CN102271403B

CN102271403B - 一种超高速无线个域网多信道复用方法

Info

Publication number: CN102271403B
Application number: CN201110211641.8A
Authority: CN
Inventors: 徐平平; 徐祎志; 唐朋成
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: CN102271403A

Abstract

本发明公开了一种超高速无线个域网多通道复用方法，属于无线通信技术领域。本方法在不改变信标期占据时间周期长短的前提下，将原有的无竞争接入的时隙分配时间段修改为信道切换期和监测期。记除主信道外的第二信道为次信道，其信标期和主信道的信标期同步。源设备和目的设备在个域网控制节点检测到次信道空闲后切换至次信道通信；待次信道到达信道切换开始时刻，若源设备和目的设备向个域网控制节点发送的信息表明二者不宜在次信道中通信，则源设备和目的设备切换回主信道通信。本方法充分利用空闲信道，获得多频带复用机制下的系统吞吐量的增益。

Description

一种超高速无线个域网多信道复用方法

技术领域

本发明涉及一种超高速无线个域网多信道复用方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线个域网（WPAN）是一种将诸如个人电脑、打印机、存储设备、数码相机、高清数字电视（HDTV）等设备连接起来的短距离（小于10米）通信无线网络。由于无压缩高清视频和大容量数据文件（例如高清图片无损音乐等）的传输需要吉比特每秒（Gbps）级的的传输速度，所以需要提高短距离无线链路的数据传输速率。当前的无线技术（例如UWB、蓝牙、IEEE802.11n等）支持的速率都低于1Gbps，所以不适合应用到这些场景中。因此众多国家和区域相继在60GHz附近划分出5～9GHz的未授权连续频段作此用途，中国也开放了59-64GHz频段。巨大的可利用带宽资源是实现Gbps级超高速无线传输的基础。

60GHz毫米波技术能够适用于速率为Gbps级的WPAN主要有下面几个原因：①在57-66GHz频段有较宽的连续性未授权频段，这可以使得在可用带宽内以高速速率传输;②60GHz信号的高路径衰耗特性导致室内毫米波信号的有效范围一般被限制在数米以内，如果室内障碍物较多，则可能范围更小。这使得该技术仅适用于室内无线个域网的应用;③由于毫米波的波长为5毫米左右，多个天线单元的配置不会造成过大的终端尺寸。而多个天线单元也便利了波束形成（beamforming,BF）技术，从而极大地改善通信链路质量，有效地扩展通信范围。

在信道使用上，IEEE802.11ad标准采用固定信道分配，即在某时刻某一个域网实体只在一个固定信道内进行通信。当有其它信道未被占用时，即该信道空闲时，该信道并不能被当前个域网所用，使得整个系统的信道利用率较低。而网络吞吐量也有进一步提升的空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提出了一种超高速无线个域网多信道复用方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种超高速无线个域网多信道复用方法，包括如下步骤：

步骤1，在不改变信标期时间周期长短的前提下，将主信道信标期末端的无竞争接入的时隙分配时间段修改为信道切换期和监测期，

所述监测期基本结构包括轮询帧(pollframe)和轮询帧反馈(pollframeresponse)；

所述轮询帧(pollframe)包括状态(Status)、请求(Request)、帧校验序列(FCS)；

所述轮询帧反馈(pollframeresponse)包括：源设备MAC地址(SA)、目的设备MAC地址(DA)、信道监控期的开始时间(ChannelSwitchStartTime)、有效的信道切换时间(BIID)、个域网控制节点或者接入节点要求处在次信道中的设备采取的行动命令(Command)、次信道信标期开始的子信标偏移(Sub-beaconoffset)、处在次信道中设备的信道时间分配(CTA)、帧校验序列(FCS)；

所述个域网控制节点或者接入节点要求处在次信道中的设备采取的行动命令(Command)包括：保持(keep)，尝试恢复(recovery)，退回到主信道(quitbackfromSCtoPC)；

步骤2，源设备和目的设备在主信道中通信；

步骤3，个域网控制节点或者从属设备扫描其它信道；

若有空闲信道，个域网控制节点广播信标告知源设备和目的设备切换至空闲信道通信，并将该信道定义为次信道，次信道的信标期和主信道的信标期同步；

所述次信道的信标期包括子信标期、服务期、无效期，其中，所述子信标期基本帧格式包括源设备子信标和目的设备子信标反馈；所述源设备子信标包括：源设备MAC地址(SA)、目的设备MAC地址(DA)、信息(Information)和帧校验序列(FCS)；所述目的设备子信标反馈包括：源设备MAC地址(SA)、目的设备MAC地址(DA)、回复信息(Response)和帧校验序列(FCS)；其中，回复信息(Response)包括：波束成形应答标识(BFReady)和调制编码机制应答(MCSResponse)；

若没有空闲信道，返回步骤2；

步骤4，经过若干信标期后，源设备和目的设备在次信道进行数据传输；

步骤5，判断次信道信标期是否到达信道切换期开始时刻；

若次信道信标期到达信道切换期开始时刻，则源设备和目的设备全部切换至主信道，进入步骤6；

若次信道信标期没有到达信道切换期开始时刻，源设备和目的设备仍然在次信道中进行数据传输；

步骤6，源设备、目的设备分别在主信道监测期中向个域网控制节点发送轮询帧(pollframe)；

步骤7，个域网控制节点向源设备、目的设备回复(pollframeresponse)；

步骤8，判断轮询帧反馈(pollframeresponse)中的命令(Command)是否为保持(keep)；

若为保持(keep)，源设备和目的设备在下一信标期继续切换至次信道通信；

若不是保持(keep)，返回步骤2；

步骤9，源设备在次信道子信标期的初始时刻向目的设备发送子信标(sub-beacon)；

步骤10，待目的设备回复源设备确认ACK后，返回步骤4。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：充分利用空闲信道，获得多频带复用机制下的系统吞吐量的增益。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为802.11ad标准规定的PBSS信标期的示意图。

图3为主信道和次信道在时间的示意图及它们的格式。

图4为监测期基本格式的示意图。

图5为子信标基本格式的示意图。

图6为一个典型60GHz个域网的示意图。

图7为广播信标内PCP指示设备转移到次信道的信息单元。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图6所示的典型60GHz无线个域网，在60GHz无线网络中包含一个作为协调器的主控设备PCP和4个从属设备。假设某时刻四个从属设备，1、2、3和4均在信道1上进行通信。设备1和2组成一个通信对，设备3和设备4组成一个通信对。此时该60GHz通信系统的信道2为空闲。假设设备1和设备2正在传输持续性的数据流，需要分配大量的服务期SP的时隙。

利用如图1所示的超高速无线个域网多信道复用方法，包括如下步骤：

步骤1，在不改变信标期时间周期长短的前提下，在如图2所示的主信道信标期的末端增加信道切换期和监测期构成主信道；

步骤2，初始状态下，设备1和设备2在信道1中通信。假设设备1是源设备，设备2是目的设备；

步骤3，个域网控制节点或者设备1或者设备2开始扫描信道2；

若信道2空闲，个域网控制节点通过广播信标告知设备1和设备2切换至信道2通信，并将信道2定义为次信道，次信道如图3所示在时间上与主信道同步；

若信道2不空闲，返回步骤2；

步骤4，经过若干信标期后，设备1和设备2开始在信道2进行数据传输；

步骤5，判断信道2信标期是否到达信道切换期开始时刻；

若信道2信标期到达信道切换期开始时刻，则信道2中所有设备均切换到信道1；

若信道2信标期没有到达信道切换期开始时间，设备1和设备2继续在信道2进行数据传输；

步骤6，设备1、2在信道1的监测期中向个域网控制节点发送pollframe；

步骤7，个域网控制节点向设备1、设备2回复pollframeresponse；

步骤8，判断pollframeresponse中的Command是否为keep；

若pollframeresponse中的command为keep，设备1和设备2在下一信标期继续切换至信道2通信；

若pollframeresponse中的请求request和命令command是从次信道退出并返回主信道（quitbackfromSCtoPC），返回步骤2；

步骤9，设备1在次信道子信标期的初始时刻向设备2发送子信标sub-beacon；

步骤10，待设备2回复发射设备确认ACK后，返回步骤4。

由图2可知，主信道信标期主要包括信标时间竞争接入期、无竞争接入时分复用期、信道切换期和监测期。次信道包括子信标期、服务期、无效期。其中，服务期使用时分复用的无竞争接入的信道使用方式。

如图4所示：监测期基本格式包括pollframe和pollframeresponse；其中，pollframe包括状态Status、请求Request、帧校验序列FCS。Status被次信道设备用来向PCP反馈它们的当前通信状态（正常normal，中断outage），Request被次信道设备用来向PCP提出改变或维持通信状态的请求（保持keep，尝试恢复recovery，退回到主信道quitbackfromSCtoPC）pollframeresponse包括：源设备MAC地址SA、目的接收设备MAC地址DA、个域网控制节点要求在次信道中的设备采取的行动命令Command、Command开始生效的信标期号BIID（如果command没有发生变化，则BIID域的值为紧接着下一个信标期的ID）、主信道切换期的开始时间ChannelSwitchStartTime（本发明所述信道切换期为一个固定值，需确保较为宽裕的时间长度使得所有设备都能够顺利从次信道切换至主信道）、、次信道SC信标期开始的子信标期相对于次信道信标期开始时间的偏移Sub-beaconoffset（指出下一个信标期开始后，次信道子信标期的长度）、处在次信道中设备的信道时间分配CTA（该域具体结构与802.11ad标准中定义的时隙分配帧结构相似）以及帧校验序列FCS。ChannelSwitchStartTime,Sub-beaconoffset以及CTA（SC）分配方式均在下一个信标期BI生效。

当主信道信标监测期开始时，所有次信道的设备必须返回主信道与PCP进行信息交互。第一个pollframeresponse和最后一个pollframe之间有任意指定长度AIFS的间隔，时间长度须保证PCP在该间隔内能够处理完成所有次信道设备的上报信息并做出相应决定。

如图5所示的子信标期基本结构以及相关帧格式示意图：

源设备子信标包括：源设备MAC地址SA、目的设备MAC地址DA、信息Information和帧校验序列FCS，其中，信息Information包括当前主信道的信道标号PCID（用来与其它60GHz个域网共存，其它个域网的设备检测到该信息后，可选择放弃使用该信道，或者根据该信息找到主信道的PCP并与其沟通申请使用次信道。主信道PCP同意放弃次信道使用权后将在下一信标期的监测期内通过pollframeresponse要求所有次信道设备退出并返回主信道）、波束成形标识BFIndicator（用以和目的设备协商开始波束成形机制，以期能够改善通信质量或者修复断链）、波束成形开始的信标期号BIIDforBF、调制编码方式MCS（根据当前信道状态调整通信质量）、新的调制编码方式生效的信标期号BIIDforMCS。

目的设备的子信标反馈包括：源设备MAC地址SA、目的设备MAC地址DA、应答信息Response和帧校验序列FCS。其中，回复信息Response包括：波束成形应答标识BFReady和调制编码方案应答MCSResponse。BFReady域用以表示接收设备是否准备好了与发起设备进行波束成形，’1’表示准备好，’0’表示未准备好；MCSResponse用以表示接收设备在下一个信标期内使用的调制编码方案，’1’表示接受，’0’表示反对。

如果源设备无法接收到目的设备的确认反馈ACK，则链路被认为是断链。

如图7所示：主信道PCP在检测到有其它空闲信道后，通过广播信标的信息单元向设备发送信道转移的信息。其信息单元包括：源设备地址SA、目的设备地址DA、次信道号TargetChannelID、转移生效的信标号BIID、从次信道切换回主信道的开始时间ChannelSwitchStartTime、子信标期的长度Sub-beaconOffset、次信道的时隙分配方式CTA、帧校验序列FCS。其上各个域的功能与本发明之前所述的内容相同。

Claims

1.一种超高速无线个域网多信道复用方法，其特征在于包括如下步骤：

所述监测期基本结构包括轮询帧(poll frame)和轮询帧反馈(pollframeresponse)；

所述轮询帧(poll frame)包括状态(Status)、请求(Request)、帧校验序列(FCS)；

所述轮询帧反馈(poll frame response)包括：源设备MAC地址(SA)、目的设备MAC地址(DA)、信道监控期的开始时间(Channel Switch Start Time)、有效的信道切换时间(BI ID)、个域网控制节点或者接入节点要求处在次信道中的设备采取的行动命令(Command)、次信道信标期开始的子信标偏移(Sub-beacon offset)、处在次信道中设备的信道时间分配(CTA)、帧校验序列(FCS)；

所述个域网控制节点或者接入节点要求处在次信道中的设备采取的行动命令(Command)包括：保持(keep)，尝试恢复(recovery)，退回到主信道(quitbackfromSC to PC)；

步骤2，源设备和目的设备在主信道中通信；

步骤3，个域网控制节点或者从属设备扫描其它信道；

若没有空闲信道，返回步骤2；

步骤5，判断次信道信标期是否到达信道切换期开始时刻；

步骤6，源设备、目的设备分别在主信道监测期中向个域网控制节点发送轮询帧(poll frame)；

步骤7，个域网控制节点向源设备、目的设备回复(poll frame response)；

步骤8，判断轮询帧反馈(poll frame response)中的命令(Command)是否为保持(keep)；

若不是保持(keep)，返回步骤2；

步骤10，待目的设备回复源设备确认ACK后，返回步骤4。