CN102264078B

CN102264078B - 无线局域网基础结构模式中隐藏终端现象的处理方法

Info

Publication number: CN102264078B
Application number: CN 201110218077
Authority: CN
Inventors: 王文杰; 武俊超; 王慧明; 穆鹏程
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-08-01
Also published as: CN102264078A

Abstract

本发明公开了一种无线局域网基础结构模式中隐藏终端现象的处理方法，其特征在于本发明使用波束切换型智能天线将无线接入点(AP)覆盖的空间分成N个波束，采用时分复用(TDMA)的方法使无线接入点依次覆盖N个波束内的用户。某一时刻只有一个波束内的用户可以请求发送数据，而其他波束内的用户在这一时刻处于阻塞状态，不能请求发送数据，使得每一时刻参与竞争的用户数目减少到原有的N分之一，缓解基础结构(Infrastructure)模式网络中的隐藏终端现象。

Description

无线局域网基础结构模式中隐藏终端现象的处理方法

技术领域

本发明涉及无线局域网中的基础结构(Infrastructure)模式的网络技术，具体涉及使用时分复用(TDMA)、波束切换天线的思想来处理基础结构(Infrastructure)模式网络中隐藏终端现象的方法。

背景技术

无线局域网在我们日程生活中的应用已经无处不在，是一种相当便利的数据传输系统，它由拥有网卡的终端和无线接入点(AP)组成，可以构成点对点(Ad-Hoc)模式网络，也可以通过无线接入点为中心组成基础结构(Infrastructure)模式网络。

隐藏终端(Hidden Stations)现象是指：在通信领域，基站A向基站B发送信息，基站C未侦测到A向B发送信息，也向B发送信息，故A和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。隐藏终端现象多发生在大型单元中(一般在室外环境)，这将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝隐藏终端现象的发生。

隐藏终端现象对于点对点模式网络影响是巨大的，在点对点模式网络中频繁的发生隐藏终端冲突会导致整个网络的吞吐量降低，效率大幅下降。现有的方法中提出了很多解决点对点模式网络隐藏终端现象的方法，但是对于无线局域网802.11协议中提到的另一种组网方式——基础结构(Infrastructure)模式——中可能存在的隐藏终端现象却一直没有很好的解决方法。

无线局域网基础结构(Infrastructure)模式是在一种整合有线与无线局域网架构的应用模式，与点对点(Ad-Hoc)模式不同的是配备无线网卡的电脑必须通过无线接入点(AP)来进行无线通讯，设置后，无线网络设备就必须有无线接入点来沟通，通过“无线接入点和无线网卡”这种构架模式，即可实现网络资源的共享。但就目前无线接入点的适用范围来说，一般情况都是在家庭、办公室内，使用一个无线接入点实现多个电脑的同时接入。一个无线接入点的覆盖范围一般几十米到一百米不等，在这个相对较小的范围内用户数不太多，这时各个用户终端之间争用信道的情况并不会太严重，因此隐藏终端现象在这种基础结构模式的网络构架中显得不那么明显。但是当我们想要让无线接入点覆盖更大的范围，一方面我们需要提高无线接入点自身的发射功率以提升覆盖范围，另一方面随着覆盖范围的增加，用户终端也会增加。在这种情况下两个用户或多个用户之间在同一时间由于种种原因没有听到别的终端需要和无线接入点通信，就会同时发出数据从而在无线接入点处发生碰撞，使得整个网络的吞吐量大幅下降。这种冲突会随着网络覆盖范围增大儿越来越明显，最终会导致整个网络瘫痪而不能继续使用。所以我们在要求一个无线接入点覆盖范围和接入用户增加的同时，也就引入了基础结构模式网络中本身并不明显的隐藏终端现象。

发明内容

针对基础结构(Infrastructure)模式网络数据传输过程中的隐藏终端现象，本发明提出了一种基于时分复用(TDMA)、波束切换型智能天线的技术手段来解决基础结构模式网络中由于无线接入点覆盖范围增大、接入用户数增多而带来的隐藏终端信号冲突问题的方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种无线局域网基础结构模式中隐藏终端现象的处理方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)硬件设施，设置包括一个天线阵列负责与用户之间的信号的定向接收和发送、一个全向天线负责与所有用户之间的信号的全向接收与发送、一个接受天线阵列及全向天线信号的智能AP控制子系统和一个向所有用户发送阻塞信号的无线接入点，该无线接入点将指示信号发送给智能AP控制子系统，智能AP控制子系统接受指示信号，并控制天线阵列进行波束切换；其中，阻塞信号包括初始化CTS帧、第一阻塞CTS帧、第二阻塞CTS帧；指示信号包括RTS帧指示信号，CTS帧指示信号，和业务帧指示信号；

(2)智能AP控制子系统设定主波束为波束B；

(3)无线接入点检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤(12)；如果没有下行数据发送，则执行步骤(4)；

(4)无线接入点生成一个持续时间字段为(N-1)T的初始化CTS帧，并由智能AP控制子系统控制其使用全向天线发送；

(5)无线接入点依次生成(N-1)个特定持续时间字段的第一阻塞CTS帧，并由智能AP控制子系统控制其使用天线阵列切换波束依次发送给除去主波束外的其他波束内的用户；

(6)智能AP控制子系统将天线阵列的波束切换到波束B，并持续X时间，无线接入点在这段时间内检测是否有用户上行数据需要接收：如果有上行数据需要接收，则执行步骤(7)；如果没有上行数据需要接收，则执行步骤(10)；

(7)无线接入点接收用户发送的上行数据；

(8)无线接入点检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤(12)；如果没有下行数据发送，则执行步骤(9)；

(9)智能AP控制子系统设主波束为B＝(B+1)％N，之后执行步骤(4)；

(10)无线接入点检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤(12)；如果没有下行数据发送，则执行步骤(11)；

(11)无线接入点生成一个特定持续时间字段的第二阻塞CTS帧，智能AP控制子系统控制其使用天线阵列的波束B发送此帧，并设主波束B＝(B+1)％N，之后执行步骤(6)；

(12)无线接入点发送下行数据，智能AP控制子系统设定主波束B＝(B+1)％N，之后执行步骤(3)。

上述方案中，所述的下行数据发送的方法为：

先由无线接入点发送一个RTS帧给需要数据的用户终端；用户终端收到RTS帧后，回复一个CTS帧，这时智能AP控制子系统通过对收到的CTS帧进行分析判断，确定用户方向，并将天线波束切换到用户的方向上进行数据发送。

所述的上行数据接收的方法为：无线接入点主动生成初始化CTS帧阻塞所有用户，然后再给除了主波束外的其他波束内用户发送第一阻塞CTS帧，让主波束中的用户的阻塞时间最先结束，而此时其他波束中的用户还处在第一阻塞CTS帧的阻塞当中，以此类推，在N个波束内循环该上行数据接收的方法，让每个波束处理数据的时候其他波束都处在阻塞状态，在每个波束内都只等待一个特定的时间X，这个时间内如果没有用户上行数据则直接进入下一个波束，如果有用户上行数据则进入正常的处理数据过程，波束的切换和停留是由智能AP控制子系统完成的。

本发明的技术思路是使用波束切换型智能天线将无线接入点(AP)覆盖的空间分成N个波束，采用时分复用(TDMA)的方法使无线接入点依次覆盖N个波束内的用户。某一时刻只有一个波束内的用户可以请求发送数据，而其他波束内的用户在这一时刻处于阻塞状态，不能请求发送数据，使得每一时刻参与竞争的用户数目减少到原有的N分之一，缓解基础结构(Infrastructure)模式网络中的隐藏终端现象。

与现有方法相比，本方法的优点是：

此方法的优点是将无线接入点(AP)覆盖的空间范围人为地分成N个波束，在每一时刻只允许一个波束内的用户终端竞争上行数据信道，即减少了可能产生隐藏终端的用户数目。例如无线接入点覆盖空间范围内总共有400个用户，如果我们直接使用无线接入点覆盖来组建基础结构模式网络有可能会因为隐藏终端太多而频繁的发生碰撞导致网络崩溃而根本无法使用。如果我们使用10个波束分割覆盖空间，那么某一时刻参与竞争的用户终端就仅仅只有40个，就可以大大的减少隐藏终端的数目，是的网络基本正常的运行。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明；

图1为介质访问控制(MAC)层中的允许发送(CTS)帧格式；

图2为实现本发明方法的硬件系统整体框图；

图3为本发明方法的执行流程图；

图4为处理上行链路数据时等待波束中没有用户传输数据的时序图；

图5为处理上行链路数据时等待波束中有用户传输数据的时序图；

具体实施方式

具体实施方式中有如下名词需要提前说明：

RTS(Request To Send)/CTS(Clear To Send)帧：这两种帧格式是802.11协议中请求发送/允许发送协议里面特定的两种帧格式。

无线接入点(AP)生成的“初始化CTS帧”、“第一阻塞CTS帧”、“第二阻塞CTS帧”：这三个CTS帧是由无线接入点生成的，是无线接入点主动发送用来阻塞波束中用户终端的请求，但是它们的作用并不相同，在方法步骤中有具体的说明。

允许发送(CTS)帧的持续时间(Duration)字段：CTS帧介质访问控制(MAC)层帧格式如图1所示，其中持续时间是CTS帧的一个字段，可以在无线接入点生成的同时填写所需要的持续时间。CTS帧的持续时间字段可以更改用户的网络分配矢量(NAV)，从而推后用户竞争信道的时间。我们利用写入了特定持续时间的CTS帧就可以达到阻塞特定波束中用户发送上行数据的目的。

RTS帧指示信号，CTS帧指示信号，业务帧指示信号：指示信号的作用是在无线接入点发送请求发送/允许发送帧或业务帧的同时，给智能AP控制子系统发送不同的高低电平的组合，告知智能无线接入点控制子系统接下来收到的帧是无线接入点发送的发送请求发送/允许发送帧或业务帧。

上行数据、下行数据：我们规定由用户终端向无线接入点发送的数据为上行数据，而从无线接入点发送给用户终端的数据定义为下行数据。

主波束：表示无线接入点在接收上行数据时最先接收此波束用户的数据请求。

时间常数T、X：T表示无线接入点发送一个CTS帧所需要的时间；X表示无线接入点接收用户上行数据时在每一个波束中等待的时间。

波束代号B：表示系统N个波束中任意一个。

完成本发明方法所需的硬件系统框图如图2所示。

此系统由三部分组成：天线部分包括一个可在N个波束间进行切换的天线阵列5、波束成形网络4，一个开关阵列3和一个全向天线7；一个智能无线接入点(AP)控制子系统1；一个无线接入点2。

天线部分的全向天线7负责与所有一个波束内的用户6之间的信号的全向接收发送；天线阵列5负责与一个波束内的用户6之间的信号的定向接收和发送。

天线部分的波束成形网络4使得天线阵列5产生不同方向的波束，并由开关阵列控3制接入智能AP控制子系统1或者无线接入点2。

智能AP控制子系统1完成两个任务：

1.对从天线阵列5接收到的信号进行分析处理，判断信号的方向，并产生开关阵列3的控制信号使天线阵列5的波束切换到需要的方向。

2.接收由与无线接入点2发送的RTS帧指示信号，CTS帧指示信号，业务帧指示信号，并结合从天线阵列5接收信号的判断产生开关阵列3控制信号，使天线阵列5的波束切换到需要的方向。

无线接入点2完成两个任务：

1.无线接入点2需要生成三种类型的CTS帧：“初始化CTS帧”、“第一阻塞CTS帧”、“第二阻塞CTS帧”，用来主动阻塞用户；

2.无线接入点2在发送CTS帧，请求RTS帧，业务帧的同时能够生成相应的指示信号。

本发明方法的执行流程如图3所示。

具体步骤如下：

(1)智能AP控制子系统1设定主波束为波束B；

(2)无线接入点2检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤(11)；如果没有下行数据发送，则执行步骤(3)；

(3)无线接入点2生成一个持续时间字段为(N-1)T的初始化CTS帧，并由智能AP控制子系统1用全向天线发送；

(4)无线接入点2依次生成(N-1)个特定持续时间字段的第一阻塞CTS帧，并由智能AP控制子系统1产生开关阵列3控制信号控制天线阵列5切换波束依次发送给除去主波束外的其他波束内的用户；

(5)智能AP控制子系统1将天线阵列5的波束切换到波束B，并持续X时间，无线接入点2在这段时间内检测是否有用户上行数据需要接收：如果有上行数据需要接收，则执行步骤(6)；如果没有上行数据需要接收，则执行步骤(9)；

(6)无线接入点2接收用户发送的上行数据；

(7)无线接入点2检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤(11)；如果没有下行数据发送，则执行步骤(8)；

(8)智能AP控制子系统1设主波束为B＝(B+1)％N，之后执行步骤(3)；

(9)无线接入点2检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤(11)；如果没有下行数据发送，则执行步骤(10)；

(10)无线接入点2生成一个特定持续时间字段的第二阻塞CTS帧，智能AP控制子系统1产生开关阵列3控制信号控制天线阵列5用主波束B发送此帧，并设主波束B＝(B+1)％N，之后执行步骤(5)；

(11)无线接入点2发送下行数据，智能AP控制子系统1设定主波束B＝(B+1)％N，之后执行步骤(2)。

上述是整体的执行步骤，在无线接入点2具体的接收发送数据过程中，我们分为下行发送数据的方法和上行接收数据的方法分别进行更详细的说明。

无线接入点2发送下行数据的方法：

1.无线接入点2自身检测有数据需要发送给用户终端，进行发送过程

2.智能无线接入点AP控制子系1统产生开关阵列3控制信号控制天线部分使用全向天线7连接无线接入点2，使其全向发送一个RTS帧。无线接入点2同时向智能无线接入点AP控制子系1统发送RTS帧指示信号。

3.RTS帧目的地址对应的用户终端收到RTS帧后，用户终端全向发送CTS帧争用信道，智能无线接入点AP控制子系统1通过天线阵列5来接收用户终端发来的CTS帧，通过分析判断用户终端方向，并产生开关阵列3控制信号控制天线阵列5的波束切换到已经判断过的用户终端所在的波束方向进行业务帧发送。

4.无线接入点2在有下行数据发送时，一直执行上述过程，而不进行上行数据的处理；如果某一时刻没有下行数据发送，则进入上行数据接收的处理过程。

无线接入点2接收上行数据的方法：

由于上行数据发送过程中存在用户终端彼此听不到对方，而存在彼此争用信道产生的隐藏终端现象，我们这里的思想是用波束智能天线将空间分为N等分，让每一个波束中的用户依次执行上行数据的发送。这样一来我们就将整个空间的所有用户分配到了每个波束当中，大大减少了某一时刻需要发送上行数据的用户终端数，从而减少了隐藏终端现象发生的可能性。

此方法的关键是需要无线接入点2能够主动生成我们所需要的不同持续时间(Duration)字段的CTS帧。在802.11协议规定中，CTS帧的作用是通过修改用户终端的网络分配矢量(NAV)等待时间来告知用户信道正处于忙状态，而不参与竞争信道。我们需要在某一个天线波束中的用户终端上行竞争信道传输数据时，其他波束中的用户终端处在阻塞的状态而不能参与上行信道的竞争。为了达到上述目的，我们在生成CTS帧的持续时间(Duration)字段写入不同的持续时间。具体步骤为：

1.无线接入点2首先生成“初始化CTS帧”，写入的持续时间(Duration)字段为(N-1)T。智能AP控制子系统1产生开关阵列3控制信号控制全向天线7与无线接入点2连接，并发送初始化CTS帧。发送初始化CTS帧是为了让无线接入点2接下来依波束发送“第一阻塞CTS帧”时，其他波束的用户不会请求发送数据来争用信道。这一步骤的目的是让主波束B中的用户终端处于(N-1)T时间的阻塞，而在这段时间智能AP控制子系统1控制天线阵列5刚好在其他的(N-1)个波束内分别发送完成各自的第一阻塞CTS帧，用时总共恰好(N-1)T。

2.无线接入点2发送完初始化CTS帧后，就可以开始生成第一阻塞CTS帧并由智能无线接入点AP控制子系统1控制天线阵列5发送了。我们定义波束B为主波束，然后AP依次生成(N-1)个持续时间(Duration)字段不同的第一阻塞CTS帧，分别写入的持续时间字段为(N-2)T+X+T，(N-3)T+2(X+T)，(N-4)T+3(X+T)，……，(N-1)*(X+T)，依次由波束2到波束N(次波束)发送，总共耗时为(N-1)T。

3.无线接入点2发送完所有第一阻塞CTS帧后，各个波束中用户的网络分配矢量(NAV)被更新。而主波束B中由于没有发送第一阻塞CTS帧，波束内用户的网络分配矢量(NAV)为初始化CTS帧设定的(N-1)T，所以发送完成所有其他波束的第一阻塞CTS帧后，主波束B的持续时间也同时结束，波束内的用户开始竞争信道，而此时其他波束内的用户还处在阻塞状态。智能无线接入点AP控制子系统1产生开关阵列3控制信号控制天线阵列5将波束切换到主波束B方向，在主波束B中持续X时间，等待其中的用户传输上行数据。

4.天线波束在主波束B中持续的X时间内会有两种情况：一种情况是智能无线接入点AP控制子系统1控制天线阵列5在主波束B内持续X时间，但一直没有数据需要传输或者是传输过程遭遇碰撞；另一种情况则是智能无线接入点AP控制子系统1控制天线阵列5在主波束B内持续X时间，成功的接收了用户传输的上行数据。第一种情况则执行步骤5，第二种情况则执行步骤6。

5.这种情况下从步骤1开始的时序图如图4所示，智能无线接入点AP控制子系统1产生开关阵列3控制信号控制天线阵列5波束B与无线接入点2相连接，发送第二阻塞CTS帧，并将持续时间(Duration)字段等待时间为(N-1)*(X+T)。无线接入点2发第二阻塞CTS帧的目的是让波束B的阻塞时间最长，从而排到所有等待波束的最后。智能无线接入点AP控制子系统1控制天线阵列5在波束(B+1)等待X时间，如果在这X时间内还是没有数据传输，则智能无线接入点AP控制子系统1产生开关阵列3控制信号控制天线阵列5波束(B+1)与无线接入点2相连接，给波束(B+1)发送第二阻塞CTS帧”，并将持续时间(Duration)字段等待时间为(N-1)*(X+T)。依次类推，在各个波束之间循环发送第二阻塞CTS帧，等待数据的处理。这个过程中某一个波束内等待时间X内一旦有用户上行数据需要接收，则执行步骤6。

6.这种情况下有步骤1开始的时序图如图5所示，智能无线接入点AP控制子系统1控制天线阵列5在波束内等待X时间，有用户终端有上行数据需要处理，那么用户终端向无线接入点2发送RTS帧，如果没有与此波束内的其他用户发生碰撞，无线接入点2用全向天线回复一个CTS帧，在这个CTS帧持续时间(Duration)字段会写入与要传输数据相关的持续时间，从而刷新空间各个波束内用户网络分配矢量(NAV)。智能无线接入点AP控制子系统1会根据无线接入点2发来的指示信号，将天线波束维持在主波束方向上不动，直到用户的业务帧发送完成。等待波束内用户完成数据传输后，智能无线接入点AP控制子系统1切换主波束为B＝(B+1)％N，重新执行步骤1。

无线接入点2接收上行数据和发送下行数据传输之间的切换的方法：

1.我们规定在无线接入点2在正常情况下是一直执行下行数据的发送，当某一时刻在没有下行数据发送的情况，系统进入用户上行数据的接收过程。

2.在下行数据接收过程中，当步骤5主波束等待X时间内没有上行数据接收或者步骤6中成功有上行数据接收这两种情况发生，我们都立即检测此时无线接入点2是否有下行数据发送，如果有数据发送，那么执行下行数据发送，如果没有，则继续执行上行数据接收的方法步骤。

Claims

1.一种无线局域网基础结构模式中隐藏终端现象的处理方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）硬件设施，设置包括一个天线阵列负责与用户之间的信号的定向接收和发送、一个全向天线负责与所有用户之间的信号的全向接收与发送、一个接受天线阵列及全向天线信号的智能AP控制子系统和一个向所有用户发送阻塞信号的无线接入点，该无线接入点将指示信号发送给智能AP控制子系统，智能AP控制子系统接受指示信号，并控制天线阵列进行波束切换；其中，阻塞信号包括初始化CTS帧、第一阻塞CTS帧、第二阻塞CTS帧；指示信号包括RTS帧指示信号，CTS帧指示信号，和业务帧指示信号；

（2）智能AP控制子系统设定主波束为波束B；

（3）无线接入点检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤（12）；如果没有下行数据发送，则执行步骤（4）；

（4）无线接入点生成一个持续时间字段为（N-1）T的初始化CTS帧，并由智能AP控制子系统控制其使用全向天线发送；

（5）无线接入点依次生成（N-1）个特定持续时间字段的第一阻塞CTS帧，并由智能AP控制子系统控制其使用天线阵列切换波束依次发送给除去主波束外的其他波束内的用户，具体为：AP依次生成(N-1)个持续时间字段不同的第一阻塞CTS帧，分别写入的持续时间字段为(N-2)T+X+T，(N-3)T+2(X+T)，(N-4)T+3(X+T)，……，(N-1)*(X+T)，依次由第2个波束到第N个波束发送，总共耗时为(N-1)T；

（6）智能AP控制子系统将天线阵列的波束切换到波束B，并持续X时间，无线接入点在这段时间内检测是否有用户上行数据需要接收：如果有上行数据需要接收，则执行步骤（7）；如果没有上行数据需要接收，则执行步骤（10）；

（7）无线接入点接收用户发送的上行数据；

（8）无线接入点检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤（12）；如果没有下行数据发送，则执行步骤（9）；

（9）智能AP控制子系统设主波束为B=(B+1)%N，之后执行步骤（4）；

（10）无线接入点检测自身是否有下行数据需要发送：如果有下行数据需要发送，则执行步骤（12）；如果没有下行数据发送，则执行步骤（11）；

（11）无线接入点生成一个特定持续时间字段的第二阻塞CTS帧，智能AP控制子系统控制其使用天线阵列的波束B发送此帧，并设主波束B=(B+1)%N，具体为：AP控制子系统产生开关阵列控制信号控制天线阵列波束B与无线接入点相连接，发送第二阻塞CTS帧，并将持续时间字段等待时间为(N-1)*(X+T)，之后执行步骤（6）；

（12）无线接入点发送下行数据，智能AP控制子系统设定主波束B=(B+1)%N，之后执行步骤（3）；

T表示无线接入点发送一个CTS帧所需要的时间；X表示无线接入点接收用户上行数据时在每一个波束中等待的时间；N表示系统波束的个数。

2.如权利要求1所述的无线局域网基础结构模式中隐藏终端现象的处理方法，其特征在于，所述的下行数据发送的方法为：

3.如权利要求1所述的无线局域网基础结构模式中隐藏终端现象的处理方法，其特征在于，所述的上行数据接收的方法为：无线接入点主动生成初始化CTS帧阻塞所有用户，然后再给除了主波束外的其他波束内用户发送第一阻塞CTS帧，让主波束中的用户的阻塞时间最先结束，而此时其他波束中的用户还处在第一阻塞CTS帧的阻塞当中，以此类推，在N个波束内循环该上行数据接收的方法，让每个波束处理数据的时候其他波束都处在阻塞状态，在每个波束内都只等待一个特定的时间X，这个时间内如果没有用户上行数据则直接进入下一个波束，如果有用户上行数据则进入正常的处理数据过程，波束的切换和停留是由智能AP控制子系统完成的。