11无线局域网系统的MAC层采用了一种尾随式应答的机制，即：接收站点在接收到属于自己的数据帧后，在SIFS时间间隔后进行应答。采用尾随式应答的优点是：接收站点能够准确地把握发射信号的边沿，从而减少了数据碰撞的概率。当将物理层超帧和群组应答机制用于802.11网络时，也可约定采用尾随式应答机制进行群组应答，即得到802.11-OFDM网络中群组应答权限的一种分配方法：在802.11-OFDM系统的各个接收站点接收到来自某个发射站点的物理层超帧后，与超帧中最后一个物理帧帧体所对应的接收站点获得应答权限。
在802.11系统中，当发射站点向接收站点发送一组DATA帧时，需要对其进行编号，表示其在这一组DATA帧中的位置。802.11协议通过在DATA帧中设置Sequence Control域来标示该序号信息。802.11协议中DATA帧的帧结构见图10。其Sequence Control域的结构如图11所示，其包含了Fragment Number和Sequence Number两个子域，分别为4比特和12比特。其中Sequence Number子域表示的是当前DATA帧的序列号，Fragment Number子域表示的则是当前DATA帧的分片号。
在采用超帧的802.11-OFDM系统中，接收站点的对一个数据帧组的应答可通过采用群组应答(GroupAck)帧来实现。本发明定义群组应答帧的帧结构如图12所示，它是通过在802.11协议的ACK帧中加入Sequence Control 1、Sequence Control 2和Group Ack Bitmap三个域而构造成的。在该结构中，Sequence Control 1域和Sequence Control 2域均采用图11中SequenceControl域的结构，其中，Sequence Control 1表示所应答的数据帧组的起始标号(即第一个数据帧的标号)，Sequence Control 2则表示所应答的数据帧组的终止标号(即最后一个数据帧的标号)。在Group Ack Bitmap域中，为从标号为Sequence Control 1到标号为Sequence Control2之间的每个DATA帧保留了1比特的标志位，当该标志位为1时，表示对应的DATA帧已经被正确接收，当该标志位为0时，表示对应的DATA帧没有被正确接收。设从SequenceControl 1到Sequence Control 2共存在N个可能的标号，则Group Ack Bitmap域的长度为字节。

Claims (11)

1.一种正交频分复用无线局域网系统中物理层超帧的构造方法，其特征在于：
该物理层超帧由超帧帧头和超帧帧体两部分构成；
超帧帧头位于超帧的前端，超帧帧体接在超帧帧头的后部；
超帧帧体由若干个物理帧帧体通过前后粘接而构成；
每个物理帧帧体包含一个数据属性体和一个数据体；
不同物理帧帧体的前后粘接通过数据属性体来实现；
数据属性体由一个或若干个OFDM符号所构成；
数据体由一个或若干个OFDM符号所构成。
2.根据权利要求1所述的正交频分复用无线局域网系统中物理层超帧的构造方法，其特征在于，其超帧帧头的构造方法：
将该OFDM无线局域网物理帧的帧头作为该超帧帧头。
3.根据权利要求1所述的正交频分复用无线局域网系统中物理层超帧的构造方法，其特征在于，超帧帧体的特性：
超帧帧体中的物理帧帧体可以是发往不同的接收站点的。
4.根据权利要求1所述的正交频分复用无线局域网系统中物理层超帧的构造方法，其特征在于，通过数据属性体实现不同物理帧帧体前后粘接的方法：
该数据属性体的结构中存在一个标示当前物理帧帧体的尾部是否粘接有后续物理帧帧体的标志位；
若该标志位标示当前物理帧帧体的尾部粘接有后续物理帧帧体，则在当前数据属性体中存在标示后续物理帧帧体位置信息的数据域。
5.根据权利要求1所述的正交频分复用无线局域网系统中物理层超帧的构造方法，其特征在于：
该正交频分复用无线局域网可以是802.11a/802.11g OFDM网络，也可以是其它正交频分复用无线局域网。
6.根据权利要求1和2和3和5所述的正交频分复用无线局域网系统中物理层超帧的构造方法，其特征在于，802.11a/802.11g OFDM网络中物理层超帧的构造方法：
该超帧帧头为802.11a/802.11g OFDM物理帧的Preamble部分；
该超帧帧体中的物理帧帧体可以是发往不同的接收站点的；
其物理帧帧体由802.11a/802.11g OFDM物理帧的SIGNAL符号和其后的数据部分所构成，SIGNAL符号为数据属性体，其后的数据部分为数据体。
7.根据权利要求4所述的物理层超帧的构造中通过数据属性体实现不同物理帧帧体前后粘接的方法，其特征在于，802.11a/802.11g OFDM网络中通过SIGNAL符号实现不同物理帧帧体前后粘接的方法：
将原保留比特用作标示当前物理帧帧体的尾部是否粘接有后续物理帧帧体的标志位；
若该标志位标示当前物理帧帧体的尾部粘接有后续物理帧帧体，则用LENGTH域间接标示后续物理帧帧体的位置信息。
8.一种正交频分复用无线局域网系统中对物理层超帧的应答方法，其特征在于：
该物理层超帧为权利要求1中所定义的物理层超帧；
发射站点发送完一个物理层超帧后，只有一个接收站点有权限进行即时的应答；
每一次接收站点对发射站点的应答，是对一个数据帧组进行应答；
该数据帧组包含了从上一次应答结束之后到当前应答开始之前接收到的所有数据帧；
接收站点也可以在获得其它发送数据的权限时进行应答。
9.根据权利要求8所述的正交频分复用无线局域网系统中对物理层超帧的应答方法，其特征在于，应答权限的分配方法：
发射站点发送完一个物理层超帧后，与某一特定位置的物理帧帧体相对应的接收站点获得应答权限。
10.根据权利要求9所述的正交频分复用无线局域网系统中对物理层超帧的应答方法，其特征在于：对物理层超帧进行应答时应答权限的分配方法，与某一特定位置的物理帧帧体相对应的接收站点获得应答权限。以两个例子来说明：
(1)指定与物理层超帧中第一个物理帧帧体对应的接收站点获得应答权限；
(2)在802.11a/802.11g OFDM网络中，指定与物理层超帧中最后一个物理帧帧体对应的接收站点获得应答权限。
11.根据权利要求8所述的正交频分复用无线局域网系统中对物理层超帧的应答方法，其特征在于，802.11a/802.11g OFDM网络中对一个数据帧组进行应答的方法，通过具有以下特征的群组应答帧来进行应答：
在其帧中分别标示了将要进行应答的数据帧组的起始标号与终止标号，这里，起始标号指数据帧组的第一个数据帧的标号，终止标号指数据帧组的最后一个数据帧的标号；
该起始标号与终止标号通过该帧中的两个数据域来表示。
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