CN102265545A - 基于ofdma的媒体访问控制和用于工业应用的帧结构设计 - Google Patents

Abstract

一网络包括主节点和一组从节点，主节点与该组从节点在子载波上利用正交频分复用(OFDM)和时分多址(TDMA)符号进行通信。主节点利用下行链路和所有子载波向该组从节点广播广播轮询分组，该广播轮询分组包括针对各个从节点的数据分组和用于从节点的子载波分配。响应于接收到该广播轮询分组，各个从节点利用上行链路和所分配的子载波向主节点同时发送响应分组。接着，主节点利用下行链路和所有子载波向该组从节点发送群组确认分组，其中，广播轮询分组、响应分组和群组确认分组在一个通信周期中包括一个超帧，并且其中，下行链路上的广播和在上行链路上的传输在时间上是分开的。

Description

基于OFDMA的媒体访问控制和用于工业应用的帧结构设计

技术领域

本发明总体上涉及无线网络，特别是一种具有可以控制多个从节点的主节点的无线网络。

背景技术

正交频分复用OFDM采用离散的多音调调制。在OFDM中，例如采用一些多进制的正交振幅调制(QAM：Quadrature Amplitude Modulation)或相移键控在很多均匀间隔开的子载波上调制音调。OFDM在任意给定时间都只允许信道上的一个用户(收发器站)以适应多个用户，OFDM系统必须采用时分多址(TDMA)或频分多址(FDMA)。

正交频分复用多址(OFDMA)是OFDM的多用户版本，其允许多个用户同时访问同一信道，其中信道包括一组均匀间隔开的子载波。OFDMA在用户(收发器)中分配子载波，因此多个用户能够在同一个单一的RF信道(TDD)或在多个子信道上的不同的RF信道(FDD)中发送和接收数据。这些子信道还被分割为窄带“音调”组。通常，子信道中的音调的数量取决于该子信道的总带宽。

传统的星型网络包括一个主节点和多个从节点。该主节点与所有从节点通信，而这些从节点仅与主节点通信。这样的网络可以使用正交频分多址(OFDMA)和时分多址(TDMA)符号。

在诸如工厂自动化的需要高可靠性与相对低的等待时间的应用中，需要在给定的等待时间限制(延迟)内撷取来自所有从节点的数据。该等待时间限制等于一个通信周期。

对从节点进行的逐个轮询可能不符合该应用对等待时间要求。

另外，在来自一从节点的传输失败的情况下，在不违反等待时间限制的情况下应该给予该特定从节点重传机会以满足所要求的传输可靠性。

发明内容

因此，根据本发明的实施方式，通过时分多址(TDMA)将下行链路(主节点到从节点)上传输与上行链路(从节点到主节点)上传输分离开来。

由于从节点的传输的正交性，从节点同时进行传输而在不会引发冲突。

本发明还描述了用于上行链路传输和下行链路传输的自适应重传策略以提高给定等待时间限制下的传输可靠性。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的包括一个主节点和N个从节点的星型网络的示意图。

图2是根据本发明一个实施方式的下行链路传输的时分安排的框图。

图3是根据本发明实施方式的广播轮询下行链路传输分组的框图。

图4是根据本发明实施方式的从节点响应上行链路传输分组的框图。

图5是根据本发明实施方式的群组确认(GACK)1和GACK2分组的框图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明实施方式的通信网络100包括一个主节点(主)110和N个从节点(从)120的组。该主节点110是在无线链路(信道)105上的所有通信的协调器，而每一个从节点均具有标识(ID)。介于主节点和从节点之间的链路105a至105N是对称的。换言之，如果主节点120能够成功地对从节点120传输，则从节点120也能够成功地对主节点110传输。因此，各节点均包括无线收发器(发送器和接收器)。

在一个实施方式中，在诸如制造厂或化工厂的工业应用中，从节点包括传感器。

用于主节点与从节点之间的通信的方法可以保证，在每一个通信周期中，主节点110从所有运行的从节点120获得传感器数据的副本。

本发明的实施方式做出以下假设：

所有从节点能够同时发送，这是因为这些从节点使用正交的频率资源。从节点使用的资源包括以下资源中的一个：

a、不同的频率子载波；

b、不同的直接序列扩频(DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum)码；或

c、(a)和(b)。

主节点向各从节点分配该从节点使用的通信资源，这些通信资源包括子载波的数量、使用那些子载波和/或使用那种DSSS码。

从节点至主节点的传输是上行链路传输。

主节点至从节点的传输是下行链路传输，下行链路传输使用所有可用的通信资源(即，子载波)。

下行链路传输和上行链路传输通过时分多址分离开来。换言之，上行链路传输和下行链路传输在时域中是分开的。

根据本发明的一个实施方式，图2显示了一个通信周期(被称为超帧280)内对时间域290中的下行链路传输和上行链路传输的安排。各周期中的超帧280最多包括三次上行链路传输和三次下行链路传输。

下行链路传输包括广播轮询分组200、群组确认(GACK-1)分组220和GACK-2分组240。上行链路传输包括从节点响应210、第一从节点响应重传(Retx-1)分组230和第二从节点响应重传(Retx-2)分组250。如图2所示，这六次传送的顺序是：广播轮询分组200、从节点响应210、GACK-1分组220、Retx-1分组230、GACK-2分组240以及Retx-2分组250。在两次连续的传输之间，存在被称为转变时间295的固定时间间隔，该固定时间间隔使得收发器能够在发送模式和接收模式之间切换。

超帧280从主节点对下行链路广播轮询和资源分配分组200的广播开始。该分组200使用通信资源发送，使得所有从节点在理想信道的情况下均能够成功地将该分组解码。例如，在多载波通信系统的情况中，该广播轮询分组200可以使用所有的子载波。将所有资源都用于下行链路传输提高了从节点能够可靠接收的概率。

如图3所示，广播数据包包括前导码205、物理层控制报头280和有效载荷285。

前导码P 205。各前导码均由三个OFDM符号组成，并且前导码P 205占用等于35.7μs的固定时间间隔。该前导码用于信号探测、频率偏置消除、时间同步以及信道估计。

物理层控制报头(PCH)280。PCH包括站状态信息ST1210和ST2215、用于活动的和重传从节点的位图220、功率控制指示(PCI)221以及过渡消息(transientmessage)指示标记(T)222。为了高可靠性，通过包括针对广播轮询分组200的PHY控制报头的循环冗余校验CRC0225，以高冗余水平将该PCH信息编码。各个PCH均包括65个信息比特(编码之前)。位图字段220用来指示哪些从节点被要求对该广播轮询分组200做出响应。如果存在N个从节点，则该位图字段包括至少N个比特，每个比特用作相应的从节点的响应请求标记。例如，具有ID5的从节点可以检验该位图字段中的第5个比特以确定其是否需要对广播轮询分组做出响应。在字段ST1或ST2中，可以嵌入包括主节点ID、超帧周期的类型(例如，关联周期、更新周期、定期轮询周期等)的一些信息。

广播分组200还包含有效载荷部分285，该有效载荷部分包括具有CRC 235和245的下行链路从节点数据230和240、具有CRC 255的下行链路临时数据250以及具有CRC 265的资源分配260。特别地，该广播分组200的有效载荷中的字段详述如下：

从节点1数据230：该字段承载用于从节点1的数据。

CRC 1225：从节点1数据230的循环冗余校验。

从节点N数据240：该字段承载用于从节点N的数据。

CRC N 245：从节点N数据240的循环冗余校验。

临时数据250：广播轮询数据包200承载针对特定从节点的过渡消息。该字段包含该过渡消息。该过渡消息250使主节点110有机会向特定从节点发送批量数据、控制和配置命令以及由于太大而使轮询数据包200的从节点数据部分230容纳不下的其它数据。

CRC T 245：临时数据250的循环冗余校验。

资源分配(从节点1至N)260：该字段用于向各个从节点告知什么通信资源(如频率子载波)用于该从节点的响应分组210的传输。

CRC T 265：资源分配的循环冗余校验。

由于存在针对各个从节点数据的单独CRC，所以特定从节点在收到听到广播轮询分组后仅需要验证其自身数据部分的CRC。只要对报头的CRC校验和对其自己的数据部分的CRC校验是正确的，则该从节点就认为成功地接收了该广播轮询分组。

MAC分组的有效载荷的长度可以根据活动的和重传从节点的数量以及分组中是否包含有过渡消息而发生变化。在一特定实现中，PHY控制报头280的设置如表1所示。

表1

主节点还设定定时器205以指示从节点响应时段的结束。如图4所示，在接收到广播轮询分组200以后，各个从节点均向主节点发送响应分组。各从节点应响应分组310均包含有如图4示出的以下字段。

前导码P 400：用于信道估计的时域导频或训练信号。在本发明的特定实现中，一个OFDM符号用于时域导频，具有11.9μs的固定时间间隔。

有效载荷数据410：各从节点的上行链路响应分组210的有效载荷包括Rx420、RWr430、消息440以及CRC 450。在根据本发明的一特定实现中，这些字段的设置在表2中给出。

表2

在广播了分组200后，主节点110等待响应时段定时器205终止。一旦定时器205终止，主节点对成功接收到的从节点响应210进行处理。主节点广播GACK 220。

主节点还设定第二定时器215，该第二定时器215是GACK时段定时器。由于正交的传输资源(频率子载波等)，从节点IDs隐含地为主节点所知。因此，在上行链路分组210、230、250中没有传送从节点ID。

下行链路GACK 220{220.240}分组包括如图5示出的以下字段。

前导码P 500：各个前导码均由一定数量个OFDM符号组成，并占用固定的时间间隔。该前导码用于信号探测、频率偏置消除、时间同步和信道估计。在本发明的一个实现中，三个OFDM符号被用于前导码，使得前同步码长度为35.7μs。

物理层控制报头(PCH)580：该PCH包括站状态信息ST1 510和ST2515、活动/重传从节点的位图520、过渡消息指示标记(T)525，该过渡消息指示标记用以告知从节点在分组{220，240}中重传了过渡消息。为了高可靠性，该PCH信息采用高冗余水平进行编码。换言之，PCH 580以CRC0 526结束。

PCH 580包括一定数量的信息比特(编码之前)。在一特定实现中，该PCH的长度为65个比特。位图字段520用于指示哪些从节点需要重传其数据。如果存在N个从节点，则位图字段包括至少N个比特，每个比特均充当其对应的从节点的重传请求标记。例如，具有ID5的从节点可以检验该位图字段520中的第5个比特以确定是否需要向主节点重传其数据。

CRC0 526是GACK 1220分组和GACK 2240分组中的PHY控制报头的循环冗余校验。在字段ST1或ST2，可以嵌入包括主节点ID、超级帧周期的类型(例如，关联周期、更新周期、定期轮询周期等)的一些信息。

在一些实现中，可以略去ST1或ST2或两者。ST1 510和ST2 515可以用来传送主节点ID以将GACK分组{220，240}同由另一个网络中的任意其他主节点或者同一网络中的备用主节点所发送的分组区别开来。

下行链路重传数据{530至540}：在广播轮询分组300中，针对从节点120广播数据。如果被主节点预期在响应时段305期间做出响应的从节点未能发送响应信号，则该主节点假设这些从节点没有在广播轮询分组300中接收到它们的数据。因此，广播轮询分组中针对这些从节点的的数据被复制并在GACK分组320中的这个分配的字段820中被重传。

重传的从节点的资源分配830：在该字段中，向从节点报告用于它们的重传的资源分配。已成功地发送了响应的从节点释放它们的通信资源(例如，OFDM子载波、频率信道等)，以让那些失败的从节点在重传中使用。主节点110在失败的从节点中分配可用的资源以提高它们在第一GACK时段215和第二GACK时段225中重传成功的机会。

CRC 560：为了可靠性，向资源分配字段添加循环冗余校验。

在接收下行链路GACK分组220之后，从节点首先校验位图字段520和针对其自身的对应比特的值。如果该比特指示需要该特定从节点重传，则该从节点发送“Rtx-1响应”分组230，该分组230是该从节点的原始响应210的副本。在GACK时段215期间，主节点对成功接收到的从节点响应的记录进行持续的更新。

在GACK时段定时器终止后，主节点110通过准备和发送第二GACK 240而向那些重传失败的从节点请求第二次重传，并接着设定GACK2时段终止定时器225。该第二GACK 240的结构与第一GACK 220的结构相同。

一旦接收到第二GACK 240，已在GACK间隔215中进行了重传的从节点对GACK2分组240的位图510进行校验以确定主节点是否在第一GACK间隔215期间成功地接收了它们的重传。如果位图520指示了那些需要第二次重传数据的从节点，则这些从节点重传它们的响应分组210。

在GACK2时段225末尾，主节点110具有以下信息。从当前的超帧内成功发送响应的从节点的标识。由被成功接收的从节点发送的数据。

以s_i表示从节点i(1≤i≤N)，其中N是从节点的总数。S_M表示主节点成功接收到响应的从节点的组，并且S_N表示网络中的所有从节点的组。在GACK分组220中，主节点在位图520中指出，属于组S_R的从节点需要进行重传，其中

S_R＝{s_i∈(S_N-S_M)，1≤i≤N}

在GACK-1间隔215末尾，一些从节点可能已经传送其响应210失败。以S_R2表示失败的从节点的组。接着，主节点在第二GACK的位图中指出属于组S_R2的从节点。接着，从节点s_i∈S_R2(1≤i≤N)重传250它们的原始响应210。

尽管参考某些优选实施方式描述了本发明，但应当理解，在本发明的精神和范围内，可以进行各种其他改变和修改。因此，所附权利要求书的目的是涵盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这种变形和修改。

Claims (13)

1.一种在包括主节点和一组从节点的网络中进行通信的方法，其中所述通信在子载波上使用正交频分复用(OFDM)和时分多址(TDMA)符号，该方法包括：

利用下行链路和全部所述子载波，从所述主节点向所述一组从节点广播广播轮询分组，所述广播轮询分组包括针对各个从节点的数据分组和所述从节点的子载波分配；

在接收到所述广播轮询分组后，利用上行链路和所分配的子载波，从各个从节点向所述主节点同时发送响应分组；以及

利用下行链路和全部所述子载波，从所述主节点向所述一组从节点广播群组确认分组，其中，所述广播轮询分组、所述响应分组和所述群组确认分组在一个通信周期中包括一个超帧，并且其中，下行链路上的广播和上行链路上的发送在时间上分开。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，各个从节点均具有唯一的标识(ID)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，各个从节点均包含传感器并且在工业应用中工作。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述广播轮询分组还包括：由三个所述OFDM和TDMA符号组成的前导码；物理层控制报头；以及有效载荷。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述物理层控制报头还包括：主节点与从节点状态信息；指示哪些从节点需要响应所述广播轮询分组的位图字段；功率控制指示符字段；过渡消息指示符字段；以及循环冗余校验。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述过渡消息指示符字段包括：过渡消息指示符字段；以及所述过渡消息响应的所述从节点的ID。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述广播轮询分组的有效负荷包括：各个活动从节点的从节点数据；各个从节点数据的循环冗余校验；过渡消息；所述过渡消息的循环冗余校验；从节点的资源分配；以及所述资源分配的比特的循环冗余校验。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主节点设定定时器以指示从节点响应时段的结束。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，各个响应分组均包括导频信号和有效载荷数据。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超帧还包括：未能响应所述广播轮询分组的从节点的第一重传数据；与所述重传数据相对应的第一重传响应分组；以及针对所述第一重传分组的所述群组确认分组。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述超帧还包括：未能响应所述第一重传数据的从节点的第二重传数据；以及与所述第一重传数据相对应的第二重传响应分组。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述群组确认分组还包括：物理层控制报头；所述一组从节点的下行链路重传数据；资源分配信息；以及循环冗余校验。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述物理层控制报头包括：主节点与从节点状态信息(ST1、ST2)；指示需要进行上行链路重传的所述从节点的索引的位图；过渡消息重传字段；以及循环冗余校验。

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