CN102123010B - 一种无线局域网中mac层的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线局域网中MAC层的数据传输方法，用于支持网络编码技术的应用，该传输流程应用于无线局域网中的一个BSS内的两个客户端通过AP转发数据的场景中，当源客户端有数据要传输时，可以选择使用网络编码技术并发出应用请求，如果AP接受使用网络编码技术传输数据的请求且接收客户端有数据待发送给源客户端，则AP可以应用网络编码技术在特定的流程下完成数据的传输；即AP对接收到的来自源客户端和接收客户端的数据进行网络编码处理，并将处理后的数据广播给源客户端和接收客户端，在两个客户端直接传输数据较多的情况下，可以充分利用信道资源，节省用于信道竞争的时间，提高MAC层资源的使用效率。

Description

一种无线局域网中MAC层的数据传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线局域网中MAC层的数据传输方法，用于支持网络编码技术的应用。

背景技术

WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网）提供了一种局域网的无线连接服务，能够提供高速的无线数据接入，已经广泛应用于城市、公共场所覆盖，企业、楼宇、家庭等各种场所。和传统的有线接入方式相比，无线局域网让网络的使用更自由，彻底摆脱了线缆和端口位置的束缚，而且无线局域网具有便于携带，易于移动的优点，免去或减少了繁杂的网络布线，只需要安放一个或多个AP（Access Point，接入点）设备就可以建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。

具体的，无线局域网中数据的传输需要依赖于AP节点，在每个BSS（BasicService Set，基本服务集）内有唯一的一个AP节点，AP节点负责BSS内其他站点数据的转发，即一个站点发送数据给相同BSS内的其他站点时需要通过AP的转发。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

当两个站点间的数据交互频繁时，上述数据转发过程会浪费大量的资源，站点到AP、及AP到站点的数据发送之前均要经过分布式信道竞争过程，因此两个站点完成一次数据交互需要经过四次信道竞争过程和四次数据的发送过程。

具体的，源站点经过信道竞争得到信道的使用权并将数据传输给AP，AP需要经过信道竞争才能将数据传输给接收站点；相应的，接收站点经过信道竞争得到信道的使用权并将数据传输给AP，AP需要经过信道竞争才能将数据传输给源站点，从而浪费了时间和信道资源。

发明内容

本发明实施例提供一种无线局域网中MAC层的数据传输方法，用于支持网络编码技术的应用，并节省信道资源和数据传输时间。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种无线局域网中介质访问控制MAC层的数据传输方法，用于支持网络编码技术的应用，所述应用包括NC-TXOP，其中，在所述NC-TXOP内信道被两个有交互数据传输的站点和中继节点AP共同占有，该方法包括：

当源节点获得信道使用权后，所述源节点发送请求使用网络编码技术传输数据的第一控制帧给中继节点；

当所述中继节点接受使用网络编码技术传输数据的请求时，所述中继节点发送询问接收节点数据传输方式的第二控制帧给所述接收节点；

当所述接收节点的数据传输方式为使用网络编码技术传输数据时，所述接收节点发送使用网络编码技术传输数据的第三控制帧给所述中继节点；

所述中继节点发送第四控制帧给所述源节点和接收节点，通知所述源节点和接收节点采用网络编码技术传输数据。

优选的，所述源节点发送请求使用网络编码技术传输数据的第一控制帧给中继节点，包括：

所述源节点广播目的地址为所述中继节点的第一控制帧，且所述第一控制帧携带请求使用网络编码技术传输数据给所述接收节点的信息。

优选的，所述中继节点接受使用网络编码技术传输数据的请求，包括：

当所述源节点和所述接收节点之间的数据交互满足预设关系时，所述中继节点接受使用网络编码技术传输数据的请求。

优选的，所述中继节点发送询问接收节点数据传输方式的第二控制帧给所述接收节点，包括：

所述中继节点广播目的地址为所述接收节点的第二控制帧，且所述第二控制帧中携带询问接收节点数据传输方式的信息。

优选的，所述中继节点广播目的地址为所述接收节点的第二控制帧，之后还包括：

当接收到所述第二控制帧后，所述源节点确定所述中继节点接受自身使用网络编码技术传输数据的请求。

优选的，所述接收节点的数据传输方式为使用网络编码技术传输数据，包括：

所述接收节点根据自身缓存中的数据确定有数据发送给所述源节点时，所述接收节点确定数据传输方式为使用网络编码技术传输数据。

优选的，所述接收节点发送使用网络编码技术传输数据的第三控制帧给所述中继节点，包括：

所述接收节点广播目的地址为所述中继节点的第三控制帧，所述第三控制帧用于通知所述中继节点采用网络编码技术传输数据，并用于清空所述接收节点周围节点的干扰。

优选的，所述中继节点发送第四控制帧给所述源节点和接收节点，包括：

当接收到所述第三控制帧后，所述中继节点确定所述源节点与所述接收节点之间采用网络编码技术传输数据；并广播目的地址为所述接收节点的第四控制帧，所述第四控制帧用于通知所述源节点和接收节点采用网络编码技术传输数据。

优选的，所述源节点和所述接收节点为同一基本服务集BSS内的客户端设备；所述中继节点为所述BSS内的接入点AP设备。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：

AP设备通过应用网络编码技术传输无线局域网中客户端设备之间交互的数据，使得两个站点间需要传输的数据可通过一种更高效的方式进行传输，而且只需要一次信道竞争过程和三个时隙的数据传输过程即可完成相同的数据交互，提高了MAC（Medium Access Control，介质访问控制）层的利用效率，在特定的场景下可以提高站点间的数据传输速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中应用场景示意图；

图2是现有技术中RTS/CTS机制的示意图；

图3是现有技术中RTS，CTS控制帧的帧结构的示意图；

图4是现有技术中网络编码技术示意图；

图5是本发明实施例提供的NC-RTS控制帧及NC-CTS控制帧的时序流程示意图；

图6是本发明实施例提供的一种无线局域网中MAC层的数据传输方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的应用场景示意图，一个BSS内的两个STA（STA1和STA2）之间需要传输数据，按照现有方式STA1和STA2需要分别经过信道竞争后将数据发送给AP，由AP在经过信道竞争后将来自STA1的数据发送给STA2，并将来自STA2的数据发送给STA1。

上述数据发送过程需要四次信道竞争，信道竞争成功后将按照图2所示的流程通过RTS（Request To Send，发送请求）/CTS（Clear To Send，发送清除）方式传输数据，RTS，CTS控制帧的帧结构如图3所示。

现有技术中，802.11e标准中定义了TXOP（Transmission Opportunity，发送机会）的概念，一次发送机会是指站点可占用信道的时间长度；而且还提出了DCF（Distributed Channel Function，分布式信道功能）机制的增强版EDCA（Enhanced Distributed Channel Access，增强分布式信道接入）机制，EDCA中增加了优先级（用于保障实时性的高优先级业务可得到更好的QoS（Qualityof Service，服务质量）服务）和TXOP的概念。

具体的，在DCF方式下站点竞争到一次信道后只能传输一帧数据，在发送结束后要释放信道的使用权，并重新开始分布式的信道竞争过程；而EDCA中引入的TXOP概念是指：在一次信道竞争成功后可占用信道一个时间段，该时间段的长度为TXOP的数值，在这个时间段内信道始终归该站点使用，站点以一定的时隙间隔连续发送数据，进一步提高MAC层的利用效率，且适合实时性业务的传输。

需要注意的是，TXOP的长度在信道竞争前由站点缓存内的数据长度确定，在信道竞争成功后的RTS、CTS控制帧中将携带本次传输可占用信道时间长度信息，而且广播性质的RTS、CTS控制帧可以将可占用信道时间长度信息传输给周围侦听范围内的所有站点，周围站点会在一定时间内（TXOP的时间内）不去竞争信道，从而避免了数据的碰撞。

具体的，RTS、CTS是广播性质的控制帧，RTS和CTS可配合使用来完成信道清空的作用。其中，发送站点首先发送RTS控制帧通知附近的站点自身即将占用信道的时间长度及传输数据的目的地址；接收站点在收到RTS控制帧并读出目的地址为自身的地址后，回复CTS控制帧表明信道已清空，可以发送数据；其他站点在收到RTS或CTS控制帧后，保证在这个一定时间段内不会竞争信道，从而避免了数据碰撞的发生，而且克服了隐藏站点对网络的影响。

另外，在RTS，CTS控制帧的帧结构中，可包含目的地址、源地址、信道占用的时间、两字节的控制帧信息（该字段包含版本号、帧类型以及其他传输过程中会用到的信息）。

现有技术中，还提出了一种NC（Network Coding，网络编码）技术，网络编码技术是网络中的节点将接收到的信息进行编码后再转发出去的多点传输技术，可提高网络的吞吐量和健壮性。以下结合图4所示的网络编码的示意图详细介绍网络编码技术的应用原理，在图4中，包含站点A、站点B和中继节点S，通过网络编码方式传输数据可以节省一个时隙的时间。

具体的，在站点A和站点B分别将各自的数据传输给中继节点S后，中继节点S将这两个数据经过网络编码处理后广播给站点A和B，站点A和B根据接收到的数据和自身已传输过的数据进行异或操作即可获得对方传输给自身的数据，从而能够节省传输时间，提高数据传输效率。

本发明实施例中，为了将网络编码技术应用到无线局域网中特定的MAC层流程中进行数据传输，以提高站点间数据传输的效率，节省信道竞争的时间，提高MAC层的使用效率和信道利用率，基于上述对TXOP的分析，需要定义新的针对网络编码应用的特殊的TXOP时间（称为NC-TXOP），该NC-TXOP是指应用网络编码技术传输数据的发送机会，在这个时间段内信道被两个有交互数据传输的站点和AP节点共同占有，且按照特定的流程完成两个站点间数据的传输过程。

另外，基于上述对RTS控制帧，CTS控制帧的分析，需要定义新的针对NC应用的NC-RTS控制帧及NC-CTS控制帧，并在NC-RTS控制帧及NC-CTS控制帧中指明本次传输的NC属性（即携带数据传输需要利用网络编码技术的信息），以下结合图5所示的时序流程对该NC-RTS控制帧及NC-CTS控制帧进行进一步的说明。

本发明实施例中，基于图5所示的时序流程，需要不同的两种NC-RTS控制帧及两种NC-CTS控制帧，分别以第一控制帧、第二控制帧、第三控制帧、第四控制帧为例进行说明，以下分别介绍这四种控制帧。

第一控制帧：第一个NC-RTS控制帧由源节点发送，该源节点（客户端设备，以STA1为例）是通过分布式信道竞争获得信道使用权的节点，STA1发送的NC-RTS控制帧的目的地址是中继节点（客户端设备所在BSS的AP设备），该NC-RTS控制帧为广播性质的“请求发送数据”，且请求采用网络编码方式发送数据给目的地址接收节点（STA1所在BSS的另一客户端设备，以STA2为例）；当AP收到该NC-RTS控制帧后将判断是否可以允许应用网络编码技术传输数据。

第二控制帧：第二个NC-CTS控制帧由AP发送，在AP通过判断获知STA1和STA2之间有相互间的数据等待传输（即STA1和STA2之间的数据交互满足预设关系）时，可以采用网络编码的方式传输数据时，AP可广播NC-CTS控制帧（目的地址为STA2），该NC-CTS控制帧会被STA1和STA2接收到。

对STA1来说，该NC-CTS控制帧表示网络编码应用请求被AP受理。对STA2来说，由于该NC-CTS控制帧的目的地址为STA2，则该NC-CTS控制帧表示询问STA2的意见（即询问STA2的数据传输方式），STA2会根据自身缓存中的数据情况来决定是否接受此次网络编码传输（如STA2的缓存中有数据要发送给STA1时决定接受这次网络编码传输请求）。

第三控制帧：第三个NC-RTS控制帧由STA2发送，该RTS控制帧用于清空STA2周围节点的干扰，且通知AP本次应用网络编码技术的数据传输可以执行，AP在收到该RTS控制帧后即可以确定本次应用网络编码技术传输数据的可操作性。

第四控制帧：第四个NC-CTS控制帧由AP发送，该NC-CTS控制帧用于回复给STA2，且STA1也可以收到该NC-CTS控制帧，该NC-CTS控制帧表示应用网络编码技术的数据传输即将开始，STA1和STA2在收到NC-CTS控制帧后会按照一定的时序顺序执行经过网络编码技术处理后的数据的传输。

需要注意的是，STA1发送的控制帧STA2不一定会收到，因此需要通过AP的转发才能使得两个节点之间的连接顺利的建立。

本发明实施例中，针对上述四个控制帧的帧结构，优选的，802.11标准中的控制帧中有一个子类型字段，该字段指明了这个控制帧的类型，如RTS，CTS，ACK均是由这个字段指明的；而该子类型字段还有8个保留比特，即可以指明8种新类型的控制帧，因此可以利用这个比特来指代上述的四类不同功能的控制帧，从而可以在不改变原有RTS，CTS控制帧的结构和属性的基础上，精确的完成网络编码传输中所需的信令要求。当然也可以采用其他方式表示上述四个控制帧的帧结构，本发明实施例中不再赘述。

基于上述情况，本发明实施例一提供一种无线局域网中MAC层的数据传输方法，该方法用于支持网络编码技术的应用，无线局域网中的AP节点可以作为转发节点的功能，且AP所管理的BSS内有数据直接交互的两个节点（STA1和STA2）即可以应用网络编码技术通过AP的一次转发完成两者的数据交换，从而大大提高数据传输的效率；如图6所示的MAC层应用网络编码技术传输数据的流程示意图，图6结合图5所示的网络编码传输时序图可以实现整个应用网络编码技术传输数据的过程。该MAC层的数据传输流程包括以下步骤：

步骤601，STA1（源节点）在通过信道竞争获得信道使用权后，发送请求使用网络编码技术传输数据的第一控制帧给AP（中继节点）。实际应用中，STA1可以选择是否发送携带请求使用网络编码技术传输数据的第一控制帧。

具体的，STA1可广播目的地址为AP的第一控制帧，且第一控制帧中携带请求使用网络编码技术传输数据给STA2（接收节点）的信息。

步骤602，AP在收到第一控制帧后，判断是否接受使用网络编码技术传输数据的请求，如果是，执行步骤604，否则，执行步骤603。

具体的，当STA1和STA2之间的数据交互满足预设关系（如STA1有数据发送给STA2且STA2有数据发送给STA1；STA1和STA2之间数据交互频繁等）时，AP确定接受使用网络编码技术传输数据的请求；否则，AP可确定不接受使用网络编码技术传输数据的请求。

步骤603，STA1按照现有的单播时序要求在隔一个SIFS时隙后传输上行数据给AP。

具体的，当AP不接受使用网络编码技术传输数据的请求时，AP回复普通CTS控制帧给STA1，即AP广播现有的CTS控制帧给STA1，STA1在收到该CTS控制帧后即可确定网络编码请求被拒绝，STA1将按照现有的单播时序要求在隔一个SIFS时隙后传输上行数据给AP。

步骤604，AP发送询问STA2数据传输方式的第二控制帧给STA2。即AP广播目的地址为STA2的第二控制帧，且第二控制帧中携带请求STA2数据传输方式的信息。

具体的，当AP接受使用网络编码技术传输数据的请求时，AP将发送第二控制帧给STA2询问STA2的状况及意见（即STA2是否可采用网络编码技术的数据传输方式）。

另外，由于第二控制帧以广播方式发送，当STA1接收到第二控制帧后，STA1确定AP接受自身使用网络编码技术传输数据的请求。

步骤605，STA2判断自身的数据传输方式是否为使用网络编码技术传输数据，如果是，执行步骤606，否则，执行步骤603。

具体的，当STA2接收到第二控制帧后，如果STA2根据自身缓存中的数据情况确定有数据发送给STA1，则STA2可确定数据传输方式为使用网络编码技术传输数据；否则，STA2可确定数据传输方式不是使用网络编码技术传输数据。

进一步的，当确定数据传输方式为使用网络编码技术传输数据时，则说明STA2接受STA1的使用网络编码技术传输数据的请求（即接受这次网络编码请求）。

需要注意的是，当STA2确定有数据发送给STA1时，则确定数据传输方式为使用网络编码技术传输数据，执行步骤606；当STA2确定没有数据发送给STA1时，STA2不会发送任何控制帧，一定时间后AP以现有方式通知STA1发送上行数据，执行步骤603，即STA1将按照现有的单播时序要求在隔一个SIFS时隙后传输上行数据给AP。

另外，需要说明的是，STA2如果收不到第二控制帧，则一定时间后本次应用网络编码技术数据传输尝试宣告失败，执行步骤603，即STA1将按照现有的单播时序要求在隔一个SIFS时隙后传输上行数据给AP。

步骤606，STA2发送可以使用网络编码技术传输数据的第三控制帧给AP。

具体的，当STA2的数据传输方式为可使用网络编码技术传输数据时，STA2广播目的地址为AP的第三控制帧，该第三控制帧用于通知AP可以采用网络编码技术传输数据，并用于清空STA2周围节点的干扰。

步骤607，AP发送第四控制帧给STA1和STA2，通知STA1和STA2采用网络编码技术传输数据。

具体的，当接收到第三控制帧后，AP确定STA1和STA2之间可以采用网络编码技术传输数据，并广播目的地址为STA2的第四控制帧，第四控制帧用于通知STA1和STA2采用网络编码技术传输数据。

本发明实施例中，AP在收到STA2回复的第三控制帧后可以确定本次应用网络编码技术传输数据的可行性，之后发送第四控制帧通知STA1和STA2本次应用网络编码技术的数据传输可以开始了，SIFS时间之后STA1和STA2会依次传输上行数据给AP。

步骤608，AP接收来自STA1的数据，并接收来自STA2的数据。

具体的，当接收到第四控制帧后，则STA1和STA2确定采用网络编码技术传输数据，STA1向AP发送数据，且STA2向AP发送数据。

步骤609，AP将来自STA1的数据和STA2的数据进行网络编码处理（即叠加处理）后广播给STA1和STA2。之后，STA1可根据自身发送的数据以及接收到的广播数据确定来自STA2的数据，STA2可根据自身发送的数据以及接收到的广播数据确定来自STA1的数据。

本发明实施例中，STA1和STA2在收到广播数据后需分别回复ACK给AP，告知本次传输已经成功完成。

综上所述，本发明实施例中，当源客户端有数据要传输时，可以选择使用网络编码技术并发出应用请求，如果AP接受使用网络编码技术传输数据的请求并且接收客户端有数据待发送给源客户端，则AP可以应用网络编码技术在特定的流程下完成双方数据的传输；即AP对接收到的来自源客户端和接收客户端的数据进行网络编码处理，并将处理后的数据广播给源客户端和接收客户端，在两个客户端直接传输数据较多的情况下，可以充分利用信道资源，节省用于信道竞争的时间，提高MAC层资源的使用效率。

具体的，通过将网络编码技术应用到无线局域网中，设计了相应的MAC层流程，节省了三次信道竞争的时间和一次数据发送的时间，从而达到提高MAC层应用效率和数据传输速率的目的。AP设备通过应用网络编码传输机制传输无线局域网中客户端设备之间交互的数据，使得两个站点间需要传输的数据可通过一种更高效的方式进行传输，而不是分别通过AP的转发这种方式。与现有技术需要四次竞争信道的过程和四个时隙的时间传输两个节点之间数据的过程相比，本发明实施例中只需要一次信道竞争过程和三个时隙的数据传输过程即可完成相同的数据交互，大大提高MAC层的利用效率，在特定的场景下可以提高节点间的数据传输速率。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无线局域网中介质访问控制MAC层的数据传输方法，用于支持网络编码技术的应用，其特征在于，所述应用包括网络编码传输数据的发送机会NC-TXOP，其中，在所述NC-TXOP内信道被两个有交互数据传输的站点和中继节点AP共同占有，该方法包括：

当源节点获得信道使用权后，所述源节点发送请求使用网络编码技术传输数据的第一控制帧给中继节点；

当所述中继节点接受使用网络编码技术传输数据的请求时，所述中继节点发送询问接收节点数据传输方式的第二控制帧给所述接收节点；

当所述接收节点的数据传输方式为使用网络编码技术传输数据时，所述接收节点发送使用网络编码技术传输数据的第三控制帧给所述中继节点；

所述中继节点发送第四控制帧给所述源节点和接收节点，通知所述源节点和接收节点采用网络编码技术传输数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源节点发送请求使用网络编码技术传输数据的第一控制帧给中继节点，包括：

所述源节点广播目的地址为所述中继节点的第一控制帧，且所述第一控制帧携带请求使用网络编码技术传输数据给所述接收节点的信息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中继节点接受使用网络编码技术传输数据的请求，包括：

当所述源节点和所述接收节点之间的数据交互满足预设关系时，所述中继节点接受使用网络编码技术传输数据的请求。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中继节点发送询问接收节点数据传输方式的第二控制帧给所述接收节点，包括：

所述中继节点广播目的地址为所述接收节点的第二控制帧，且所述第二控制帧中携带询问接收节点数据传输方式的信息。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述中继节点广播目的地址为所述接收节点的第二控制帧，之后还包括：

当接收到所述第二控制帧后，所述源节点确定所述中继节点接受自身使用网络编码技术传输数据的请求。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收节点的数据传输方式为使用网络编码技术传输数据，包括：

所述接收节点根据自身缓存中的数据确定有数据发送给所述源节点时，所述接收节点确定数据传输方式为使用网络编码技术传输数据。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收节点发送使用网络编码技术传输数据的第三控制帧给所述中继节点，包括：

所述接收节点广播目的地址为所述中继节点的第三控制帧，所述第三控制帧用于通知所述中继节点采用网络编码技术传输数据，并用于清空所述接收节点周围节点的干扰。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中继节点发送第四控制帧给所述源节点和接收节点，包括：

当接收到所述第三控制帧后，所述中继节点确定所述源节点与所述接收节点之间采用网络编码技术传输数据；并广播目的地址为所述接收节点的第四控制帧，所述第四控制帧用于通知所述源节点和接收节点采用网络编码技术传输数据。

9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，

所述源节点和所述接收节点为同一基本服务集BSS内的客户端设备；所述中继节点为所述BSS内的接入点AP设备。

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