CN102656816B - 支持mu-mimo的多帧发送方法和装置 - Google Patents

支持mu-mimo的多帧发送方法和装置 Download PDF

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Abstract

提供了一种在支持多用户多输入多输出(MU-MIMO)的无线局域网(WLAN)系统中发送多个帧的方法。该方法包括连续地将第一帧和第二帧发送到第一站(STA)并且连续地将第三帧和第四帧发送到第二STA，其中，该第一帧的发送开始时间和该第三帧的发送开始时间彼此对准，并且其中，该第二帧的发送开始时间和该第四帧的发送开始时间彼此对准。

Description

支持MU-MIMO的多帧发送方法和装置
技术领域
本发明涉及无线通信，并且更具体地涉及一种在支持多用户多输入多输出(MU-MIMO)的无线局域网(WLAN)系统中发送多个帧的方法以及支持该方法的无线装置。
背景技术
随着信息通信技术的进步，近来已开发了各种无线通信技术。在这些无线通信技术中，无线局域网(WLAN)是使得利用如个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、便携式多媒体播放器(PMP)等的便携式终端在家庭或企业中或者在提供特定服务的区域中以无线方式接入互联网成为可能的技术。
自从1980年2月建立电气和电子工程师协会(IEEE)802(即，WLAN技术的标准化组织)以来，已经进行了许多标准化工作。在最初的WLAN技术中，根据IEEE802.11使用2.4GHz的频率以利用跳频、扩频、红外通信等支持1Mbps至2Mbps的数据速率。最近，WLAN技术能够利用正交频分复用(OFDM)支持达到54Mbps的数据速率。另外，IEEE802.11正在开发或商业化如服务质量(QoS)改善、接入点协议兼容性、安全性增强、无线电资源测量、车载环境的无线接入、快速漫游、网状网络、与外部网络的互通、无线网络管理等的各种技术的标准。
IEEE802.11n是相对新近推出的技术标准，以克服已被视为WLAN中的缺陷的有限的数据速率。设计IEEE802.11n以提高网络速度和可靠性并扩展无线网络的操作距离。更具体地，IEEE802.11n支持高吞吐量(HT)，即达到540Mbps以上的数据处理速率，并且IEEE802.11n基于在发送器和接收器两者中均使用多个天线来最小化传输误差并优化数据速率的多输入和多输出(MIMO)技术。另外，该标准可使用发送多个副本的编码方案以提高数据可靠性，并且还可使用OFDM以支持更高数据速率。
随着WLAN的广泛使用以及使用WLAN的应用的多样化，近来存在对支持比由IEEE802.11n支持的数据处理速率更高的吞吐量的新WLAN系统的需求。然而，IEEE802.11n介质接入控制(MAC)/物理层(PHY)协议不能有效地提供1Gbps以上的吞吐量。这是因为IEEE802.11nMAC/PHY协议被设计用于站(STA)、即具有一个网络接口卡(NIC)的STA的操作，并且因此当在遵照传统的IEEE802.11nMAC/PHY协议的同时增加帧吞吐量时，也会增加由此产生的额外开销。结果，对在遵照传统的IEEE802.11nMAC/PHY协议、即单STA构架的同时增加无线通信网络的吞吐量存在限制。
因此，为了在无线通信系统中实现1Gbps以上的数据处理速率，需要一种不同于传统的IEEE802.11nMAC/PHY协议(即，单STA构架)的新系统。超高吞吐量(VHT)WLAN系统是IEEE802.11nWLAN系统的下一个版本，并且是最近已提出的在MAC服务接入点(SAP)中支持1Gbps以上的数据处理速率的IEEE802.11WLAN系统之一。
为了有效使用无线电信道，VHTWLAN系统允许多个VHTSTA的同步信道接入。为此，支持使用多个天线的基于多用户多输入多输出(MU-MIMO)的传输。VHTAP可执行用于将空间复用数据发送到多个VHTSTA的空分多址(SDMA)发送。
然而，当向支持MU-MIMO的WLAN系统中的多个STA同时发送帧时，待发送到每个STA的数据量可能不同，因此在这些STA之间可能不能保持同步。其结果是，使用无线电资源的效率降低并且STA的复杂性加大，这导致了实现成本的增加。当对于多个STA中的每个发送多个帧时，这样的问题可能变得更加明显。因此，需要考虑能够解决这个问题的帧发送方法。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种在支持多用户多输入多输出(MU-MIMO)的无线局域网(WLAN)系统中发送多个帧的方法。
本发明还提供了一种在支持MU-MIMO的WLAN系统的中发送多个帧的方法以及支持该方法的无线装置。
问题的解决方案
在本发明的一个方面中，一种在支持多用户多输入多输出(MU-MIMO)的无线局域网(WLAN)系统中发送多个帧的方法，该方法包括：连续地将第一帧和第二帧发送到第一站(STA)；以及连续地将第三帧和第四帧发送到第二STA；其中，所述第一帧的发送开始时间和所述第三帧的发送开始时间彼此对准，并且其中，所述第二帧的发送开始时间和所述第四帧的发送开始时间彼此对准。
可通过利用所述第一帧的长度与所述第三帧的长度之间的差异向所述第一帧与所述第三帧之间的较短帧填充空数据，来将所述第一帧的长度和所述第三帧的长度调整为相同的长度。
所述第一帧和所述第三帧可具有聚合MAC协议数据单元(A-MPDU)格式。
构成所述第一帧的每个A-MPDU子帧可包括用于指示随后的A-MPDU子帧是否为空数据的空位。
如果所述空位指示跟在包括所述空位的A-MPDU子帧后面的A-MPDU子帧是空数据，则第一STA可丢弃所述跟在包括所述空位的A-MPDU子帧后面的A-MPDU子帧。
在本发明的另一个方面中，一种由接入点(AP)执行的在支持MU-MIMO的WLAN系统中发送多个帧的方法，该方法包括：连续地将第一帧和第二帧发送到第一STA；以及连续地将第三帧和第四帧发送到第二STA；其中，所述第一帧的发送开始时间和所述第三帧的发送开始时间彼此对准，并且其中，所述第一帧与所述第二帧之间的间隔和所述第三帧与所述第四帧之间的间隔被设置为正交频分复用(OFDM)符号持续时间的倍数。
OFDM符号持续时间可为4μs。
第一STA和第二STA可从AP接收帧间间隔(IFS)配置信息，在IFS配置信息中，所述第一帧与所述第二帧之间的所述间隔和所述第三帧与所述第四帧之间的所述间隔可被设置为OFDM符号持续时间的倍数。
可利用信标帧来将所述IFS配置信息发送到第一STA和第二STA。
在本发明的又一个方面中，一种用于发送多个帧的AP，该AP包括：收发器，其用于发送所述多个帧；以及处理器，其操作地耦合到所述收发器，其中，所述处理器连续地将第一帧和第二帧发送到第一STA，连续地将第三帧和第四帧发送到第二STA，将所述第一帧的发送开始时间和所述第三帧的发送开始时间彼此对准，并且将所述第二帧的发送开始时间和所述第四帧的发送开始时间彼此对准。
发明的有益效果
根据本发明，降低了多帧发送中的开销。因此，更有效地使用无线电资源并且降低了无线装置的复杂性，由此能够节省实现成本。
附图说明
图1示出了使用多用户多输入多输出(MU-MIMO)方案的帧发送的示例。
图2示出了多帧发送的示例。
图3示出了在要以SDMA发送发送到各STA的帧之间没有保持同步的问题。
图4示出了本发明中提出的时隙(slotted)RIFS的示例。
图5示出了本发明中提出的同步多帧发送方法的示例。
图6示出了根据本发明的实施方式的在空数据填充中使用的A-MPDU子帧格式的示例。
图7是示出用于实现本发明的实施方式的无线装置的示例的框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的示例性实施方式。
根据本发明的实施方式的无线局域网(WLAN)系统包括至少一个基本服务集(BSS)。BSS是成功同步以彼此通信的一组站(STA)。BSS可分类为独立BSS(IBSS)和基础BSS。
BSS包括至少一个STA和接入点(AP)。AP是通过相应的无线介质提供到BSS中的STA的连接的功能介质。AP也可称为如中央控制器、基站(BS)、调度器等的其他术语。
STA是包括满足IEEE802.11标准的介质接入控制(MAC)和无线介质物理层(PHY)接口的任何功能介质。STA可以是APSTA或非APSTA。在下文中，STA是指非APSTA，除非以其他方式指定。STA也可称为如用户设备(UE)、移动台(MS)、移动终端(MT)、手持设备、接口卡等的其他术语。
STA可分类为VHT-STA、HT-STA和遗留(L)-STA。HT-STA是支持IEEE802.11n的STA。L-STA是支持IEEE802.11n的以前版本(如IEEE802.11a/b/g)的STA。L-STA也称为非-HTSTA。
在下文中，从AP到STA的发送将称为下行发送，而从STA到AP的发送将称为上行发送。此外，针对多个STA空间复用的空分多址(SDMA)数据的发送将秋为SDMA发送。虽然为了便于说明，在下文中将以下行发送的场景作为示例来进行描述，但是本发明中提出的多帧发送方法同样也能适用于上行发送的场景。
图1示出了使用多用户多输入多输出(MU-MIMO)方案的帧发送的示例。
在图1的示例中，AP100利用MU-MIMO方案发送针对STA_1110、STA_2120和STA_3130空间复用的SDMA数据104。
多个物理层会聚过程(PLCP)协议数据单元(PPDU)可用作要针对STA_1110、STA_2120和STA_3130中的每个发送的数据帧。当AP以短帧间间隔(SIFS)或减少的帧间间隔(RIFS)的间隔来连续发送多个PPDU时，这在下文中将称为多帧发送。
为了对要执行SDMA发送的目标STA执行信道估计，AP100在SDMA发送之前发送训练请求(TRQ)帧102。TRQ帧102可包括指示SDMA发送的目标STA的信息以及指示发送持续时间的信息。一旦接收到TRQ帧102，STA就利用指示SDMA发送的目标STA并且包括在TRQ帧102中的信息来确定该STA本身是否是SDMA发送的目标STA。如果其不是目标STA，则STA可基于指示发送持续时间的信息来设置网络分配矢量(NAV)以推迟发送持续时间期间的信道接入。
如果确定该STA是目标STA，则该STA向AP发送用于针对特定STA的信道估计的探测PPDU。在图1的示例中，STA_1110、STA_2120和STA_3130是目标STA并且分别向AP100发送探测PPDU112、探测PPDU122和探测PPDU132。
一旦接收到探测PPDU112、探测PPDU122和探测PPDU132，AP100就利用接收的探测PPDU来执行信道估计。之后，基于信道估计结果，AP以SDMA发送将SDMA数据104发送到STA_1110、STA_2120和STA_3130。
STA_1110、STA_2120和STA_3130接收SDMA数据104，并且作为确认(ACK)，向AP发送块ACK114、块ACK124和块ACK134。
在这种情况下，要由AP100发送到STA_1110、STA_2120和STA_3130的数据量在这些STA之间可能不同。换言之，各具有不同长度的数据帧可能分别同时发送到STA_1110、STA_2120和STA_3130。在这种情况下，为了有效利用无线电资源，可实现多帧发送，使得在SDMA发送持续时间范围内连续地发送多个数据帧。
图2示出了多帧发送的示例。
图1的SDMA数据104可包括要发送到图1的SAT_1110的SDMA数据210，要发送到STA_2120的SDMA数据220、SDMA数据221和SDMA数据222，以及要发送到STA_3130的SDMA数据230和SDMA数据231。
在图2的示例中，要发送到STA_2120的SDMA数据帧220具有短于SDMA发送持续时间的长度。因此，可在SDMA发送持续时间期间进一步连续地发送SDMA数据221和SDMA数据222。
在以多帧发送在SDMA发送持续时间期间将SDMA数据210发送到STA_1110并将SDMA数据220、SDMA数据221和SDMA数据222发送到STA_2120的情况下，可能需要考虑在同时发送到各STA的不同条SDMA数据之间是否保持了同步。
图3示出了在要以SDMA发送发送到各STA的帧之间没有保持同步的问题。
图3是图2的部分200的放大视图。数据帧包括正交频分复用(OFDM)符号(即，图3的快速傅立叶逆变换(IFFT)/快速傅立叶变换(FFT)时段)和用于避免符号间干扰的保护间隔(GI)。根据IEEE802.11n标准，IFFT/FFT时段是3.2μs，而GI是0.8μs。在下文中IFFT/FFT时段和GI将统称为OFDM符号持续时间。也就是说，在IEEE802.11n标淮中，OFDM符号持续时间是4.0μs。
在图3中，同时开始到STA_1的SDMA数据210的发送和到STA_2的SDMA数据220的发送。因为重复具有相同长度的OFDM符号持续时间，所以直到SDMA数据220的发送结束之前，保持STA_1与STA_2之间的同步。虽然在图3中未示出，但是对于发送到STA_3的SDMA数据230同样保持同步。
然而，如果SDMA数据220的发送结束之后紧接着SDMA数据221的发送开始，则不能保持SDMA数据210与SDMA数据221之间的同步。这是因为当在SDMA数据220的发送之后经过RIFS300时才发送接着SDMA数据220发送的SDMA数据221。根据IEEE802.11n标准，RIFS300是2μs。之后，不能保持SDMA数据210与SDMA数据221之间的同步，这导致在接收STA侧信号干扰水平增强并且实现复杂性加大的问题。因此，需要一种当在支持SDMA发送的WLAN系统中发送多个帧时在发送到各STA的数据帧之间保持同步的方法。
图4示出了本发明中提出的时隙RIFS的示例。
上文描述了多帧发送具有在发送到各STA的帧之间不能保持同步的问题。当在多帧发送中帧间间隔(IFS)用作RIFS时，出现这一问题。根据IEEE802.11n标准，RIFS是2μs，其不是OFDM符号持续时间的倍数。
为了解决这一问题，本发明提出将IFS设置为OFDM符号持续时间的倍数。在这种情况下，在多帧发送中IFS可以是0μs、4μs、8μs等，其是OFDM符号持续时间(即4μs)的倍数，而不是基于IEEE802.11n标准的RFIS(即2μs))。在下文中，本发明中提出的设置为OFDM符号持续时间(即4μs)的倍数的新IFS将称为时隙RIFS。术语“时隙RIFS”是任意命名的。
在示出了根据本发明的实施方式的多帧发送的图4中，时隙RIFS400被设置为4μs。不同于图3的示例，4μs的时隙RIFS被用作SDMA数据220与SDMA数据221之间的IFS，结果，可在SDMA数据210与SDMA数据221之间保持同步。
本发明中提出的时隙RIFS可用于MU-MIMO的多帧发送。关于SU-MIMO的多帧发送，除了时隙RIFS之外还可使用RIFS。
AP可向STA报告时隙RIFS是否可用。例如，可向STA发送包括用于报告时隙RIFS是否可用的时隙RIFS位的VHT操作信息元素。可通过将VHT操作信息元素包括在基于IEEE802.11标准的探测响应帧、信标帧等中来将其发送到STA。一旦接收到探测响应帧或信标帧，STA就可根据VHT操作信息元素的时隙RIFS位得知时隙RIFS是否可用。当时隙RIFS位设置为0时，时隙RIFS不可用，在这种情况下，在多帧发送中可将IFS设置为SIFS。当符合IEEE802.11a/n标准时，SIFS是16μs，其是OFDM符号持续时间(即4μs)的倍数。当时隙RIFS位设置为1时，在多帧发送中时隙RIFS被用作IFS，因此以时隙RIFS的间隔发生多帧发送。
同时，在IEEE802.11n标准中，选择性地使用短GI以减少开销。短GI是4μs，并且其可根据在PLCP报头的信号(SIG)字段中设置指示短GI是否可用的字段而用在数据字段中。因为短GI用在数据字段中，所以当使用短GI时，用在PLCP报头中的OFDM符号持续时间可能不同于用在数据字段中的OFDM符合持续时间。换言之，用在PLCP报头中的OFDM符号持续时间是4μs，而用在数据字段中的OFDM符号持续时间是3.6μs。
在使用短GI的情况下，为了保持多帧发送中的同步，必须在发送到所有STA的帧中使用短GI。当在发送到图1的示例中的STA_1的帧中使用短GI时，也必须在发送到STA_2和STA_3的帧中使用短GI。换言之，必须在SDMA发送中的所有空间流中使用相同的GI。另外，因为短GI仅用在数据字段中，所以多帧发送被配置为使得各帧具有相同的发送开始时间。因此，当使用短GI时，使用本发明中提出的时隙RIFS作为IFS不是解决不能在多帧发送中保持同步的问题的方案。
图5示出了本发明中提出的同步多帧发送方法的示例。
在本发明提出的同步多帧发送方法中，通过在多帧发送中同步每个帧的发送开始时间来实现发送。换言之，当AP将用于多帧发送的数据帧510和515发送到STA_1并且将用于多帧发送的数据帧520和525发送到STA_2时，如果数据帧520的发送先结束，在经过RIFS或SIFS之后不发送下一帧525。AP等待，直至数据帧510的发送结束，并且在要在数据帧510之后发送的数据帧515的发送开始时开始发送数据帧525。也就是说，数据帧515的发送开始时间和数据帧525的发送开始时间对准到t_n+l570。在多帧发送中，如图5所示，各个帧的发送开始时间对准到t_n560和t_n+l570。要发送到STA_1、STA_2和STA_3的帧的发送开始时间彼此对准，即使针对任一个STA的发送先结束，下一帧也要再次对准到其余STA的发送结束之后的发送开始时间。因此，即使使用短GI，也能在要发送到各STA的帧之间保持同步。
在图5的示例中，为了将数据帧515、525和535的发送开始时间对准到t_n+l570，可使用空数据填充。为了允许数据帧510具有与先于数据帧510结束发送的数据帧520和530相同的发送结束时间，将填充521填充到数据帧520，并且将填充531填充到数据帧530。通过使用空数据填充，可将要发送到STA_1、STA_2和STA_3的帧的长度调整到相同的长度。
作为空数据填充的示例，填充521和填充531可以是不包括数据的零位流。作为另一个示例，可使用聚合MAC协议数据单元(A-MPDU)来作为空数据填充。
图6示出了根据本发明的实施方式的空数据填充中使用的A-MPDU子帧格式的示例。
根据本发明的实施方式的空数据填充中使用的A-MPDU子帧包括MPDU分隔符610、MPDU620和填充630。除了是A-MPDU中最后一个A-MPDU子帧的情况，均附加填充字段630以使每个A-MPDU子帧在长度上是4个八位字节的倍数。MPDU分隔符610在长度上可以是4个八位字节。表1示出了MPDU分隔符610的示例性结构。
[表1]
[表]
表1的字段名称是任意命名的，并且可增加或省略一些字段。空字段612在长度上可具有1位，并且当该位被设置为1时，可指示随后的MPDU是空数据。
AP对要发送到特定STA的MPDU进行聚合。如果不存在更多要聚合的MPDU或者如果由于接收STA的有限的A-MPDU的大小而不能再增加A-MPDU的大小，则使用空填充来对准发送开始时间。AP将A-MPDU子帧的空位设置为1，并且对于随后的MPDU发送空数据。
STA接收A-MPDU并且评估A-MPDU的每个A-MPDU子帧的空位。当空位设置为1时，可知随后的A-MPDU子帧为空数据，因此STA可立即丢弃随后的A-MPDU子帧而不用将其存入缓冲器。
图7是示出用于实现本发明的实施方式的无线装置的示例的框图。无线装置700可以是APSTA或非APSTA。
无线装置700包括处理器710、存储器720和收发器730。收发器730发送/接收无线电信号，并且实现IEEE802.11PHY层。收发器730通过使用多个天线来支持MU-MIMO发送。处理器710操作地耦合到收发器730，并且实现IEEE802.11MAC和PHY层。当处理器710以上述的方法来处理AP的操作时，无线装置700是AP。当处理器710以上述的方法来处理STA的操作时，无线装置700是STA。
在处理器710中实现的无线装置的MAC层生成上述的多帧，并且通过聚合上述的A-MPDU子帧来生成A-MPDU。经由物理层会聚协议(PLCP)层和物理介质相关(PMD)层将A-MPDU发送到收发器730。支持本发明的多信道中的帧发送方法的MAC和PHY层可通过模块化每个层由处理器710和收发器730来实现。
处理器710和/或收发器730可包括专用集成电路(ASIC)、单独的芯片组、逻辑电路、数据处理单元、和/或用于在宽带信号和无线电信号之间进行相互转换的射频(RF)单元。存储器720可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、存储卡、存储介质、和/或其他等效的存储设备。当在软件中实现本发明的实施方式时，可用执行上述功能的模块(即，处理、功能等)来实现上述的方法。该模块可存储于存储器720中并可由处理器710来执行。存储器720可位于处理器710内部或外部，并且可利用各种公知的手段来耦合到处理器710。
上述的实施方式包括不同的示例性方面。虽然不能够描述代表不同方面的所有可能的组合，但本领域技术人员应该理解，其他的组合同样是可能的。因此，所有的替代、修改和变型都应落入本发明权利要求的精神和范围内。

Claims (8)

1.一种在无线局域网系统中进行多用户多输入多输出(MIMO)通信的方法，该方法由发送设备执行，包括：
由所述发送设备向多个接收站发送聚合-介质接入控制协议数据单元(A-MPDU)，A-MPDU包括多个A-MPDU子帧，
其中，所述多个A-MPDU子帧中的每个A-MPDU子帧包括MPDU分隔符字段，所述MPDU分隔符字段包括指示相应的A-MPDU子帧是否用于填充的空位，所述MPDU分隔符字段还包括指示相应的A-MPDU子帧的MPDU的长度的MPDU长度字段，
其中，所述空位是1位信息字段，当相应的A-MPDU子帧用于填充时设置为“1”，
其中，如果针对所述多个接收站中的一个站使用短保护间隔，则针对所述多个接收站的其它站使用所述短保护间隔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MPDU分隔符字段是4字节信息，MPDU直接跟在所述MPDU分隔符字段之后，填充字段直接跟在MPDU之后。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MPDU分隔符字段还包括循环冗余校验(CRC)字段，分隔符签名字段直接跟在循环冗余校验(CRC)字段之后。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述空位设置为“1”时，相应的A-MPDU子帧的MPDU仅包括空数据。
5.一种在无线局域网系统中进行多用户多输入多输出(MIMO)通信的发送设备，该发送设备包括处理器，所述处理器被配置用于：
由所述发送设备向多个接收站发送聚合-介质接入控制协议数据单元(A-MPDU)，A-MPDU包括多个A-MPDU子帧，
其中，所述多个A-MPDU子帧中的每个A-MPDU子帧包括MPDU分隔符字段，所述MPDU分隔符字段包括指示相应的A-MPDU子帧是否用于填充的空位，所述MPDU分隔符字段还包括指示相应的A-MPDU子帧的MPDU的长度的MPDU长度字段，
其中，所述空位是1位信息字段，当相应的A-MPDU子帧用于填充时设置为“1”，
其中，如果针对所述多个接收站中的一个站使用短保护间隔，则针对所述多个接收站的其它站使用所述短保护间隔。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述MPDU分隔符字段是4字节信息，MPDU直接跟在所述MPDU分隔符字段之后，填充字段直接跟在MPDU之后。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述MPDU分隔符字段还包括循环冗余校验(CRC)字段，分隔符签名字段直接跟在循环冗余校验(CRC)字段之后。
8.根据权利要求5所述的设备，其中，当所述空位设置为“1”时，相应的A-MPDU子帧的MPDU仅包括空数据。
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