CN103716130A - 提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，在网络通信中，当通信质量指示信号下降到某一门限以下时，在网络通信协议栈的发送端媒体接入层MAC增加对一个物理帧层内用户数据载荷的有规律的重复、交织以及密集地均匀插入的循环冗余校验CRC字节；同时在网络通信协议栈的接收端媒体接入层MAC增加相应解交织、去重复以及分段判断循环冗余校验CRC的方法保证信息的无错传输。有效提升在网络通信质量较差时的通信可靠性，提高成功传输用户数据载荷的概率，并避免因为反复请求重发而导致的网络资源浪费和终端设备的能耗。

Description

提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法

技术领域

本发明涉及一种提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，属于无线局域网传输技术领域。

背景技术

目前的网络通信覆盖了通信技术的很大一方面，通常的网络通信都遵循着OSI的分层模型，分层模型的最底层分别为MAC层（media access control layer，媒体接入层）和PHY层（physical layer，物理层）。在目前比较常见的无线网络传输技术领域中，蓝牙和ZigBee的应用越来越广泛，在这些传输协议中，PHY在传输过程中对传输的用户数据载荷部分没有特殊的FEC（forward error correction，前向纠错）来进行纠错保护，仅仅依靠“检错——重发”的机制来进行数据的传输。因此在链路质量较差时，会导致大量的“等待”和“重发”过程，这些重发占用了宝贵的网络资源同时也造成了巨大的传输延时，对于便携设备来说这也意味着对电池能耗的浪费。如何能自适应地在链路质量较差时对传输提供额外的保护来提高此时的可靠性同时在链路质量较好时维持原来的性能是一个富有挑战性的研究方向，这对网络通信领域都有积极的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，在链路质量较差时提高网络通信可靠性并减少网络中重传的次数。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，在网络通信中，当通信质量指示信号下降到某一门限以下时，在网络通信协议栈的发送端媒体接入层MAC增加对一个物理帧层内用户数据载荷的有规律的重复、交织以及密集地均匀插入的循环冗余校验CRC字节；同时在网络通信协议栈的接收端媒体接入层MAC增加相应解交织、去重复以及分段判断循环冗余校验CRC的方法保证信息的无错传输。

进一步地，上述的提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，链路质量被判断为不可靠时在MAC层增加一层对用户数据帧的处理，通过将MAC希望发送的原始用户数据帧分割成更短的分段并在每一段后增加本分段独立的循环冗余校验CRC字节，并且将每一分段复制多个副本，再通过交织的方法将所有分段及其副本按照既定的规律进行交织形成新的用户数据帧提交给物理层进行传输；当链路质量被判断为不可靠时在接收端的MAC层对接收到的用户数据帧进行与发端相反的解析、解交织与重组，仅仅保留CRC校验正确的分段并丢弃重复的副本，当所有分段都有至少一个副本被无错接收时，即可无错恢复出发端MAC希望传输的原始用户数据帧。

更进一步地，上述的提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，在发送端，当物理层从媒体接入层MAC收到一个MAC帧准备进行物理层封装和传输时，首先检查此时传输链路质量是否劣于给定门限，如果不是，则进行正常的物理层封装并传输；如果是，则进行如下处理：首先将用户数据载荷按L字节长度分段形成K个不同子帧，在每个子帧后独立插入相应的长度为Lcrc字节的循环冗余校验码，将整个长度为K*（L+Lcrc）*N字节长度的帧内以交织方法进行交织，在物理层帧头信息中加入信息序列表示该帧经过处理而后将该帧通过发送端物理层进行发送；

在接收端，当物理层接收到一个物理层帧后首先通过解析物理层帧的帧头信息中是否指示存在特殊处理，如果没有，则按照正常的物理帧处理方法处理该帧；反之，则在接收端进行如下特殊处理：首先将整个长度为K*（L+Lcrc）*N字节长度的物理层用户数据载荷段以交织方法解交织，每个子帧的N个副本中仅保留CRC正确的一个并丢弃其他N-1个副本，如果所有子帧都至少有一个无错的副本，则将子帧合并成为MAC帧；如果存在某一个或几个子帧的全部副本都有错，则通知MAC层本帧接收失败。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明方法有效提升在网络通信质量较差时的通信可靠性，提高成功传输用户数据载荷的概率，并避免因为反复请求重发而导致的网络资源浪费和终端设备的能耗；

②在媒体接入层MAC将原始用户数据载荷分成长度更短的带有独立冗余校验字节的子帧，并使用重复的方法引入足够的冗余子帧，再通过交织的方法将所有的重复的子帧在时间上分散开来；

③在发送端以及接收端的媒体接入层增加的特定帧处理与解析仅在链路质量差于某一给定门限时才启用，当链路质量优于这个门限时不进行特定的帧处理与解析。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的流程示意图。

具体实施方式

提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，在通信质量指示信号下降到某一门限以下时，在网络通信协议栈的发送端媒体接入层MAC增加对一个物理帧层内用户数据载荷的有规律的重复、交织以及均匀插入更多的循环冗余校验CRC字节；同时在网络通信协议栈的接收端媒体接入层MAC增加相应解交织、去重复以及分段判断循环冗余校验CRC。

提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，在网络通信中，当通信质量指示信号下降到某一门限（事先确定的具体门限，该门限的具体值取决于不同种类的通信网络以及期待的网络通信效率）以下时，在网络通信协议栈的发送端媒体接入层MAC增加对一个物理帧层内用户数据载荷的有规律的重复、交织以及密集地均匀插入的循环冗余校验CRC字节；同时在网络通信协议栈的接收端媒体接入层MAC增加相应解交织、去重复以及分段判断循环冗余校验CRC的方法来保证信息的无错传输，避免频繁的产生重发请求。

当链路质量劣于一个门限时传输的帧被正确无误的接收的概率会明显变小，通信可靠度明显下降，传统的方法是在接收端发现传输帧接收错误后通知发送端将错误的帧重发，直到接收端能无错的接收成功为止，这样的机制会消耗大量的网络资源用于请求重发，因此降低了网络通信的效率；

继而，为了改进网络通信的效率，并且不增加接收端的物理层复杂度，本发明提出了当链路质量被判断为不可靠时在MAC层增加一层对用户数据帧的处理，通过将MAC希望发送的原始用户数据帧分割成更短的分段并在每一段后增加本分段独立的循环冗余校验CRC字节，并且将每一分段复制多个副本，再通过交织的方法将所有分段及其副本按照既定的规律进行交织形成新的用户数据帧提交给物理层进行传输，由于这种处理是在MAC传给物理层之前完成的，因此对于物理层是透明的；

最后，当链路质量被判断为不可靠时在接收端的MAC层对接收到的用户数据帧进行与发端相反的解析、解交织与重组，其原则是仅仅保留CRC校验正确的分段并丢弃重复的副本，当所有分段都有至少一个副本被无错接收时，即可无错恢复出发端MAC希望传输的原始用户数据帧。

在发送端，当物理层从媒体接入层MAC收到一个MAC帧准备进行物理层封装和传输时，首先检查此时传输链路质量是否劣于给定门限，如果不是，则进行正常的物理层封装并传输；如果是，则进行如下处理：首先将用户数据载荷按L字节长度分段形成K个不同子帧，在每个子帧后独立插入相应的长度为Lcrc字节的循环冗余校验码，将整个长度为K*（L+Lcrc）*N字节长度的帧内以交织方法进行交织，在物理层帧头信息中加入信息序列表示该帧经过处理而后将该帧通过发送端物理层进行发送；

在接收端，当物理层接收到一个物理层帧后首先通过解析物理层帧的帧头信息中是否指示存在特殊处理，如果没有，则按照正常的物理帧处理方法处理该帧；反之，则在接收端要进行如下特殊处理：首先将整个长度为K*（L+Lcrc）*N字节长度的物理层用户数据载荷段以交织方法解交织，每个子帧的N个副本中仅保留CRC正确的一个并丢弃其他N-1个副本，如果所有子帧都至少有一个无错的副本，则将子帧合并成为MAC帧；如果存在某一个或几个子帧的全部副本都有错，则通知MAC层本帧接收失败。

具体应用时，如图1所示，例如在IEEE802.15.4 2.4G标准下的zigbee网络通信中，物理层在接收时总可以得到一个链路质量指示（LQI）值，当该值小于某一给定门限时，表示此事链路质量不可靠，容易产生接收错误，由于在Zigbee标准中对传输错误仅仅进行检测并不进行纠错，因此当链路质量指示值较低时一般会产生传输超时后产生大量的重发请求。在这种情况下，我们对MAC传递给物理层的用户数据载荷进行如上述的特殊处理后在发送，相应地在接收端进行逆向特殊处理。

在网络通信传输中在物理层传输前首先对链路质量是否足够好进行判断，如果链路质量被判断为不好，则会在物理层组帧前对媒体接入层提供的用户数据载荷进行特殊的处理并在物理层帧头信息中标识出相关信息以示区别。当接收端物理层收到该帧后通过查看物理层帧头中是否含有标识信息来分辨是否为特殊处理过的帧，如果是，则进行相应的处理恢复出发端试图传输的户数据载荷；如果不是，则按照正常物理帧的处理方法处理。通过在特殊条件下对传输的特殊处理，减小了用户数据载荷的传输错误率，并避免因为反复请求重发而导致的网络资源浪费和终端设备的能耗浪费。

本发明方法有效提升在网络通信质量较差时的通信可靠性，提高成功传输用户数据载荷的概率，并避免因为反复请求重发而导致的网络资源浪费和终端设备的能耗；在媒体接入层MAC将原始用户数据载荷分成长度更短的带有独立冗余校验字节的子帧，并使用重复的方法引入足够的冗余子帧，再通过交织的方法将所有的重复的子帧在时间上分散开来；在发送端以及接收端的媒体接入层增加的特定帧处理与解析仅在链路质量差于某一给定门限时才启用，当链路质量优于这个门限时不进行特定的帧处理与解析。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，其特征在于：在网络通信中，当通信质量指示信号下降到某一门限以下时，在网络通信协议栈的发送端媒体接入层MAC增加对一个物理帧层内用户数据载荷的有规律的重复、交织以及密集地均匀插入的循环冗余校验CRC字节；同时在网络通信协议栈的接收端媒体接入层MAC增加相应解交织、去重复以及分段判断循环冗余校验CRC的方法保证信息的无错传输。

2.根据权利要求1所述的提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，其特征在于：链路质量被判断为不可靠时在MAC层增加一层对用户数据帧的处理，通过将MAC希望发送的原始用户数据帧分割成更短的分段并在每一段后增加本分段独立的循环冗余校验CRC字节，并且将每一分段复制多个副本，再通过交织的方法将所有分段及其副本按照既定的规律进行交织形成新的用户数据帧提交给物理层进行传输；当链路质量被判断为不可靠时在接收端的MAC层对接收到的用户数据帧进行与发端相反的解析、解交织与重组，仅仅保留CRC校验正确的分段并丢弃重复的副本，当所有分段都有至少一个副本被无错接收时，即可无错恢复出发端MAC希望传输的原始用户数据帧。

3.根据权利要求1所述的提高网络传输可靠性的物理层自适应处理方法，其特征在于：在发送端，当物理层从媒体接入层MAC收到一个MAC帧准备进行物理层封装和传输时，首先检查此时传输链路质量是否劣于给定门限，如果不是，则进行正常的物理层封装并传输；如果是，则进行如下处理：首先将用户数据载荷按L字节长度分段形成K个不同子帧，在每个子帧后独立插入相应的长度为Lcrc字节的循环冗余校验码，将整个长度为K*（L+Lcrc）*N字节长度的帧内以交织方法进行交织，在物理层帧头信息中加入信息序列表示该帧经过处理而后将该帧通过发送端物理层进行发送；

在接收端，当物理层接收到一个物理层帧后首先通过解析物理层帧的帧头信息中是否指示存在特殊处理，如果没有，则按照正常的物理帧处理方法处理该帧；反之，则在接收端进行如下特殊处理：首先将整个长度为K*（L+Lcrc）*N字节长度的物理层用户数据载荷段以交织方法解交织，每个子帧的N个副本中仅保留CRC正确的一个并丢弃其他N-1个副本，如果所有子帧都至少有一个无错的副本，则将子帧合并成为MAC帧；如果存在某一个或几个子帧的全部副本都有错，则通知MAC层本帧接收失败。

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