CN102076106A

CN102076106A - 时频二维混合mac层接入方法

Info

Publication number: CN102076106A
Application number: CN2010106225212A
Authority: CN
Inventors: 康桂霞; 张平; 王晶
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: CN102076106B

Abstract

本发明公开了一种时频二维混合MAC层接入方法，在频率域和时间域二维方向上，多个用户可共同竞争可用资源，可用资源包括各个子信道和不同时隙。采用退避机制避免冲突，用户通过竞争可用资源并结合预约机制接入无线信道进行数据传输。本发明同时利用了频率资源和时间资源，结合竞争和预约机制，使得系统信道利用率提高，并且避免了冲突，从而有效提高了整个系统的吞吐量。

Description

时频二维混合MAC层接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于CSMA/CA和OFDMA的时频二维混合媒体接入控制(Media Access Control，MAC)层的接入方法。

背景技术

随着移动通信技术、互联网技术和计算机技术的飞速发展，移动通信已经不再局限于单纯的话音通信，高数据速率的业务越来越受到人们的关注。未来移动通信用户对可实现的通信业务，在种类和应用方面的期望都不断提高。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网作为一种实现宽带无线IP接入的典型形式，由于具有移动计算、组网灵活快捷、维护费用较低和可扩展性好等优点，在众多地区，如机场、学校、企业、宾馆等提供需要宽带高速无线接入且移动速度不高的场合有着其独特优势。国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)指出未来用户期望得到一个动态、连续的服务，并能够通过同一个终端设备(同一个号码或地址)跨网络无缝地实现所需服务。以无线局域网加Internet构成的全IP网络是对广域蜂窝移动通信网络的有力补充。

MAC层接入协议最重要的作用就是能协调各个站点STA(Stations的简写)高效地共享使用或接入无线信道资源。此外，MAC层协议功能还包括保证系统的服务质量(Quality of Service，QoS)、尽可能减小数据流传输的冗余等。高效的MAC层协议能为WLAN(Wireless Local Area Networks，WLAN)带来更高的效率和系统吞吐量，下一代WLAN系统将要求在更宽的传输带宽下实现更高的传输速率，因此研究高效MAC层接入协议成为了下一代WLAN系统的关键问题之一。IEEE802.11标准中定义了WLAN的MAC层接入协议，即采用了带有二进制指数退避的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多点接入/冲突避免)机制，称为DCF(Distributed Coordination Function，分布式协调功能)。现存的这种简单的CSMA/CA机制的MAC层协议由于冲突概率高，特别是在STA数量很大和数据量很大的情况下，由于冲突带来的影响使得MAC层效率降低，限制了整个系统的吞吐量。

针对下一代宽带无线通信系统，OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)作为一个关键的接入技术，它能把整个频段分为多个窄带子信道，能够使不同的站点同时使用不同的子信道，相不干扰地同时发送数据。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提高系统的信道利用率，并避免冲突，同时提高系统的吞吐量。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种时频二维混合MAC层接入方法，包括以下步骤：

S1、当用户有数据待发时，用户周期性地检测各子信道的当前使用情况，当检测到空闲的子信道时，选择该子信道并进入步骤S2，否则用户继续检测各子信道的当前使用情况；

S2、用户进入退避阶段：设置退避计数器的值，退避计数器在每个时隙结束时刻从该值开始减一，直到该值为零时进入步骤S3；

S3、用户向接入点预约时频资源，预约成功后利用该时频资源发送数据，若没有预约成功，则重新进入步骤S1，即重新检测空闲子信道，在重新检测到空闲子信道后重新设置退避计数器的值；

S4、当用户成功接收到接入点发回的确认帧之后，将退避计数器的值归零；否则返回步骤S1，用户重新发送丢失的数据。

其中，所述子信道的形成方式为：多个正交频分复用OFDM子载波形成一个子信道，且整个信道被划分为多个子信道，各个子信道之间相互正交。这保证了在各个子信道上发送数据时互相没有干扰，在时域和频域上同时高效利用信道。

其中，在所述步骤S2中，如果用户检测到当前所选子信道在当前时隙被其它用户先于占用，则检测是否存在其它空闲子信道，若存在，则将退避计数器减一，若当前所有子信道都被占用，则保持退避计数器的当前值不变，当用户再次检测到空闲子信道时，退避计数器从所述当前值开始递减。因此，用户可灵活的接入空闲子信道，缩短了等待时间，能保证高效地利用信道，提高信道利用率。

其中，所述退避计数器的值根据退避期的值来计算。

其中，当用户发送完一个数据并立刻有下一个数据待发时，首先释放当前占用的子信道，并重新开始退避阶段。这样能保证各个用户占用信道的公平性。

其中，在退避阶段所采用的退避准则为二进制指数退避准则。

其中，所述时频资源包括子信道和时隙。

其中，设所述退避计数器的值为BackoffCounter_n，则：

BackoffCounter_n＝INT(CW×Random()×T_slot)

上式中，INT()表示取整运算，Random()表示取[0，1]之间的随机数运算，T_slot表示一个时隙，CW＝2ⁱCW_min，i∈[0，m]表示退避期，其中m表示退避期最大值，CW_min表示载波侦听多点接入/冲突避免机制中所定义的竞争窗口的最小值。

在步骤S3中所用到的握手帧包括请求发送帧和清除发送帧，所述请求发送帧和清除发送帧中都含有用户所发送的数据的长度信息，当其他用户检测到所述长度信息后，更新本地的网络分配向量集并不再发送握手信息预约当前已经被占用的子信道。

(三)有益效果

本发明采用了时频二维接入，各个站点任意检测空闲子信道或者空闲时隙来实现数据传输，因此增加了随机接入的机会，即增加了可用资源，从而提高了资源利用率，使系统能够容纳更多用户，并减小了碰撞概率，提高了传输效率，从而提高了单位时间内可能传输的数据量，即提高了系统吞吐量。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是时频二维接入时序图；

图3是STA数据帧状态流程图；

图4是对本发明的方法以及传统的方法进行仿真得到的冲突概率性能曲线；

图5是对本发明的方法以及传统的方法进行仿真得到的归一化饱和吞吐量性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的设计思路为：在频域维度上，采用OFDMA技术进行接入：一组子载波形成一个子信道，整个带宽被分为多个不同子信道，不同的用户占用不同的子信道，各个子信道间相互正交，没有干扰。在时间维度上，采用CSMA/CA技术使得不同用户(以下也成为站点)竞争预约不同的时隙，各个用户占用不同的时隙发送数据，避免了干扰。从而结合OFDMA和CSMA/CA技术，实现了在时域和频域上进行二维接入。

参考图1，假设系统中有N个站点(STA)，信道被划分为M个子信道且N≥M，信道被占用时的状态称为忙(Busy)状态，信道没有被占用时的状态称为闲(Idle)状态，DIFS(Distributed Interframe Space)表示分布式帧间间隔，SIFS(Short Interframe Space)表示短帧间间隔，且SIFS时长小于DIFS时长，即T_SIFS＜T_DIFS。

首先执行步骤S1：当任意一个站点n(STAn)有数据需要发送时，检测所有M个子信道的忙闲状态，如果检测到子信道连续DIFS时长都是Idle状态，则STAn采用任何一种退避准则，例如二进制指数退避准则(是现有技术)进入退避阶段(步骤S2)：

首先STAn计算它的退避计数器的值，即BackoffCounter_n：

BackoffCounter_n＝INT(CW×Random()×T_slot) (1)

其中，INT()表示取整运算，Random()表示取[0，1]之间的随机数运算，T_slot表示一个时隙(其值由物理层确定)，CW＝2ⁱCW_min，i∈[0，m]表示退避期，其中m表示退避期最大值。CW_min表示竞争窗口(可参见CSMA/CA机制中的定义)的最小值，通常根据系统的参数来设置，可以取802.11标准里定义的值32。

退避期i初始值为0，STAn只要检测到当前时隙存在Idle的子信道时，其退避计数器则在每个时隙结束时减一。如果STAn检测到当前选择的子信道在当前时隙被其它STA所占用，STAn将再次检测其它的子信道，如果发现存在其它的Idle子信道，STAn继续在每个时隙结束时将退避计数器减一，如果发现当前时隙所有的子信道都处于Busy状态，则STAn保持当前退避计数器的值不变并等待继续检测可用的Idle子信道。

当BackoffCounter_n达到0时，STAn进入竞争预约时频资源阶段(步骤S3)：

STAn向AP(Access Point，接入点)发送RTS(Request to Send，请求发送)帧预约时频资源，即预约当前检测到的可用子信道和时隙，当AP收到RTS帧后等待SIFS时长后发送CTS(Clear to Send，清除发送)帧给STAn，当STAn收到CTS后表示其预约资源成功，可以利用当前时隙和子信道开始发送数据，则STAn在等待SIFS时长后立即开始发送数据帧。当STAn在CTS帧等待超时时间(CTS_Timeout)内没有收到来自AP的CTS帧，则STAn认为RTS发生冲突或RTS/CTS丢失，此时退避期i加一，退避计数器将基于新的CW＝2ⁱCW_min按照(1)式重新计算，直到CW达到最大值CW_max，通常可以取CW_max＝2^mCW_min。

S4：当AP接收到STAn的数据帧后，在SIFS时长后立即发送确认帧(ACK(Acknowledge)帧)，STAn接收到ACK后表示数据已经成功地被AP接收，此次发送过程完成，退避计数器的值归零。如果STAn在确认帧等待超时(ACK Timeout)时长到达之后还没有收到来自AP的ACK帧，则STAn判断数据发送失败，则STAn重新检测可用时频资源，并重新预约时频资源，以便重新发送数据。

可以看出，用户通过竞争预约可用资源，AP端不进行集中分配和调度，用户无需等待AP的分配信号，可以保证频率和时间资源被充分利用，并能保证各个用户占用信道的公平性。另外，上述RTS、CTS以及ACK帧和数据包都可以在各个子信道上发送，也就是说，系统不区分控制帧信道和数据包信道，这样能避免引起控制信道上各个用户的控制帧发生冲突造成效率低下。并且，各种握手帧，包括RTS和CTS帧中都含有用户所发送数据包的长度信息，当其他用户检测到这种长度信息后，会自动更新本地的网络分配向量(Network Allocation Vector，NAV)集并将不再发送握手信息预约当前已经被预约的子信道，这样提高了效率。

以下举例说明。

图2表示时频二维接入的时序图，在频域上把信道划分为多个子信道，每个子信道由多个子载波形成。如2图所示，STA1、STA2、STA4分别同时占用了不同的子信道以传输数据，STA3等待当STA2发送完成后，再预约资源并开始发送。从图2可以看出，各个STA之间相不干扰，能够高效地利用资源。

图3表示每个STA的数据帧状态转移图。图中的圆圈表示当前的各个状态，E1...E7表示各种触发状态转移的事件，含义如下：

E1表示初始化并有数据待发；E2表示检测到当前时隙有空闲子信道可用；E3表示所有子信道当前时隙全部被占用，并且退避计数器未到0；E4表示检测到当前时隙存在可用子信道，并且退避计数器不为0；E5表示退避计数器为0，并且当前时隙至少有一个子信道空闲；E6表示在CTS Timeout时长内没有收到来自AP的CTS帧；E7表示收到CTS帧开始发送数据；E8表示在ACK Timeout时长内没有收到来自AP的ACK；E9表示数据发送成功，需要回到初始状态。

初始化(INIT)表示初始化状态；检测(SENSING)表示检测当前时隙空闲子信道；回退(BACKOFF)表示退避计数器开始工作；冻结(FREEZE)表示冻结退避计数器(即保持退避计数器的数值不变)并检测可用资源；预约(RESERVE)表示预约可用资源；发送(TRANSMIT)表示发送数据帧。

采用图3所示的事件触发状态转移的形式完成二维接入机制的工作，具体流程如下：

1)在INIT状态时，当有数据待发，则由事件E1触发进入SENSING状态；

2)在SENSING状态，STA检测当前时隙的可用子信道。当检测到可用资源时由事件E2触发进入BACKOFF状态从而进入退避阶段；

3)在BACKOFF状态，STA计算BackoffCounter的值，并在每个时隙结束时刻自动减一。当计数器达到0之前所有可用资源全部被占用时由事件E3触发进入FREEZE状态；

4)在FREEZE状态，STA保存当前BackoffCounter的值，并继续检测可用资源，一旦检测到可用资源则由事件E4触发回到BACKOFF状态；

5)在RESERVE状态，STA预约空闲资源，预约成功后由事件E7触发进入TRANSMIT状态。预约未成功则由事件E6触发回到SENSING状态；

6)在TRANSMIT状态，STA开始发送数据帧，当发送成功后由事件E9触发回到INIT状态，若没有收到AP的确认响应，则由事件E8触发回到SENSING状态。

图4示出了仿真时频二维混合接入机制和传统CSMA/CA机制得到的冲突概率(Probability of collision)性能比较曲线，采用了不同STA站点数进行了仿真，M表示子信道个数，M＞1表示本发明的方法，M＝1表示传统CSMA/CA机制。如图4所示，当采用多个子信道时，即M＞1时，系统的冲突概率明显低于传统CSMA/CA机制，从而可以看出本发明方法在同样STA数目下明显降低了冲突概率。

图5表示了方针时频二维混合接入机制和传统CSMA/CA机制得到的归一化饱和吞吐量(Saturated Throughput)性能曲线，M表示子信道个数，M＞1表示本发明的情况，M＝1表示传统CSMA/CA机制。如图5所示，当采用多个子信道时，即M＞1时，系统饱和吞吐量明显高于传统CSMA/CA机制，从而可以看到本发明方法能带来系统吞吐量的提升。

由以上实施例可以看出，由于本发明采用了时频二维接入，各个STA任意检测空闲子信道或者空闲时隙来实现数据传输，因此增加了随机接入的机会，即增加了可用资源，从而提高了资源利用率，使系统能够容纳更多用户，且减小了碰撞概率，提高了传输效率，从而提高了单位时间内可能传输的数据量，即提高了系统吞吐量。本发明尤其适用于下一代超高速WLAN系统中。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、当用户有数据待发时，用户周期性地检测各子信道的当前使用情况，当检测到空闲子信道时，选择该子信道并进入步骤S2，否则用户继续检测各子信道的当前使用情况；

S3、用户向接入点预约时频资源，预约成功后利用该时频资源发送数据，若没有成功，则在重新检测空闲子信道，重新检测到空闲子信道后重新设置退避计数器的值；

2.如权利要求1所述的时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，所述子信道的形成方式为：多个正交频分复用子载波形成一个子信道，且整个信道被划分为多个子信道，各个子信道之间相互正交。

3.如权利要求1所述的时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，在所述步骤S2中，如果用户检测到当前所选子信道在当前时隙被其它用户先于占用，则检测是否存在其它空闲子信道，若存在，则将退避计数器减一，若当前所有子信道都被占用，则保持退避计数器的当前值不变，当用户再次检测到空闲子信道时，退避计数器从所述当前值开始递减。

4.如权利要求1所述的时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，所述退避计数器的值根据退避期的值来计算。

5.如权利要求1所述的时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，当用户发送完一个数据并立刻有下一个数据待发时，首先释放当前占用的子信道，并重新开始检测空闲子信道和退避阶段。

6.如权利要求1所述的时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，在退避阶段所采用的退避准则为二进制指数退避准则。

7.如权利要求1所述的时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，所述时频资源包括子信道和时隙。

8.如权利要求4所述的时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，设所述退避计数器的值为BackoffCounter_n，则：

BackoffCounter_n＝INT(CW×Random()×T_slot)

其中，INT()表示取整运算，Random()表示取[0，1]之间的随机数运算，T_slot表示一个时隙，CW＝2ⁱCW_min，i∈[0，m]表示退避期，其中m表示退避期最大值，CW_min表示载波侦听多点接入/冲突避免机制中所定义的竞争窗口的最小值。

9.如权利要求1～8任一项所述的时频二维混合MAC层接入方法，其特征在于，在步骤S3中所用到的握手帧包括请求发送帧和清除发送帧，所述请求发送帧和清除发送帧中都含有用户所发送的数据的长度信息，当其他用户检测到所述长度信息后，更新本地的网络分配向量集并不再发送握手信息预约当前已经被占用的子信道。