CN101223731A - 在无线局域网中传输和保护长帧 - Google Patents

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Abstract

用于在无线网络中通信的方法和系统可使用长帧，每一帧包括介质访问控制(MAC)协议数据单元(MPDU)的集合。在某些实施例中，帧的第一MPDU可以与被设计为读取仅具有一个MPDU的帧的遗留无线局域网装置兼容的格式来组成。第一MPDU中的字段可包括时长值，所述时长值可用于更新遗留装置的网络分配矢量(NAV)以制止在长帧期间传输。还公开了各种其他实施例和实现。

Description

在无线局域网中传输和保护长帧
背景技术
在当今的通信行业中，通信协议和技术的快速推进是常见的。为了促进新系统的广泛部署，常常要付出相当大的努力以确保新的通信技术和系统与本文称为“遗留”系统或装置的以前的系统和装置兼容。
介质访问控制(MAC)层上方的吞吐量是无线局域网(WLAN)的关键参数。获得更多吞吐量的一种方式是在减少报头和帧间间隙的开销的空气链路中使用更长的帧。这种长帧可以构建为MAC层协议数据单元(MPDU)的级联(或集合)并且作为单个物理协议数据单元(PPDU)来发送。然而，在遗留WLAN中，仅允许每PPDU一个MPDU。
为更新一代系统推荐的更长的帧可导致与遗留系统的互操作性的问题，因为通常用于避免遗留系统中冲突的技术可能未被设计为适应更新一代系统的更长的帧传输。
因此，提供更长的帧能力并减少帧冲突的系统将是所期望的。
附图说明
根据下面对本发明的说明并参考附图，本发明实施例的若干方面、特征和优点将变得显而易见，在附图中，相似数字表示相似的部分，并且其中：
图1是示出按照本发明一个实施例的、用于无线网络中的示范的帧结构的框图；
图2是长帧传输和用于避免无线网络中冲突的对等站的争用预防周期的示范的时序图；以及
图3是依照本发明的各个方面的、用于发送和接收长帧的无线设备的示范实施例的功能框图。
具体实施方式
虽然下面详细的说明可能描述了涉及无线局域网(WLAN)的本发明的示范实施例，但是本发明不限于此并且可以用于可获得优势的其他类型的无线网络或有线网络。这样的网络包括但不限于与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线个域网(WPAN)以及诸如此类相关联的那些网络，所述无线广域网例如为通用分组无线电业务(GPRS)系统、增强型GPRS(EGPRS)系统、宽带码分多址(WCDMA)系统、码分多址(CDMA)系统和CDMA 2000系统或其他类似的系统，所述无线城域网例如为包括得到微波存取全球互通(WiMAX)论坛支持的那些系统的无线宽带接入系统。
下面的本发明实施例可用于各种应用，包括无线电系统的发射机、接收机和/或收发机，尽管本发明不限于此方面。特别包括在本发明范围内的无线电系统包括但不限于网络接口卡(NIC)、网络适配器、移动台、基站、接入点(AP)、网关、桥接器、集线器和无线电话。另外，本发明实施例范围内的无线电系统可包括蜂窝式无线电话系统、卫星系统、个人通信系统(PCS)、双向无线电系统、双向寻呼机、个人计算机(PC)和相关外围设备、个人数字助理(PDA)、个人计算辅助设备以及可能在性质上相关的并且本发明实施例的原理可适用的所有现有的和未来出现的系统。
下面是在利用正交频分复用(OFDM)的示范的WLAN的情况下对本发明实施例进行描述，尽管本发明不限于此方面。
电气和电子工程师协会(IEEE)完成了用于WLAN的、被称为IEEE 802.11的初始标准(1999)。此标准规定了2.4GHz的工作频率，数据速率为1Mbps和2Mbps，利用直接序列扩频或频率跳变扩频。IEEE 802.11工作组后来发布了对802.11标准的三个补充：802.11a(在5.8GHz频带中使用OFDM)(ISO/IEC 8802-11：1999)、802.11b(在2.4GHz频带中使用直接序列)(1999和1999Cor-1/2001)和802.11g(在2.4GHz频带中使用OFDM)(2003)。这些系统中最值得注意的是利用OFDM的802.11a和802.11g，这些系统在本文中被单独或共同称为“遗留”WLAN。
IEEE 802.11a标准规定了跨52个单独的副载波分割信息信号以提供数据传输的OFDM物理层。OFDM物理层的主要用途是在由802.11MAC层引导时传输MAC(介质访问控制)协议数据单元(MPDU)。将OFDM物理层分成两部分：PLCP(物理层会聚协议)子层和PMD(物理介质相关)子层。PLCP子层为传输准备MAC协议数据单元(MPDU)并且将输入帧从无线介质传递至MAC层。通过将MPDU映射成适于由PMD传输的帧格式，PLCP子层使MAC层对PMD子层的依赖性最小。如前所述，对于例如IEEE 802.11a的遗留系统，仅允许每PPDU一个MPDU。
然而，对于新一代高吞吐量(HT)WLAN的最新建议，例如预计在IEEE 802.11n标准中采用的那些建议，定义了单帧中包括MPDU的集合的PPDU帧。使用更长的帧的难题是在具有现有(即，遗留)装置和新一代HT装置两者的WLAN中可能出现互操作性问题。
使用任何类型的载波侦听介质访问(CSMA)的WLAN无法完全避免冲突。当两个或更多个站开始同时传输时或者在一些站完成传输之前另一些站开始传输时发生冲突。无法正确接收已经遭受冲突的帧并且应当重新提交这些帧，这减少了WLAN吞吐量。所以，由此得出，如果帧变得更长，则减少冲突变得甚至更加重要，以便于保持更高的吞吐量。
称为虚拟载波侦听的MAC机制有时用于避免如果多个站同时开始传输而发生的冲突。此机制将当前站计划用于它自己的传输的时间间隔的时长信息传播到其他站。作为访问介质的条件，MAC层检查它的网络分配矢量(NAV)的值，该矢量为驻留在每个站的计数器，它可以表示在剩余站(over station)将要传输的共享信道上剩余的时间量。在站可以尝试发送帧之前NAV必须是零。在当前帧的传输期间，基于这些帧的长度和数据速率，站计算发送下一帧或帧序列所必需的时间量。该站将表示此时间的值放进当前帧的报头内的时长字段中。当站接收到该帧时，它们检查此时长字段值并且将其用作设置它们的相应NAV的基础。此过程实质上把共享信道的时间分配留给发送站用于传输。
虚拟载波侦听可使用在发射站和接收站之间实现请求发送(RTS)和清除发送(CTS)消息接发并且其中对等站可从RTS/CTS消息中提取值用于更新NAV的冲突避免技术。然而，由于“隐藏节点”问题，其中例如一个对等站未接收CTS(由于它的地理位置或链路阻塞)，可能并不总是准确更新对等站NAV，这可能导致重叠传输并因此导致冲突。
PPDU帧的PLCP报头中的物理(PHY)层机制包括标识大小和速率的字段，所述大小和速率一起表示帧的时长。因此，其他站可了解正在传播的(on air)当前帧的时长并且推迟它们自己的传输直至帧时长结束。然而，因为遗留WLAN系统被构建为仅支持每PPDU一个MPDU，所以遗留WLAN PPDU帧的现有PLCP报头未被设计为包含足够大到描述为新一代WLAN推荐的更长PPDU帧的时长的数量。
转到图1，现在将描述可解决一个或多个前述问题的PPDU帧结构100。在各个实施例中，帧100的有效负荷(图1中示为PHY服务数据单元(PSDU)150)可由多个MPDU 160、172、174、176组成。第一MPDU 160被构成为具有遗留格式(其中任何保留的帧类型得到支持)并且有效负荷150的其余MPDU(例如172、174、176)可以是任何格式。
在一个实施例中，正交频分复用(OFDM)PLCP报头可以被配置为将保留字段112用于表示PPDU帧100是集合(或长)帧。
与整个帧结构的长度相反，PLCP报头110的长度字段114可以被设置为用于标识多MPDU帧有效负荷150的仅第一MPDU 160的字节计数的值。如此，遗留装置可能能够读取帧100的第一MPDU160，即使其余的MPDU 172、174、176与遗留装置无关。可以包括用于标识PHY层上的帧结束(EOF)的信令，例如字段180，因为报头110的长度字段114不会正确标识帧100的长度。
另外，依照各个实施例，第一MPDU 160的时长字段162中的NAV值可以被设置为标识集合帧100的其余时长-即MPDU 172、174、176的总时长。
因此，集合帧100可用于在新一代HT WLAN装置之间通信，并且例如基于服务字段112中的保留位，每个HT WLAN装置可识别集合帧100。HT WLAN装置可因此不考虑PLCP报头110内长度字段114中的值，而是处理该帧直至遭遇EOF信令180。
遗留站可使用长帧100的信息来更新其NAV机制，使得其自己的传输被推迟直至集合帧结束。例如，遗留站的PHY可仅收集PLCP报头110的长度字段112中提到的部分(例如仅第一MPDU)并将其供给MAC。因为第一MPDU 160是遗留格式，遗留站MAC能够处理它并且从时长字段162中提取NAV值。因此，可以为长帧准确更新遗留站的NAV机制，即使遗留站可能不能够理解集合帧100的全部。
图1还示出了可用于实现集合帧的PHY层的示范的OFDM符号生成，尽管本发明实施例不限于此方面。
转到图2，集合帧100的格式同样可能对根据RTS/CTS方法的冲突防护是有用的。如该示例中所示的，当HT站202想要传输时，它可发出具有被断言为保护预期的CTS和集合帧的时长序列的时长值的RTS消息。这时，包括遗留装置的、听到RTS的任何站可能已经更新了NAV以制止在NAV1时间段期间传输(例如由站208示出)。此NAV实际上覆盖了CTS和集合帧的开始。
例如接入点(AP)、网状节点或其他站的预期的接收方HT装置204可接着发出包含时长值的CTS消息，所述时长值足够长以保护将由发射HT站202发送的整个集合帧。听到CTS的所有站(例如站206和209)可在长帧期间断言NAV。利用所推荐的本发明实施例的长帧结构(例如，100)，基于传输的帧本身中的值(例如第一MPDU的字段162中的时长值；图1)，听到RTS但是未成功从CTS中得到NAV值的那些站(例如站208)可延长它的NAV(并且因此延长它的无传输周期)以覆盖整个集合帧。对于图2的站208，此延长的无传输周期被示为虚线。
正如可以观察到的，利用前述实施例的实现，甚至在包括遗留站和HT站两者的混合环境中使用长帧可取得改进的HT WLAN性能。另外，可减少对集合帧的RTS/CTS保护的需要并且因此可减少与RTS/CTS相关联的开销，这可能甚至更进一步提高了吞吐量。最后，在例如遭遇隐藏节点问题时，本发明实施例可利用RTS/CTS改进网络的性能。
转到图3，用于无线网络中的示范的设备300可包括主机系统360、处理电路350，所述处理电路350可以是适于产生如本文所述的长帧的任何组件或组件组合和/或机器可读代码。在一个示范实现中，如果需要的话，电路350可包括基带处理电路353、介质访问控制器电路354和射频(RF)接口310。MAC可组合从主机360得到MSDU的MPDU并且可在如上所述包括集合帧的时长值的每一集合帧的开始处插入伪MPDU。基带处理电路353附加相关的PLCP报头110和EOF 180。
MAC和基带处理电路350和/或RF接口310可包括用于如前所述发送和/或接收长帧的MAC层处理、PHY链路层处理和/或RF处理所必需的任何硬件、软件和/或固件组件。
因此，设备300可以是如蜂窝式电话的无线移动台、个人数字助理、计算机、个人娱乐装置、无线路由器、如WLAN接入点(AP)的网络接入站、网状节点或其他设备和/或网络适配器。因此，设备300的功能和/或特定配置可以根据适当的需要进行改变。
利用分立电路、专用集成电路(ASIC)、逻辑门和/或单片结构的任何组合可实现设备300的组件和特征。另外，利用微控制器、可编程逻辑阵列和/或微处理器或在恰当之处前述的任何组合可实现设备330的特征。
应当意识到，图3的框图中示出的设备300只是许多潜在实现中的一个功能描述的示例。因此，在附图中示出的块功能的划分、省略或包含不意味着用于实现这些功能的硬件组件、电路、软件和/或元件会有必要进行组合、划分、省略或包括在本发明的实施例中。
可以利用单输入单输出(SISO)系统来实现设备300的实施例。然而，某些备选实现可利用具有多根天线318、319的多输入多输出(MIMO)体系结构。
除非与物理可能性相反，否则发明人预见本文所述的方法可以任何顺序和/或以任何组合来实施；并且相应实施例的组件可以任何方式进行组合。
尽管已经描述了此新颖发明的示范实施例，在没有背离本发明范围的情况下，许多变更和修改是可能的。因此，本发明实施例不限于上述特定的公开内容，而是应当仅由所附权利要求书和其法律等同物的范围来限定。

Claims (21)

1.一种在无线网络中通信的方法，所述方法包括：
传输由多个介质访问控制(MAC)协议数据单元(MPDU)组成的集合帧，其中所述集合帧的第一MPDU具有可由遗留无线局域网(WLAN)装置读取的格式，所述遗留无线局域网(WLAN)装置可仅读取具有单个MPDU的帧。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一MPDU具有基本上符合电气和电子工程师协会(IEEE)的802.11格式的格式。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述集合帧包括物理层会聚规程(PLCP)，所述物理层会聚规程(PLCP)具有基本上符合电气和电子工程师协会(IEEE)的802.11a格式的格式。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述集合帧包括物理层会聚规程(PLCP)报头，所述物理层会聚规程(PLCP)报头包括具有标识仅所述第一MPDU的长度的值的长度字段。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一MPDU包括标识所述集合帧的时长的时长值。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述集合帧还包括帧结束(EOF)指示符。
7.如权利要求1所述的方法，还包括，在传输前：
插入所述第一MPDU作为包含供所述遗留WLAN装置在所述集合帧期间更新它的网络分配矢量(NAV)的时长值的MPDU。
8.一种用于无线网络的设备，所述设备包括：
处理电路，用于形成包括多个MAC协议数据单元(MPDU)的帧，其中所述帧的第一MPDU包括标识所述帧的时长的时长值。
9.如权利要求7所述的设备，其中所述处理电路包括基带处理电路和以通信方式耦合至所述基带处理电路的MAC电路。
10.如权利要求7所述的设备，其中所述处理电路被配置为利用正交频分复用(OFDM)调制所述帧。
11.如权利要求7所述的设备，其中所述帧包括具有长度字段的报头，所述长度字段具有标识所述第一MPDU的长度的值。
12.如权利要求8所述的设备，还包括耦合至所述处理电路的射频(RF)接口，所述RF接口包括用于多输入多输出(MIMO)操作的至少两根天线。
13.如权利要求7所述的设备，其中所述设备包括移动台或网络接入站的至少一部分。
14.如权利要求7所述的设备，其中提供所述时长值以更新可能不理解整个所述帧的遗留装置的网络分配矢量(NAV)。
15.如权利要求7所述的设备，其中以和所述集合帧的其他MPDU不同的速率传输所述帧的第一MPDU。
16.如权利要求10所述的设备，其中所述报头还包括用于标识所述帧为集合帧的位。
17.如权利要求7所述的设备，其中所述帧还包括帧结束(EOF)指示符。
18.一种用于无线网络的系统，所述系统包括：
处理电路，用于生成帧，每一帧包括报头和多个介质访问控制(MAC)协议数据单元(MPDU)，其中每一帧的报头包括标识所述帧的仅第一MPDU长度的值；
以通信方式与所述处理电路耦合的射频(RF)接口；以及
与所述RF接口耦合、用于多输入多输出(MIMO)通信的至少两根偶极子天线。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述系统包括移动台或网络接入站的至少一部分。
20.如权利要求17所述的系统，其中所述无线网络包括无线局域网(WLAN)。
21.如权利要求17所述的系统，其中每一帧的第一MPDU具有基本上符合电气和电子工程师协会(IEEE)的802.11a格式的结构。
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