一种基于波束赋形的数据传输方法
技术领域
本申请涉及通信技术领域,特别涉及一种基于波束赋形的数据传输方法。
背景技术
无线局域网(WLAN)具有高吞吐、低成本、简单、易用等特性,随着互联网快速发展在全球范围内得到广泛普及。WLAN功能模块被广泛嵌入至各种电子产品中,并已成为智能手机、平板电脑和笔记本电脑的标准配置,能够为人们提供便捷的宽带无线数据服务。
由于受到工作频段和发射功率等限制,WLAN覆盖范围一般较小。特别是在室内,墙壁的遮挡会进一步减小WLAN的覆盖范围。对于运营商和企业用户,需要部署非常密集的接入点(AP)设备以及相应的供电和回传链路,不仅成本大大增加,而且大量的站址需求也大大增加了建网的难度。对于家庭用户,特别是家庭墙壁较多、面积较大时,可能无法使用一个AP覆盖整个家庭,或因覆盖不好而导致传输速率下降,影响用户体验。综上所述,覆盖范围已成为阻碍WLAN进一步发展的关键瓶颈,迫切需要采用先进技术手段来解决这一问题。
WLAN覆盖增强技术必须考虑WLAN系统的实际需求。一是,当前WLAN设备已经大量普及,新技术应能够与现有技术保持兼容;二是,考虑到市场上已有大量的WLAN终端,改进尽可能限制在AP端;三是,新技术应对现有技术改变尽可能小,尽量基于现有的WLAN技术架构。当前提升覆盖范围技术主要是采用先进的编码、调制和多天线技术(如:波束赋形、空时编码、接收分集等)。采用新的高性能编码和调制技术可以改善接收机灵敏度,增加覆盖范围,但现有终端无法识别,因而无法满足需求。当前WLAN主流标准中已经支持多天线技术,在实际的WLAN设备(特别是AP)中的使用也日益普及。在各种多天线技术中,波束赋形技术不仅能够有效提升覆盖,而且可以只安装在AP端,终端可以不做任何改变,是一种非常有潜力的WLAN覆盖增强技术。
然而,采用波束赋形提升覆盖也面临关键性的技术难题。为了提升覆盖范围,WLAN设备需要使用波束赋形技术将整个数据帧(包括帧头和数据)发送出去。在发送过程中,只有一部分区域的信号被增强,另外很大一部分区域的信号强度反而会减弱,处于这部分信号强度弱的区域的其他WLAN设备可能察觉不到当前信道被占用,进而开始竞争接入信道并发送数据,不仅干扰正在使用波束赋形发送数据的接收,同时其自身的数据传输也难以成功。在AP端,上述问题造成的后果更严重。为了提升覆盖范围,AP需要使用波束赋形技术将一些公共消息发送出去,这些信息很有可能遭到其他设备的干扰,从而导致该AP和与之关联的终端都难以正常工作。
发明内容
有鉴于此,本申请提供一种基于波束赋形的数据传输方法,能够在利用波束赋形提升WLAN网络中设备信号覆盖范围时,并有效降低来自其它设备的干扰。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案是这样实现的:
一种基于波束赋形的数据传输方法,应用于无线局域网WLAN中,包括:
该WLAN网络中任一设备需要进行数据传输时,构造N个保护帧,每个保护帧采用与基本帧头相同的结构;
该设备使用N个不同的波束按顺序依次发送所述N个保护帧,使接收对应保护帧的设备,根据对应保护帧的基本帧头指示的虚拟物理层帧长接收该保护帧,并在接收该保护帧过程中不进行数据传输;
该设备启动并完成需要进行的数据传输;
其中,该N个保护帧按发送顺序依次排列为,保护帧1、保护帧2……保护帧N;发送保护帧1的波束与数据传输期间发送的第一个基本帧头所采用的波束相同,为保护帧1设置的传输速率指示和传输数据长度指示,使保护帧1的基本帧头所指示的虚拟物理层帧结束的时间为,保护帧N发送结束的时间到启动需要进行的数据传输的时间之间的时间;为保护帧2到保护帧N设置的传输速率指示和传输数据长度指示,使保护帧2到保护帧N的基本帧头所指示的虚拟物理层帧传输的时间范围,涵盖之后发送的保护帧的时间范围和需要进行的数据传输的时间范围。
综上所述,本申请通过WLAN网络中的设备在使用波束赋形进行数据传输之前,先使用多个波束分别发送多个与基本帧头结构相同的保护帧,并按照基本帧头的参数设置方法来设置保护帧携带的传输速率指示和传输长度指示,使数据传输时波束赋形信号覆盖范围之外的其他设备不发送数据。能够在利用波束赋形提升WLAN网络中设备信号覆盖范围时,并有效降低来自其它设备的干扰。
附图说明
图1为本发明实施例一中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图;
图2为WLAN物理层帧结构示意图;
图3为本发明实施例二中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图;
图4为本发明实施例三中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图;
图5为本发明实施例四中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图;
图6为本发明实施例五中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对本发明所述方案作进一步地详细说明。
使用波束赋形技术提高WLAN覆盖范围时,由于波束赋形只能提升一部分区域的信号强度,另外很大一部分区域的信号强度反而会减弱,处于这些减弱区域内的设备可能无法察觉信道正在传输数据,进而启动数据发送,结果导致干扰。本发明实施例中提出一种基于波束赋形的数据传输方法,应用于WLAN中,WLAN网络中的设备在使用波束赋形进行数据传输之前,先使用多个波束分别发送多个与基本帧头结构相同的保护帧,并按照基本帧头的参数设置方法来设置保护帧携带的传输速率指示和传输长度指示,使数据传输时波束赋形信号覆盖范围之外的其他设备不发送数据。能够在利用波束赋形提升WLAN网络中设备信号覆盖范围,并有效降低来自其它设备的干扰。WLAN网络中的设备可以是AP或终端设备中的任何一方。
实施例一
参见图1,图1为本发明实施例一中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图。
具体步骤为:
步骤101,该WLAN网络中任一设备需要进行数据传输时,构造N个保护帧,每个保护帧采用与基本帧头相同的结构。
本步骤中的N为波束的个数。
目前,WLAN主要标准包括802.11a、802.11b、802.11g、802.11n和正在制定的802.11ac。其中,802.11b和802.11g工作在2.4GHz频段,802.11a和802.11ac工作在5GHz频段,802.11n在2.4GHz和5GHz频段都可以工作。
参见图2,图2为WLAN物理层帧结构示意图。本发明实施例中所提到的帧均指WLAN物理层帧。WLAN物理层帧结构可分为图2中的两种:传统帧结构和增强帧结构。传统帧结构包括基本帧头和数据部分两部分,增强帧结构在基本帧头和数据部分之间增加了扩展帧头。其中,基本帧头用于提供物理层传输所需的最基本的前导序列和信令信息,数据部分用于传送数据信息,扩展帧头则用于支持一些增强技术的使用。802.11a、802.11b、802.11gOFDM模式和802.11n GF模式的物理层帧结构采用了传统帧结构,而802.11n和802.11ac混合模式帧结构采用了增强帧结构。
基本帧头包括前导序列和信令两部分。其中,前导序列用于触发接收机进入接收状态,并建立初始的物理层通信;信令部分包括传输速率指示和传输数据长度指示两项信息,指示数据部分的传输速率及数据长度,接收机根据它们能够计算出相应的物理层帧长。对于传统帧结构,这两项信息分别指示数据部分的传输速率和数据长度,以及相应的物理层帧长;对于增强帧结构,这两条信息主要用于接收机计算相应的物理层帧长。接收机收到基本帧头后,就能够知道该基本帧头所指示的物理层帧长,并在相应的时间段处于接收状态,而不再发送数据。
WLAN网络中的设备对基本帧头有很好的识别性。5GHz频段的802.11a、802.11n混合模式和802.11ac混合模式的基本帧头具有相同结构,该频段工作的WLAN设备能够识别。2.4GHz频段WLAN设备都能够识别802.11b基本帧头。802.11g OFDM模式与802.11n混合模式的基本帧头相同,绝大多数2.4GHz频段WLAN设备都能够识别。
此外,基本帧头的传输时间非常短,通常远远小于数据部分,比如:802.11n混合模式的基本帧头只有20μs,但数据部分最长可超过5ms。
本发明实施例中构造的保护帧仅包含基本帧头的信息,不包括数据部分,因此本发明具体实施例中构造的保护帧的传输时间非常短,不会占用较长时间。
由于步骤101中保护帧采用与基本帧头相同的结构,并且以该保护帧作为一个虚拟物理层帧的基本帧头来设置该保护帧所携带的信令,使接收到任意一个保护帧的设备将该保护帧作为一个普通的物理层帧的基本帧头,并根据基本帧头所指示的物理层帧长接收该帧的后续信息。
步骤102,该设备将该N个保护帧按发送顺序依次排列为,保护帧1、保护帧2……保护帧N;为保护帧1设置的传输速率指示和传输数据长度指示,使保护帧1的基本帧头所指示的虚拟物理层帧结束的时间为保护帧N发送结束的时间到启动需要进行的数据传输的时间之间的时间;为保护帧2到保护帧N设置的传输速率指示和传输数据长度指示,使保护帧2到保护帧N的基本帧头所指示的虚拟物理层帧传输的时间范围,涵盖之后发送的保护帧的时间范围和需要进行的数据传输的时间范围。
该设备为保护帧1设置的传输速率指示和传输数据长度指示的最佳情况是,使保护帧1的基本帧头所指示的虚拟物理层帧结束的时间为保护帧N发送结束的时间。该设备为保护帧2到保护帧N设置的传输速率指示和传输数据长度指示的最佳情况是,使保护帧2到保护帧N的基本帧头所指示的虚拟物理层帧结束的时间为需要进行的数据传输结束的时间。
步骤101中构造的N个保护帧依次发送,发送的第一个保护帧为保护帧1,最后一个为保护帧N,为保护帧1设置传输速率指示和传输数据指示时,使保护帧1的基本帧头所指示的虚拟物理层帧时间范围,最佳的情况,保护帧1的基本帧头所指示的虚拟物理层帧结束的时间为,保护帧N发送结束的时间;保护帧1的基本帧头所指示的虚拟物理层帧结束的时间最晚为启动需要进行数据传输的时间。当各保护帧之间连续发送时,保护帧1的基本帧头所指示的虚拟物理层帧的传输时间范围至少包含发送保护帧2到保护帧N的时间范围。为保护帧2设置传输速率指示和传输数据指示时,使保护帧2的基本帧头所指示的虚拟物理层帧时间范围至少包含发送保护帧3到保护帧N,以及传输的数据部分的时间,依次类推,为保护帧N设置传输速率指示和传输数据指示时,使保护帧N的基本帧头所指示的虚拟物理层帧时间范围至少包含传输的数据部分的时间,即该虚拟物理层帧结束的时间为数据传输部分结束时或之后的时间。
步骤103,该设备使用N个不同的波束按顺序依次发送所述N个保护帧,使接收对应保护帧的设备,根据对应保护帧的基本帧头指示的虚拟物理层帧长接收该保护帧,并在接收该保护帧过程中不进行数据传输;其中,发送保护帧1的波束与数据传输期间发送的第一个基本帧头所采用的波束相同。
发送保护帧1的波束与发送数据传输部分时,发送的第一个基本帧头所采用的波束相同,数据传输部分除第一个基本帧头之外的其他部分的发送,不一定使用与发送保护帧1相同的波束,可以根据具体使用环境,选择更优的方式来发送其他数据部分等。
该设备发送相邻保护帧的时间间隔按顺序依次为T1,T2,…,TN-1,发送保护帧N与发送需要传输的数据的时间的时间间隔为TN,其中,T1到TN为不小于零的数。即发送保护帧1时间的与发送保护帧2的时间的时间间隔为T1;发送保护帧2的时间与发送保护帧3的时间的时间间隔为T2,以此顺序排列,发送保护帧TN-1的时间与发送保护帧TN的时间的时间间隔为TN-1;发送保护帧N与发送需要传输的数据的时间的时间间隔为TN。各时间间隔可以为大于零的数也可以为零,即各保护帧可以连续发送,也可以等待一定预设间隔再发送。
接收到保护帧1的设备,按照保护帧1的基本帧头所指示的物理层帧长接收保护帧1之后的信息,若在接收过程中,接收到保护帧2到保护帧N中任一保护帧时,作为数据处理。
波束1覆盖范围内的设备能够接收到保护帧1,接收到保护帧1的设备会把该保护帧作为一个普通的物理层帧的基本帧头来进行处理,并根据该保护帧基本帧头中的传输速率指示和传输数据长度指示计算该物理层帧长,在该物理层帧传输的时间范围内如果接收到其他帧,如保护帧2、保护帧N等,均按数据部分处理。
接收到保护帧1到保护帧N中的任一保护帧的设备,在接收基本帧头后,若无法正确恢复基本帧头之后的信息,放弃该帧的接收,等待该帧结束。
总之,保护帧1能够使波束1覆盖范围内的设备进入接收状态,在保护帧1的基本帧头所指示的虚拟物理层帧传输时间范围内不发送数据。保护帧2到保护帧N能够触发波束1覆盖的范围之外的范围内的设备进入接收状态,并在接收基本帧头所指示的物理层帧传输时间范围内不发送数据,因此不会与后续发送的需要传输的数据产生干扰。
步骤104,该设备启动并完成需要进行的数据传输。
当启动需要传输的数据传输时,接收保护帧1的设备已恢复至正常的监听状态,并能够接收数据,而保护帧1覆盖范围之外的保护帧2到保护帧N触发的设备在此期间将不会发送数据,因此不会对数据传输部分产生干扰。
实施例二
参见图3,图3为本发明实施例二中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图。图3中以需要传输的数据仅包括一个数据帧为例。
图3中在开始数据帧传输之前,发送端设备首先使用波束赋形发送N个保护帧,这里假设波束的各数为N。每个保护帧与下一帧之间有一定预设的时间间隔,记为T1,T2,…,TN,相邻两帧的时间间隔可以等于0,即可以连续发送,也可以根据具体使用情况间隔一定时间。这里,TN表示保护帧N与数据帧之间的时间间隔。
保护帧1采用的波束与发送的数据帧的基本帧头所采用的波束相同,即波束1。保护帧2至保护帧N分别采用波束2至波束N发送。实际中应合理配置波保护帧和波束数量及波束赋形参数,使所有方向上的保护帧信号都能够得到有效增强。此外,数据帧除基本帧头之外的其他部分可以根据具体使用情况使用不同的波束发送。
每个保护帧采用与当前系统要求必须支持的基本帧头相同的结构。如果工作在5GHz频段,采用802.11a/n/ac的基本帧头。在2.4GHz频段,如果工作在802.11g和802.11n模式,采用802.11g OFDM模式/802.11n混合模式基本帧头;如果工作在802.11b或兼容802.11b的模式,则采用802.11b的基本帧头。
按照基本帧头的参数设置方法,配置保护帧1的传输速率指示和传输数据长度指示,使以该保护帧为基本帧头的虚拟物理层帧的结束时间处于保护帧N发送结束至数据帧传输开始之间的时间范围内。最佳的情况是虚拟物理层帧的结束时间刚好与最后一个保护帧结束时间重合。上述操作能够在第一时间触发需要接收数据的设备进入到接收状态,并把保护帧2至保护帧N看做是无法恢复的数据,最后在数据帧传输之前进入正常的监听状态。
由于不同的波束覆盖范围可能有交叠,保护帧2至保护帧N可能触发需要接收数据的设备,从而使其无法在指定的时间接收物理层帧,因此需要保护帧1来使需要接收数据的设备在接收到保护帧2至保护帧N时按接收到数据进行处理。
按照基本帧头的参数设置方法,配置保护帧2至保护帧N的传输速率指示和传输数据长度指示,使分别以保护帧2至保护帧N为基本帧头的虚拟物理层帧的结束时间至少持续到数据帧传输结束。最佳的情况是虚拟物理层帧的结束时间刚好与该数据帧结束时间重合。保护帧2至保护帧N能够触发保护帧1覆盖范围之外的其他设备进入接收状态,并在虚拟物理层帧传输时间范围内不发送数据,因此不会对后续的数据帧传输产生干扰。此外,由于保护帧仅包括基本帧头,因此该保护帧之后的信号并不符合帧格式要求,接收设备无法恢复出有用数据,通常会放弃该帧的接收,并等待该帧结束。
当数据帧开始传输时,保护帧1触发的设备,包括需要接收数据的设备已恢复至正常的监听状态,并能够接收该数据帧,而保护帧1覆盖范围之外且被保护帧2至保护帧N触发的设备在此期间将不会发送数据,因此不会对该数据帧的接收产生干扰。
实施例三
参见图4,图4为本发明实施例三中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图。图4中以需要传输的数据包括发送一个数据帧和接收一个应答(ACK)帧。
与图3中的实施例相比,其不同点在于,在数据帧传输结束后,发送端设备需要等待接收端设备反馈的ACK帧。为了保护整个数据传输过程,在配置保护帧2至保护帧N的传输速率指示和传输数据长度指示时,应使保护帧2至保护帧N对应的虚拟物理层帧的结束时间至少持续到发送端设备接收接收端设备返回ACK帧结束。这样可以有效抑制处于保护帧1覆盖范围之外且在保护帧2至保护帧N覆盖范围内的其他设备干扰数据帧和ACK帧的接收。此外,保护帧1与该数据帧的基本帧头采用相同的波束(波束1),并且保护帧1对应的虚拟物理帧结束时间处于保护帧N发送结束至数据帧传输开始之间的时间范围内,使需要接收数据的设备不受保护帧2至保护帧N的影响。由于有传播时延,发送端设备接收到接收端设备反馈的ACK帧的时间要比接收端设备反馈该ACK帧的时间晚。
实施例四
参见图5,图5为本发明实施例四中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图。图5中以发送端设备使用可以发送给自身(CTS-to-self)保护机制传输数据时,所述需要传输的数据,包括:发送的CTS-to-self帧和数据帧,以及接收的ACK帧。
与图3中给出的实施例相比,不同点在于,在数据帧传输之前,发送端设备利用波束赋形发送一个CTS-to-self帧,在数据帧传输结束后,发送端设备需要等待接收端设备反馈的ACK帧。为了保护整个数据传输过程,在配置保护帧2至保护帧N的传输速率指示和传输数据长度指示时,应使保护帧2至保护帧N对应的虚拟物理层帧时间范围涵盖发送的CTS-to-self帧和数据帧,以及接收的ACK帧。这样可以有效抑制处于保护帧1覆盖范围之外且在保护帧2至保护帧N覆盖范围内的其他设备干扰CTS-to-self帧、数据帧和ACK帧的接收。此外,保护帧1与CTS-to-self帧采用相同的波束(波束1),并且保护帧1对应的虚拟物理帧结束时间处于保护帧N发送结束至CTS-to-self帧传输开始之间的时间范围内,使需要接收数据的设备不受保护帧2至保护帧N的影响。
实施例五
参见图6,图6为本发明实施例五中基于波束赋形的数据传输方法流程示意图。图6中以发送端设备使用发送请求(RTS)/可以发送(CTS)保护机制传输数据时,需要传输的数据,包括:发送的RTS帧和数据帧,以及接收的CTS帧和ACK帧。
与图3中给出的实施例相比,不同点在于,在数据帧传输之前,发送端设备利用波束赋形发送一个RTS帧,并等待接收端设备反馈CTS帧;发送端设备收到接收端设备反馈的CTS帧后,在预设的时间发送数据帧,并等待接收接收端设备返回的ACK帧。为了保护整个数据传输过程,在配置保护帧2至保护帧N的传输速率指示和传输数据长度指示时,应使保护帧2至保护帧N对应的虚拟物理层帧时间范围涵盖发送的RTS帧和数据帧,以及接收的CTS帧和ACK帧。这样可以有效抑制处于保护帧1覆盖范围之外且在保护帧2至保护帧N覆盖范围内的设备干扰RTS帧和数据帧的发送,以及CTS帧和ACK帧的接收。此外,保护帧1与RTS帧采用相同的波束(波束1),并且保护帧1对应的虚拟物理帧结束时间处于保护帧N发送结束至RTS帧传输开始之间的时间范围内,使需要接收数据的设备不受保护帧2至保护帧N的影响。
由上可见,本发明具体实施例中只需要对数据发送端进行增强,发送端设备可以是AP也可以是终端设备。考虑到当前WLAN网络中已有大量的终端设备在用,因此该方法更适用在AP端提升信号覆盖范围,并抑制不必要的干扰,效果更为明显。
综上所述,本发明具体实施例中WLAN网络中的设备在使用波束赋形进行数据传输之前,先使用多个波束分别发送多个与基本帧头结构相同的保护帧,并按照基本帧头的参数设置方法来设置保护帧携带的传输速率指示和传输长度指示,使数据传输时波束赋形信号覆盖范围之外的其他设备不发送数据。能够在利用波束赋形提升WLAN网络中设备信号覆盖范围,并有效降低来自其它设备的干扰。并且本发明具体实施例中构造的保护帧仅包含基本帧头,基本帧头的传输时间远小于数据传输部分传输的时间,因此不会占用过多的信道资源。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。