CN101977418A - 确保无线站之间对媒体的访问的公平性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种在多个高吞吐量(HT)站和多个802.11遗留站共存的无线局域网(WLAN)中确保多个站之间对媒体访问的公平性的方法和装置。在WLAN中，允许接收由发送HT站发送的具有HT格式的数据帧的多个收听遗留站和多个收听HT站公平竞争对媒体的使用的信息作为具有能够被所有遗留站和HT站解释的格式的帧被发送。因此，遗留站能够在与HT站相同的条件下参与对媒体的竞争。

Description

确保无线站之间对媒体的访问的公平性的方法和装置

本申请是申请日为2006年11月7日，申请号为“200680040605.7”，标题为“确保无线局域网中的站之间对媒体的访问的公平性的方法和装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的方法和装置涉及无线局域网(WLAN)，更具体地讲，涉及防止高吞吐量(HT)站和802.11遗留站(legacy station)在它们所共存的WLAN中相互冲突。

背景技术

在无线局域网(WLAN)中，广泛地采用基于载波侦听多路访问冲突避免(CSMA/CA)的媒体访问控制(MAC)方法。CSMA/CA是一种类型的数据传输方法，其中，即使在当前没有数据正在经过网络线缆被传输时，也发送用于确定数据当前是否正在经过网络线缆被传输的信号，并且仅在确定已经没有冲突地成功发送所述信号之后才传输数据。

详细地，根据CSMA/CA，第一站检测指示是否存在当前正在发送数据的站的子载波。如果存在当前正在发送数据的站，则第一站等待预定量的时间，确定是否存在由另一个站发送的子载波，如果没有子载波当前正在被发送，则开始发送数据。

根据CSMA/CA，同时采用物理载波侦听方法和虚拟载波侦听方法这两种方法。物理载波侦听方法是这样一种载波侦听方法，其中，物理层(PHY)确定高于预定值的功率是否已经被接收到，并基于确定的结果通知MAC层媒体当前是繁忙还是空闲。虚拟载波侦听方法是这样一种载波侦听方法，其中，如果可以从接收到的物理层会聚协议(PLCP)协议数据单元(PPDU)适当地提取MAC协议数据单元(MPDU)，则站解释MPDU的多个头字段之一(即，MPDU的持续时间/标识符字段)，并基于解释的结果确定媒体当前是否繁忙。站使用物理载波侦听方法和虚拟载波侦听方法这两种方法来确定媒体当前是否繁忙，如果媒体被确定为繁忙，则不尝试访问媒体。

参照图1A，可以经典型的IEEE 802.11WLAN传输的数据帧的MAC头包括持续时间信息，所述持续时间信息指定在数据帧的发送之后接收针对所述数据帧返回的确认(ACK)帧所需要的时间。接收数据帧的多个站解释数据帧的MAC头，并且在数据帧的MAC头中指定的预定时间段内，不尝试访问媒体。因此，可以防止多个站相互冲突。由于WLAN的所述特性，WLAN中的多个站中的所有站都可以接收帧，而不管所述帧的目的地是否仅仅是所述多个站之一。

图1B是示出在典型的IEEE 802.11a网络中使用的数据帧的格式的示图。参照图1B，IEEE 802.11a帧的信号字段包括速率信息(RATE)和长度信息(LENGTH)。因此，可以通过分析数据帧的速率信息和长度信息来获得数据帧的持续时间信息。因此，可以实现虚拟载波侦听方法。

只有当MPDU/PHY业务数据单元(PSDU)可以没有错误地被正确地解释时，即，仅当帧的MAC头的值可以被正确地读出时，才能有效地将虚拟载波侦听方法应用于CSMA/CA。

当在发送站以高传输速率传输帧期间，由于不稳定的信道状态导致错误发生时，或者当接收站不能正确地处理高传输速率时，接收到的MPDU/PSDU不能被正确地解释。在这种情况下，不能使用虚拟载波侦听，因此，CSMA/CA的性能降低。因此，多个收听站之间很可能相互冲突。

HT站是诸如多输入多输出(MIMO)站的一种站，比现有的遗留站(诸如基于IEEE 802.11a/b/g标准的站)具有更好的数据传输能力。

为了解决WLAN中多个站相互冲突的可能性很大这一问题，已经建议了当前正被引入的基于IEEE 802.11n标准的方法，其中，当多个HT站和多个遗留站共存于WLAN中时，如图2所示，具有遗留格式(L-前导，L-SIG)的头被用作将被发送的帧的PHY头，并且先前包含在现有MAC头中的持续时间信息在L-SIG之后被包含在将被发送的帧的PHY头中，从而，持续时间信息可以代表接收ACK帧所需的时间。持续时间信息将被称为扩展的PHY保护(EPP)信息。

图3是解释现有技术的通过使用扩展的PHY保护(EPP)信息来控制多个站对媒体的访问的方法的示图。参照图3，通过使用EPP信息，可以防止多个站相互冲突。然而，图3中所示的方法导致多个站之间对媒体访问的不公平性。

参照图3，多个遗留站可以解释具有HT格式的数据帧的PHY头。然而，遗留站不能解释数据帧的剩余部分，因此导致错误。然后，PHY层(即，基带层)通知遗留站的MAC层已经发生错误。PHY层通知遗留站的MAC层已经发生错误时的时间与数据帧中包含的EPP信息到期时的时间冲突。然后，遗留站的MAC层等待与扩展帧间间隔(EIFS)相应的预定量时间，而多个HT站仅等待与分布式协调功能(DCF)帧间间隔(DIFS)相应的预定量时间，然后竞争对媒体的使用。这里，EIFS等于短帧间间隔(SIFS)与接收针对数据帧返回的ACK帧所需的时间(下面，称为ACK接收时间)之和。

换句话说，当由于遗留站不能解释具有HT格式的数据帧而发生错误时，遗留站的MAC层允许遗留站在接收数据帧之后过去EIFS那么长时间(如在IEEE 802.11a标准中所规定的，其持续时间是94μs)时开始执行回退操作，而HT站的MAC层允许HT站在接收数据帧之后过去DIFS那么长时间(如在IEEE 802.11a标准中所规定的，其持续时间是34μs)时开始执行回退操作。因此，遗留站不能在公平的条件下参与对媒体访问的竞争。在接收到第一HT数据之后，遗留站的CCA状态变为空闲。然而，由于在EPP信息中指定的时间段还没有过去，所以遗留站不通知MAC层已经发生错误，一直到遗留站的定时器的限时段(time-out period)已经过去，而不管遗留站是否接收到具有HT格式的ACK帧或者具有遗留格式的ACK帧。

简而言之，遗留站只有在EPP信息到期之后，即接收到ACK帧之后，才可以开始EIFS，而HT站在接收到ACK帧之后可以开始DIFS。因此，当参与对使用媒体的竞争时，与HT站相比，遗留站处于劣势。

发明内容

技术方案

本发明提供一种用于在HT站和遗留站共存的WLAN中确保多个站之间对媒体访问的公平性的方法和装置。

有益效果

根据本发明，在多个HT站和多个遗留站共存的WLAN环境中，当发送HT站发送具有HT格式的帧时，遗留站可以在与其他HT站相同的条件下竞争对媒体的访问，而不用对遗留站作出另外的改变。

尽管已经参照示例性实施例详细使出和描述了本发明，但是，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出形式和细节上的各种改变。

附图说明

图1A和图1B是示出防止WLAN中的多个站相互冲突的典型帧的格式的示图。

图2是示出防止在HT站和遗留站共存的WLAN中的多个站相互冲突的典型帧的格式的示图。

图3是用于解释现有技术中的通过使用图2中示出的帧控制多个站对媒体的访问的方法的示图。

图4是用于解释根据本发明示例性实施例的确保多个站之间对媒体访问的公平性的方法的示图。

图5A和图5B是用于分别解释根据本发明的示例性实施例的控制多个遗留站对媒体的访问的方法的示图。

图6是用于解释根据本发明的另一示例性实施例的确保多个站之间对媒体的访问的公平性的方法的示图。

图7是示出根据本发明的示例性实施例的HT站的操作的流程图。

图8是根据本发明示例性实施例的HT站的框图。

图9是用于解释根据本发明示例性实施例的在使用块ACK帧的情况下在序列中确保多个站之间对媒体的访问的公平性的方法的示图。

图10是用于解释根据本发明示例性实施例的在发送多个片段帧的情况下在序列中确保多个站之间对媒体的访问的公平性的方法的示图。

最佳实施方式

根据本发明的一方面，提供了一种为WLAN中的多个站提供关于MAC的信息的方法，其中，多个HT站和具有与HT站不同的数据传输能力的多个遗留站共存于所述WLAN中。所述方法包括：根据响应于具有HT格式的数据帧发送的ACK帧的长度，适应性地产生允许接收所述数据帧的多个遗留站和HT站同时参予对媒体的使用的竞争的信息；将适应性地产生的信息作为具有能够被遗留站和HT站解释的格式的帧发送到WLAN。

如果EIFS的持续时间大于接收具有遗留格式的ACK帧所需的时间与SIFS的持续时间之和，则适应性地产生所述信息的步骤可包括计算接收数据帧的多个遗留站的EIFS的开始点，从而接收数据帧的遗留站和HT站可以同时开始回退操作。

遗留站的EIFS的开始点可以是数据帧的发送结束时的时间，并且发送步骤可包括将关于遗留站的EIFS的开始点的信息插入数据帧的具有遗留格式的PHY头中，并将产生的数据帧发送到WLAN。

具有遗留格式的ACK帧可以是是关于多个帧的块ACK帧，所述数据帧可以是所述多个帧中的第一帧，遗留站的EIFS的开始点可以是所述多个帧中的最后一帧的发送结束时的时间，发送步骤可包括将关于遗留站的EIFS的开始点的信息插入所述多个帧中的第一帧的具有遗留格式的PHY头中，并将所述多个帧发送到WLAN。

如果EIFS的持续时间小于接收具有遗留格式的ACK帧所需的时间与SIFS的持续时间之和，则适应性地产生所述信息的步骤可包括产生具有遗留格式的重设帧，其中，所述重设帧重设接收数据帧的所有收听站的网络分配矢量(NAV)。

发送步骤可包括在具有遗留格式的ACK帧的接收结束之后过去SIFS那么长时间时发送重设帧。

重设帧可以是无竞争(CF)-end帧或业务质量(QOS)-null帧。

所述遗留站可以是IEEE 802.11a/b/g站。

所述HT站可以是多输入多输出(MIMO)站。

根据本发明的另一方面，提供了一种存储有用于执行所述方法的计算机程序的计算机可读记录介质。

根据本发明的另一方面，提供了一种高吞吐量(HT)站，所述HT站将具有HT格式的数据帧发送到多个HT站和具有与HT站不同的数据传输能力的遗留站共存的WLAN中。HT站包括：信息产生单元，将EIFS的持续时间与接收具有遗留格式的ACK帧所需的时间和SIFS的持续时间之和相比较；信息提供单元，如果EIFS的持续时间小于接收具有遗留格式的ACK帧需要的时间和SIFS的持续时间之和，则产生具有遗留格式的重设帧，并将产生的重设帧作为具有能够被遗留站和HT站解释的格式的帧，发送到WLAN，以允许接收数据帧的遗留站和HT站同时参与对媒体的使用的竞争，其中，所述重设帧重设接收数据帧的所有遗留站和HT站的网络分配矢量(NAV)。

信息产生单元可包括：计算器，如果EIFS的持续时间大于接收具有遗留格式的ACK帧所需的时间和SIFS的持续时间之和，则计算接收数据帧的多个遗留站的EIFS的开始点，从而接收数据帧的遗留站和HT站能够同时开始回退操作。

具体实施方式

图4是用于示出根据本发明的示例性实施例的确保WLAN中的多个站之间对媒体访问的公平性的方法的示图。所述WLAN包括基础结构基本业务集(BSS)和独立BSS(IBSS)。

参照图4，具有遗留格式的数据帧的PHY头包括扩展的PHY保护(EPP)信息。根据本发明的当前实施例，包括在数据帧的PHY头中的EPP信息表示接收除了PHY头之外的数据帧需要的时间，而在现有技术中，EPP信息表示接收ACK帧需要的时间。

详细地，当发送HT站发送具有HT格式的数据帧时，接收数据帧的多个HT站在接收ACK帧之后过去DIFS时执行回退操作。另一方面，接收数据帧的多个遗留站在数据帧的接收结束之后立即开始对EIFS倒计时。EIFS等于<SIFS+ACK接收时间+DIFS>。因此，遗留站可以在与HT站相同的时间开始回退操作。为了实现这一机制，接收站需要发送针对具有HT格式的数据帧返回的具有遗留格式的ACK帧。如果ACK帧具有HT格式，则由于遗留站不能解释具有HT格式的ACK帧，因此遗留站在接收ACK帧之后开始新的EIFS。因此，HT站必须事先知道它们应该使用具有遗留格式的ACK帧。

图5A和图5B是分别解释根据本发明示例性实施例的多个遗留站的媒体访问控制方法的示图。

参照图5A，当数据帧的发送结束之后，遗留站的空闲信道评估(CCA)状态变为空闲，并且EPP到期。由于其被通知已经发生错误，因此，MAC层开始EIFS。如图5A所示，在EIFS结束之前，遗留站在接收具有遗留格式的ACK帧之后过去DIFS那么长时间时开始回退操作。多个HT站可以解释具有遗留格式的帧，因此在与遗留站相同的时间开始回退操作。如上所述，EIFS通常等于<SIFS+ACK接收时间+DIFS>。然而，由于ACK接收时间可以根据传输速率改变，因此，图5A中示出的情形是可能的。

图5B是用于解释当ACK帧太长以至于无法在EIFS内结束ACK帧的传输时，根据本发明的示例性实施例的多个遗留站的媒体访问控制方法的示图。参照图5B，多个HT站在发送ACK帧之后过去DIFS时开始回退操作，而即使在遗留站的EIFS结束之后多个遗留站的CCA状态仍然是繁忙。因此，MAC层被通知已经发生错误，并且遗留站开始新的EIFS。因此，出现了HT站和遗留站之间对媒体的访问的不公平性的问题。在这种情况下，使用具有遗留格式的ACK帧对解决HT站和遗留站之间对媒体的访问的不公平的问题可能没有帮助。现在将参照图6详细描述如何解决HT站和遗留站之间对媒体的访问的不公平性的问题。

图6是用于解释根据本发明的示例性实施例的确保多个站之间对媒体的访问的公平性的方法的示图。

通常，发送数据帧的发送站可以计算ACK帧接收时间。因此，根据本发明的当前实施例，发送站计算ACK帧接收时间。然后，如果预计在帧的发送之后开始的EIFS在完成对针对数据帧返回的ACK帧的接收之前结束，则发送站在接收ACK帧之后发送重设帧(reset frame)。重设帧重设接收该重设帧的所有站的定时器。图6示出了接收重设帧的站迅速开始回退操作。然而，接收重设帧的站可在接收到重设帧之后过去预定时间段时开始回退操作。

详细地，接收ACK帧的多个HT站在接收ACK帧之后开始对DIFS倒计时，而多个遗留站在接收ACK帧之后开始对新的EIFS倒计时，这是因为EIFS在接收到ACK帧之前结束。预料到将会发生所有这些情况，发送站发送重设HT站和遗留站的网络分配矢量(NAV)定时器的重设帧，从而HT站和遗留站可以公平地竞争对媒体的访问。当接收到重设帧时，HT站和遗留站重设他们的NAV定时器，而不管他们当前是否正在对DIFS或EIFS计时，因此可以在相同的时间参与对媒体访问的竞争。

重设帧不限于特定格式。重设MAC定时器的无竞争(CF)-end帧或者仅包括无净荷头的业务质量(QOS)-null帧可被用作重设帧。

图7是示出根据本发明的示例性实施例的HT站的操作的流程图。参照图7，在操作610中，试图经WLAN发送具有HT格式的数据帧的发送HT站将EIFS的持续时间与SIFS的持续时间和接收针对数据帧返回的ACK帧所需的时间(下面称为ACK帧接收时间)之和进行比较。发送HT站基于比较的结果确定接收数据帧的多个遗留站的EIFS是否将在ACK帧的接收完成之前结束。

如果EIFS大于SIFS与ACK帧接收时间之和，则如图5A所示，在操作660，发送HT站设置EIFS的开始点，从而接收数据帧的多个HT以及遗留站可以在相同时间开始回退操作。换句话说，发送HT站产生EPP信息，从而EPP可在发送HT站对包括EPP信息的帧的发送结束时到期，并且在操作670中发送HT站将EPP信息插入具有遗留格式的PHY头中，然后发送插入了EPP信息的数据帧。

如果EIFS小于SIFS与ACK帧接收时间之和，则在操作620，发送HT站生成重设帧。当在操作640中ACK帧的接收结束时，发送HT站在操作650发送重设帧。重设帧的产生可以不在操作620中执行。

图8是根据本发明示例性实施例的HT站的框图。参照图8，HT站包括：信息产生单元710，通过参考由接收站发送的ACK帧的长度产生使接收具有HT格式的数据帧的多个站同时参与对媒体的访问的竞争的预定信息；信息提供单元720，将由信息产生单元710产生的信息作为具有遗留格式的帧发送到WLAN，从而接收数据帧的多个HT站以及接收数据帧的多个遗留站可以解释由信息产生单元710产生的信息。

具体地，信息产生单元710包括比较器711和计算器712。比较器711将EIFS的持续时间与ACK帧接收时间和SIFS的持续时间之和进行比较。当比较器711通知计算器712EIFS的持续时间大于ACK帧接收时间与SIFS的持续时间之和时，计算器712将EPP信息设置为在发送HT站对数据帧的发送结束时到期。

信息提供单元720包括重设帧发送器721、重设帧产生器722以及信息插入器723。当比较器711通知重设帧产生器722EIFS的持续时间小于ACK帧接收时间与SIFS的持续时间之和时，重设帧产生器722产生重设帧，如CF-end帧或QOS-null帧。重设帧发送器721在接收到ACK帧之后过去SIFS那么长时间时将由重设帧产生器722产生的重设帧发送到WLAN。信息插入器723接收计算器712设置的EPP信息并将EPP信息插入到数据帧的具有遗留格式的PHY头中。帧发送单元730发送插入了EPP信息的数据帧。

上述已经将根据本发明的当前实施例的HT站描述为发送单个数据帧并接收针对单个数据帧返回的ACK帧。然而，本发明也可被应用于其中HT站发送多个数据帧并接收针对所述数据帧返回的块ACK帧的帧交换序列(frameexchange sequence)。这将参照图9和图10进行详细描述。

图9是用于解释根据本发明示例性实施例的在使用块ACK帧的情况下在序列中确保多个站之间对媒体的访问的公平性的方法的示图。通常，发送站发送单个数据帧并接收针对所述单个数据帧返回的ACK帧。然而，参照图9，发送站可发送多个数据帧并发出对指示多个数据帧的每一个是否已被接收站成功接收的信息的请求。然后，接收站可发送针对所述多个数据帧中的全部返回的块ACK帧，以指示多个数据帧已全部被接收站成功接收。在这种情况下，多个数据帧的第一帧的具有遗留格式的PHY头包括当块ACK帧的发送结束时到期的EPP信息，并且发送站将EIFS的持续时间与ACK帧接收时间和SIFS的持续时间之和进行比较，并基于比较的结果确定是否发送重设帧。

图10是用于解释根据本发明示例性实施例的在发送多个片段帧(fragment frame)的情况下在帧交换序列中确保多个站之间对媒体访问的公平性的方法的示图。参照图10，发送站将单个帧分为3个片段帧，即，第0至第2片段帧，并发送第0至第2片段帧。然后，接收站分别发送针对第0至第2片段帧返回的第0至第2ACK帧，而不是发送针对第0至第2片段帧的全部返回的一个ACK帧。在本发明的当前实施例中，如在图9中所示的前一实施例中那样，第0片段帧的具有遗留格式的PHY头包括被设置为在第2ACK帧的发送结束时到期的EPP信息。然后，发送站将EIFS的持续时间与ACK帧接收时间和SIFS的持续时间之和进行比较，并基于比较的结果确定是否发送重设帧。

本发明可以被实现为写在计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质可以是数据以计算机可读方式记录在其上的任何类型的记录装置。计算机可读记录介质的例子包括ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储器以及载波(例如，通过因特网的数据传输)。

Claims (12)

1.一种在多个高吞吐量HT站和多个遗留站共存的无线局域网中为多个站提供关于媒体访问控制的信息的方法，所述方法包括：

根据响应于具有HT格式的数据帧发送的确认ACK帧的长度，自适应地产生允许接收数据帧的遗留站和HT站同时参与对媒体的使用的竞争的信息；

通过具有能被遗留站和HT站解释的格式的帧发送自适应地产生的信息，

其中，所述自适应地产生信息的步骤包括：计算接收数据帧的多个遗留站的EIFS的开始点，从而接收所述所有站可以同时开始回退操作，以及将指示计算出的开始点的信息插入数据帧的具有遗留格式的物理层PHY头中，

其中，遗留站的每一个是IEEE 802.11a站、IEEE 802.11b站以及IEEE802.11g站中的一种，

其中，无论与ACK帧相关的数据帧的格式是HT格式还是遗留格式，无线局域网使用遗留格式用于任意的ACK帧。

2.如权利要求1所述的方法，其中，遗留站的EIFS的开始点是数据帧的发送结束时的时间。

3.如权利要求1所述的方法，其中，具有遗留格式的ACK帧是响应于多个帧发送的块ACK帧，数据帧是所述多个帧中的第一帧，遗留站的EIFS的开始点是所述多个帧中的最后一帧的发送结束时的时间。

4.如权利要求1所述的方法，其中，数据帧是多个片段帧中的第一片段帧，具有遗留格式的ACK帧是响应于所述多个片段帧中的最后一个片段帧而发送的ACK帧，遗留站的EIFS的开始点是所述多个片段帧中的最后一个片段帧的发送结束时的时间。

5.如权利要求1所述的方法，其中，无线局域网是基础结构基本业务集或独立基本业务集。

6.如权利要求1所述的方法，其中，HT站是多输入多输出站。

7.一种将具有高吞吐量HT格式的数据帧发送到多个HT站和多个遗留站共存的无线局域网的HT站，所述HT站包括：

信息产生单元，根据响应于数据帧发送的确认ACK帧的长度，自适应地产生允许接收数据帧的遗留站和HT站同时参与对媒体的使用的竞争的信息；

信息提供单元，将自适应地产生的信息作为具有能够被遗留站和HT站解释的格式的帧发送到无线局域网；

计算单元，计算接收数据帧的多个遗留站的EIFS的开始点，从而接收所述数据帧的所有站可以同时开始回退操作；

信息插入器，将指示计算出的开始点的信息插入数据帧的具有遗留格式的物理层PHY头中，

其中，遗留站的每一个是IEEE 802.11a站、IEEE 802.11b站以及IEEE802.11g站中的一种，

其中，无论与ACK帧相关的数据帧的格式是HT格式还是遗留格式，无线局域网使用遗留格式用于任意的ACK帧。

8.如权利要求7所述的HT站，其中，计算单元将遗留站的EIFS的开始点设置为数据帧的发送结束时的时间。

9.如权利要求7所述的HT站，其中，具有遗留格式的ACK帧是响应于多个帧发送的块ACK帧，数据帧是所述多个帧中的第一帧，计算单元将遗留站的EIFS的开始点设置为所述多个帧中的最后一帧的发送结束时的时间。

10.如权利要求7所述的HT站，其中，数据帧是多个片段帧中的第一片段帧，具有遗留格式的ACK帧是响应于所述多个片段帧中的最后一个片段帧而发送的ACK帧，计算单元将遗留站的EIFS的开始点设置为所述多个片段帧中的最后一个片段帧的发送结束时的时间。

11.如权利要求7所述的HT站，其中，无线局域网是基础结构基本业务集或独立基本业务集。

12.如权利要求7所述的HT站，其中，HT站是多输入多输出站。

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