CN101322360B - 包括协作通信媒体访问控制的无线系统和方法 - Google Patents

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Abstract

介绍了一种补充媒体访问控制(CMAC)方法和设备。

Description

包括协作通信媒体访问控制的无线系统和方法
无线通信带宽已经显著增加，使得无线媒体成为了有线和光纤解决方案的可行替代方案。这样，无线连接在数据和语音通信中的运用持续增加。
正常情况下，会在无线网络(比如无线局域网(WLAN))中采用无线装置(通常称为台站)。可以在网络中使用的代表性装置包括移动电话、便携式计算机、无线网络中的固定计算机、便携式手机，以上仅仅举出少数几个例子。
各个无线网络包括多个层和子层。媒体访问控制(MAC)子层和物理(PHY)层是这些层中的两个层。MAC层是开放系统互连(OSI)堆栈中的数据链路层的两个子层中的较低层。MAC层提供了在众多需要对同一无线媒体进行同时访问的用户之间的协调。
MAC层协议包括多项规则，管理对由网络内的用户共享的广播媒体的访问。众所周知，在管理MAC层的协议内已经定义了数种不同的多接入技术(通常称为MAC协议)来发挥作用。这些协议包括，但不局限于，载波监听多址(CSMA)、频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。
虽然在无线系统的各个不同层面上迅速取得了很多进步，但是依然存在某些缺点。例如，无线网络内的无线装置或台站(STA)可能会超出其它台站或一组台站的范围。这些STA通常称为隐藏节点并且能够在网络内造成干扰。在致力于解决所谓的隐藏节点问题的努力中，802.11MAC标准设想借助握手来提供对媒体的访问，握手涉及请求发送(RTS)帧的传送和清除发送(CTS)帧的传送，请求发送帧发起握手，而清除发送帧完成握手。当某一台站希望在无线系统中进行媒体访问时，该台站暂停发送数据帧，直到该台站与另一个台站(比如访问点)完成RTS/CTS握手。该台站通过发送RTS帧来发起握手。访问点接收RTS帧并且以CTS帧做出响应。该台站必须在接收到CTS帧之后才能发送数据帧。CTS还包含警告其它台站在发起RTS的台站传送它的数据时暂停访问媒体的时间值。
虽然握手技术(比如前面介绍的那种握手技术)在减少无线系统中的干扰和数据丢失方面很有效，但是仍然存在着进一步减少干扰和数据丢失并且从而提高无线通信网络的效率的需求。
按照一种示例实施方式，一种无线通信方法包括传送请求发送(RTS)帧；和传送清除发送(CTS)帧。该方法还包括传送合作站发送(PTS：partner-to-send)帧。
按照一种示例实施方式，一种无线网络包括适合于传送请求发送(RTS)帧的源站和适合于传送清除发送(CTS)帧的目的地站。该无线网络还包括适合于发送合作站发送(PTS)帧的合作站。
如本文所使用的，术语′一个′和′一′意味着一个或多个；并且术语′多个′意味着两个或更多个。
当结合附图阅读时，本发明会从下面的详细介绍中得到最好的理解。需要强调的是，各种不同的特征并非必定是按比例画出的。实际上，为了讨论起来清楚明了，可能会对尺寸进行任意增减。
附图1是按照一种示例实施方式的无线网络的简化示意图。
附图2是按照一种示例实施方式的时序图。
附图3表示按照一种示例实施方式的帧元素的框图。
附图4是按照一种示例实施方式的无线通信方法的流程图。
附图5是按照一种示例实施方式的无线网络的简化示意图。
在下面的详细介绍中，为了解释说明的目的并且并非为了限定，给出了公开具体细节的示例实施方式，以便实现对本申请教导的透彻理解。不过，对于从本文公开内容中获益的本领域普通技术人员而言，显而易见，超出本文公开的具体细节之外的其它实施方式也是可以想到的。而且，可能会省略对公知装置、方法、系统和协议的介绍，为的是不致混淆示例实施方式的介绍。尽管如此，按照示例实施方式，可能会用到本领域普通技术人员的知识范围之内的这些装置、方法、系统和协议。最后，在实用的前提下，相同的附图标记指代相同的特征。
要注意，在本文介绍的说明性实施方式中，网络可以是具有集中式体系结构或分布式体系结构的无线网络。无线网络包括无线台站(STA)。本文中将会更加充分地介绍，将会把合作MAC(CMAC)层整合到无线网络中。CMAC层基于IEEE 802.11协议并且包括具有冲突避免功能的载波检测多址(CSMA/CA)以及轮询。很明显，示例实施方式的CMAC协议可以通过对IEEE 802.11n、802.11a、802.11b和802.11g系列协议进行某些改造来实现。而且，无线网络中STA的物理(PHY)层也遵循选定协议。需要强调的是，示例实施方式并不局限于由IEEE 802.11标准管理的MAC层。还要强调，这些协议仅仅是说明性的并且也可以使用除了具体提出的协议之外的协议，而不会脱离示例实施方式。
附图1是按照一种示例实施方式的无线网络100的示意图。在本实施方式中，无线网络100包括源STA 101、目的地STA 102和多个中继/合作STA 103-108内的分布式CMAC层。(显然，中继站/合作站也可以简单地称为′中继站′或′合作站′。)在其它一些实施方式中，CMAC层可以是与源STA 101集中在一起的，于是源STA 101是适合于按照选定协议为STA102-108服务的访问点(AP)。虽然很容易将示例实施方式的握手操作应用于集中式的CMAC和PHY层，但是为了说明书清楚明了，所介绍的STA 101-108的CMAC和PHY层是分布式的并且遵循按照本申请教导修改的IEEE802.11版本。
说明性地，网络100是WLAN、广域网(WAN)或移动电话网，并且STA(装置)101-108是计算机、移动电话机、个人数字助理(PDA)或典型地在这些网络中工作的类似装置。如双向箭头所表示的，装置101-108可以进行双向通信。
要注意，按照某些MAC层协议，从STA 101-108之一到STA 101，102中的另一个的通信可以是直接进行的，但是并非必须是直接的。而是这些通信可以是通过STA 101-108中的另一个STA进行的，然后该另一个STA将这些通信(利用公知的调度方法)传送到正确的接收STA。附图1表示某些STA之间进行直接通信，而在其它一些STA之间进行间接通信。例如，将从STA 104到STA 102的通信表示为直接通信。将从STA 108到STA 106的通信表示为经由STA 107的间接通信。为了清楚明了，附图1中没有示出所有的连接关系。
此外还要注意，虽然仅仅示出了少量STA 101，102，但是这仅仅是为了讨论起来较为简单。显然，可以使用很多其它的STA。而且，在下面的介绍中，将会介绍源STA 101(S)和目的地STA 102(D)之间的说明性数据帧传送和接收。需要强调的是，所有STA 101-108都适合于以结合源STA 101、目的地STA 102和中继/合作STA 103-108介绍的方式作为源STA、目的地STA和中继/合作STA(R)使用。最后，要注意，STA 101-108并非必须是同一类型的装置。实际上，在(多个)选定协议控制下运作的多个不同装置可以在网络100中运作。
在操作中，源STA 101适合于向目的地STA 102传送数据。使用编码协作通信，源101传送一部分编码数据帧。可以通过本领域普通技术人员公知的多种前向纠错(FEC)技术之一来对数据帧进行编码。说明性地，源102和中继站/合作站104可以使用卷积码或低密度奇偶校验码来解码和再编码数据帧。而且，数据帧的解码和重构也可以受到卷积码或低密度奇偶校验码的影响。需要强调的是，所提到的编码技术仅仅是说明性的，并且可以想到采用本领域普通技术人员知识范围之内的其它编码技术。
为了简化本文的描述，数据帧是由公知的重复编码技术来编码的。众所周知，数据帧在正常情况下包括1.5k字节。为了进一步简化本文的描述，仅考虑四位。例如，假如要通过1/4速率的重复编码来传送数据帧。这样，希望传送比特′1′，而数据帧包括′1111′。如果由于其它源的干扰或数据丢失，目的地102从目的地102的角度而言接收到的是′1010′，那么比特“0”被发送的概率与期望的比特“1”的概率一样大，因而数据是不可靠的。
通过使用编码协作通信，源101选择到目的地102的距离比到源101的距离小或者在与目的地102的通信中受到的干扰比与源101的通信中受到的干扰少的中继/合作台站，或者同时满足这两个条件的中继/合作台站。说明性地，假设中继/合作台站104针对目的地102提供适当的QoS等级。经由说明性实施方式的编码协作通信方法，源101传送/广播一部分它的编码数据。例如，源STA 101可以传送前面参照的四位编码数据的前两位。中继站/合作站104接收所传送的数据部分、对所接收的数据帧部分进行解码、再编码所接收的数据帧并且将该数据传送到目的地102。
继续使用这个例子，假设源101传送′11′作为数据帧的一部分。此外还假设目的地102接收到′10′并且中继站/合作站104接收到′11′。按照一种实施方式，中继站/合作站104将所接收的数据解码为数据比特′1′，因为所接收到的数据比特中大多数是′1′。在解码了所接收的数据之后，中继站/合作站104使用1/2重复码对比特′1′进行编码并且传送经过再编码的帧作为数据帧的第二个部分。因为中继站/合作站104到目的地102的距离比到源101的距离更近或在与源的通信中受到的干扰较少或者同时符合这两种情况，因此中继站/合作站104正确无误地将数据传送到目的地102的可能性较高。由此，与数据是单独地并且直接地从源101接收到的情况相比，数据帧的再编码部分更为可靠。
在具体的实施方式中，数据帧的第一个部分等于该帧的二分之一，并且数据帧的第二个部分也等于该数据帧的一半。这样，按照上述例子，由于可能存在的传输误差，目的地会从源接收到第一个半部分″10″；从中继站/合作站接收到第二个部分′11′；并且基于所接收到的比特大部分为1(四比特中有三比特为1)，将数据比特解码为′1′。
虽然在前面介绍的示例实施方式中，数据帧的第一个部分和第二个部分是数据帧的前后两半，但是可以想到，数据帧的第一个部分可以大于或小于数据帧的二分之一。无论哪种情况，中继/合作台站104都会接收由源101发送来的第一个部分并且再编码和构造第二个部分来增补数据帧的第一个部分，从而由目的地接收到整个数据帧。例如，如果源传送的是帧的三分之一，则目的地再编码和构造包括至少数据帧的三分之二的第二个部分。随着本文的介绍不断深入将会变得更为清晰，示例实施方式中数据帧的协作传送和接收会有效地提高网络100的效率。
附图2是按照示例实施方式的时间线200，并且在结合附图1的说明性实施方式来观看时会得到最好的理解。示出的是针对源、目的地和选定中继站/合作站的时间线。
在特定的实施方式中，该时间线表示超帧的一部分。不过，超帧的使用并非是必要的并且可以设想到其它的时序方案。在这种包括引入了超帧的集中式网络的特定实施方式中，AP传送信标并且信标之间的时间段通常称为超帧。信标201是在网络100的范围内接收的。在包括分布式网络的实施方式中，STA 101-108之一按照选择周期性地传送信标。
802.11协议通常称为′先听后讲(listen-before-talk)′协议。照此，在源101和目的地102之间交换请求发送(RTS)和清除发送(CTS)帧。按照一种示例实施方式，由源101传送RTS 201。由目的地102接收这一RTS 201，目的地102在等待称为短帧间间隔(SIFS)202的时间段之后再发送CTS 203。
CTS 203由选定的中继站/合作站104接收，该中继站/合作站104在等待另一个SIFS 204之后再传送合作站发送(PTS)帧205，该帧也可以称为合作站清除发送帧(PCTS)。然后源101在接收到PTS 205之后再等待另一个SIFS 206后，传送数据帧的第一个部分207。数据帧的第一个部分207由中继站/合作站104和目的地102接收。中继站/合作站104再编码和重构数据帧的第二个部分并且在SIFS 210之后传送第二个部分209。最后，在接收到数据帧的第二个部分209之后，目的地102重构第一个和第二个部分207、209来实现数据帧。就此，假设目的地能够从所接收到的两个部分正确解码出数据，目的地102发送接收确认(ACK)211。如本文中所用，RTS 201、CTS 203、PTS 205、数据帧的第一个和第二个部分207，209和ACK 211的传送和接收包括完整的传输。
附图3是示例实施方式的RTS、CTS和PTS的帧格式的框图。这些帧格式是依据IEEE 802.11协议给出的帧格式的改造形式。在IEEE 802.11规范以及它的后继协议的规范中给出了这些格式的某些细节，这些规范以引用的方式并入本文。
RTS帧201包括帧控制字段、持续时间字段、目的地地址字段、合作站地址字段、源地址字段和用于检查数据包中的错误的帧检验序列(FCS)。将会意识到，目的地地址、合作站地址和源地址字段分别指明了目的地、合作站和源。在各个帧中顺便示出了说明性的比特值。对于本领域技术人员而言显而易见的是，RTS帧201是经过改造的帧，包括被选为即将发生的传送中的中继站/合作站的中继站/合作站地址。这样，在接收到时，中继站/合作站(例如，与所介绍的例子相符的中继站/合作站104)将会在即将进行的传输中承担中继站/合作站的工作。需要强调的是，从多个中继站/合作站中选择出一个中继站/合作站仅仅是说明性的。可以想到，可以选择STA 103-108中的不止一个作为中继/合作STA来实现示例实施方式的编码协作通信方法。
在传送了RTS帧201并且经过了SIFS时段之后，目的地STA 102发送CTS帧203。CTS帧包括帧控制字段、持续时间字段、目的地地址字段、中继站/合作站地址字段和FCS字段。CTS由源STA和中继/合作STA接收。由于广播了这个帧，所有STA(除了中继/合作STA和源STA之外)将会保持沉默，直到接收到表示传输完成的ACK 211。
一旦接收到CTS帧203，中继/合作STA发送PTS帧205。PTS帧包括帧控制字段、持续时间字段、目的地地址字段和FCS字段。通过PTS帧205，中继/合作STA通知源STA和目的地STA它将会在传输期间起到中继/合作STA的作用。
如本文中更加完整地介绍的，前述CMAC的使用在无线网络100内的数据帧传送和接收中提供了改善的QoS。
附图4是按照一种示例实施方式的无线通信方法的流程图。在连同结合附图1、2和3介绍的示例实施方式一起观看时，该方法会得到最好的理解。而且，该方法包括很多与前面介绍的示例实施方式共有的特征。虽然可能会提到共有的特征，但是一般不会对它们进行详细介绍，以免混淆本示例实施方式的方法的介绍。此外，在连同附图5的介绍观看时，附图4的示例实施方式的方法也会得到最好的理解。
在步骤401，源STA 101发送RTS帧。RTS可以由中继/合作STA 104接收并且该方法按照结合附图1-3介绍的那样继续进行。不过，如果中继/合作STA 104没有接收到RTS，则中继/合作STA 104将不会发送PTS，不管中继站/合作站104是否接收到CTS。在这种情况下，附图4的方法终止并且不利用示例实施方式的中继/合作STA，借助数据帧的完整传输来执行数据的传送/接收。换句话说，按照公知的802.11协议进行源STA和目的地STA之间的通信。
在接收到RTS之后，在步骤402，目的地STA 102发送CTS。如果中继站/合作站接收到CTS，并且中继站/合作站接收到RTS，传输如所介绍的那样继续进行。不过，如果没有接收到CTS，则中继/合作STA 104的CMAC将不会发送PTS。这样，附图4的方法终止并且按照公知的802.11规则且不利用示例实施方式的中继/合作STA，借助数据帧的完整传输来执行数据的传送/接收。
如果中继/合作STA 104接收到CTS，则在步骤403，中继/合作STA 104发送PTS并且数据传输在步骤404从传输数据项的第一个部分开始。不过，如果源STA 101没有从中继/合作STA接收到PTS，则附图4的方法终止并且按照公知的802.11规则且不利用示例实施方式的中继/合作STA，借助数据帧的完整传输来执行数据的传送/接收。
显然，所有接收到RTS的STA(例如，中继/合作STA)将会在数据帧的传输期间保持不动作/静默；接收到CTS的所有STA将会在数据帧的传输期间保持静默；和所有接收到PTS的STA将会在数据帧的传输期间保持静默。如本文所介绍的，这缓解了网络100中的隐藏节点可能会通过干扰扰乱数据的传输和接收的问题。
在步骤405，中继/合作STA从源STA接收数据帧的第一个部分。此外，目的地也接收该帧。在接收到数据帧的第一个部分之后，中继/合作STA再编码数据帧的第二个部分并且将其传送到目的地STA，目的地STA如前所述那样重构完整的数据帧。在接收到数据帧的第二个部分之后，目的地在步骤406发送ACK并且在步骤407完成传输。
附图5表示源STA 101、目的地STA 102和中继/合作STA 104。环绕着源STA 101、目的地STA 102和中继/合作STA 104的虚线501、502和503分别代表这些STA的发送和接收范围。考虑STA 504，该STA 504处于目的地STA 102的范围之内，但是处于源STA 101和中继/合作STA 104的范围之外。这样，中继/合作STA 504对于源STA 102和中继/合作STA 104而言是隐藏的，并且接收CTS，而不接收RTS或PTS。因为STA 504接收CTS，所以它收到了需要在PTS和数据帧的传输期间保持不动作的通知。不过，STA504将不接收RTS或PTS。这是合情合理的，因为STA 504处于源STA 101和中继/合作STA 102的范围之外。这样，STA 504只有在目的地STA 102的发送和接收期间能够造成干扰。如所指出的，通过CTS，STA 504得到了在这些传输期间保持静默的指示。
考虑STA 505，该STA 505对于中继/合作STA 104和目的地STA 102是隐藏的。这样，STA 505会接收到RTS，但是接收不到CTS或PTS。不过，从RTS中，STA 505将被告知目的地STA 102、中继/合作STA 104以及需要在CTS、PTS和数据帧传输期间保持静默。
鉴于本文公开内容，需要注意的是，本文介绍的各种不同的方法和装置可以采用硬件和软件来实现。此外，各种不同的方法和参数仅仅是为了举例而引入的，并不具有任何限定的意义。鉴于本文的公开内容，本领域的技术人员可以在决定他们自己的技术和必要设备实现这些技术的过程中实现各种不同的示例装置和方法，而仍然处于所附权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种无线通信方法，该方法包括：
源站传送请求发送RTS帧(401)；
目的地站传送清除发送CTS帧(402)；
另一站传送合作站发送PTS帧(403)以通知源站和目的地站所述另一站在传输期间作为中继站操作；
所述方法的特征在于还包括：在中继站传送PTS帧之后，所述源站传送数据帧的第一部分(404)；所述中继站接收数据帧的第一部分，再编码数据帧的第一部分并且传送经过再编码的部分作为数据帧的第二部分(405)；所述目的地站根据直接从源站接收的第一部分和来自中继站的第二部分重构数据帧。
2.按照权利要求1中所述的方法，其中传送PTS帧是仅在中继站接收到RTS帧和CTS帧之后由该中继站(104)实现的。
3.按照权利要求1中所述的方法，还包括，在传送CTS帧之后，如果中继站没有接收到RTS帧或CTS帧，则不传送PTS帧。
4.按照权利要求1中所述的方法，其中，源站(101)、目的地站(102)和中继站(104)是分布式无线网络(100)的无线台站。
5.按照权利要求1中所述的方法，其中，源站(101)、目的地站(102)和中继站(104)是集中式无线网络(100)的无线台站。
6.按照权利要求1中所述的方法，其中，还包括一个另外的无线台站(504，505)，所述另外的无线台站对于中继站或者目的地站或者二者是隐藏的，并且所述另外的无线台站：
在该无线台站处接收来自于源站(101)的RTS帧；和
在传送CTS帧期间(402)、在传送PTS帧期间(403)和在传送了PTS帧之后从源站和从中继站进行数据传输期间(404，405)保持静默。
7.按照权利要求1中所述的方法，其中，还具有一个另外的无线台站(504，505)，所述另外的无线台站对于源站(101)或目的地站(102)或者二者是隐藏的，并且所述另外的无线台站：
在该无线台站处接收来自于中继站的PTS帧；和
在传送CTS帧期间和在传送了PTS帧之后从源站和从中继站进行数据传输期间保持静默。
8.一种无线网络(100)，包括：
源站(101)，适合于传送请求发送RTS帧(201)；
目的地站(102)，适合于传送清除发送CTS帧(203)；
另一站(104)，适合于传送合作站发送PTS帧(205)，以便于通知源站和目的地站所述另一站在传输期间作为中继站操作；
所述无线网络的特征在于，所述源站适于在中继站传送PTS帧之后，传送数据帧的第一部分(404)；和所述中继站适于接收数据帧的第一部分，再编码数据帧的第一部分并且传送经过再编码的部分作为数据帧的第二部分(405)；以及
所述目的地站适于基于直接从源站接收的第一部分和来自中继站的第二部分重构数据帧。
9.按照权利要求8中所述的无线网络，其中，RTS帧(201)包括目的地站标识符和中继站标识符。
10.按照权利要求8中所述的无线网络，其中如果中继站(104)没有接收到RTS帧(201)或CTS帧(203)，则该中继站不传送PTS帧(205)。
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