CN103999509A - 使用短头帧进行通信的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于传送来自功率受限设备的信息的方法包括所述功率受限设备配置具有比全长MAC帧更少字段的短媒体接入控制(MAC)帧。所述方法还包括所述功率受限设备传输所述短MAC帧。

Description

使用短头帧进行通信的系统和方法
相关申请案交叉申请
本发明要求2011年12月15日递交的发明名称为“用于无线局域网短数据帧的系统和方法”的第61/576237号美国临时专利申请案和2012年1月13日递交的发明名称为“用于无线局域网短数据帧的系统和方法”的第61/586581号美国临时专利申请案的在先申请优先权，并要求2012年10月12日递交的发明名称为“使用短头帧进行通信的系统和方法”的第13/651363号美国专利申请案的在先申请优先权，这些在先申请的内容以引用的方式并入本文中，如同全文再现一般。
技术领域
本发明大体涉及数字通信，尤其涉及一种使用短数据帧进行通信的系统和方法。
背景技术
Wi-Fi是用于连接电子设备的无线标准。Wi-Fi也可以称为IEEE802.11。通常，当连接到服务提供商的Wi-Fi网络的覆盖范围内时，启用Wi-Fi的设备(通常也称为通信台)，例如，个人计算机、平板电脑、个人数字助理、游戏机、电视、智能电话、数字媒体播放器等可以连接到服务提供商。
IEEE802.11的目标在于支持新设备或通信台集。IEEE802.11ah工作组是一个致力于这种目标的组织。IEEE802.11ah工作组中感兴趣的新设备集的主要特征在于这些设备的功耗受限。新设备通常由电池供电，其目标在于多年无需更换电池进行工作。
发明内容
本发明的示例实施例提供一种使用短头帧进行通信的系统和方法。
根据本发明的示例实施例，提供一种用于传送来自功率受限设备的信息的方法。所述方法包括所述功率受限设备配置具有比正常MAC帧更少字段的短媒体接入控制(MAC)帧。所述方法还包括所述功率受限设备传输所述短MAC帧。
根据本发明的示例实施例，提供一种存储在存储器中的短帧。所述短帧包括紧邻第一地址字段的帧控制字段，紧邻所述第一地址字段的第二地址字段以及紧邻所述第二地址字段的序列控制字段。所述短帧还包括邻近所述序列控制字段的帧校验序列字段，其中所述短帧具有比正常帧更少的字段。
根据本发明的另一示例实施例，提供一种通信设备。所述通信设备包括发射器，以及可操作地耦合到所述发射器的处理器。所述发射器传输短媒体接入控制(MAC)帧，所述短MAC帧具有比正常MAC帧更少的字段。所述处理器生成所述短MAC帧。
实施例的一个优点在于短头帧降低了对延长电池寿命感兴趣的电池供电设备的通信开销。这些设备无需接收和/或传输同样多的信息。因此，电池可以支持这些设备运行更长时间。
实施例的另一优点在于短头帧包括通常在全长头帧中出现的控制信息集。因此，短头帧的处理被缩短，并且由于处理要求放宽，设备制作更为简单。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：
图1示出了根据本文所述的示例实施例的示例通信系统；
图2示出了全长IEEE802.11MAC帧；
图3示出了MAC帧中的全长帧控制字段；
图4示出了根据本文所述的示例实施例的第一示例缩短的MAC帧；
图5示出了根据本文所述的示例实施例的示例缩短的帧控制字段；
图6示出了根据本文所述的示例实施例的示例PHY协议数据单元(PPDU)；
图7示出了根据本文所述的示例实施例的示例修改的帧控制字段，该字段用于支持指示缩短的MAC帧和帧控制字段中的接入类别(AC)；
图8示出了根据本文所述的示例实施例的第二示例缩短的MAC帧；
图9图示了根据本文所述的示例实施例的示例通信设备；以及
图10示出了根据本文所述的示例实施例的短帧传输过程中的操作的示例流程图。
具体实施方式
下文将详细讨论对当前示例实施例及其结构的操作。但应了解，本发明提供了可以在多种具体环境中实施的许多适用的发明概念。所论述的具体实施例仅仅说明本发明的具体结构以及用于操作本发明的具体方式，而不应限制本发明的范围。
本发明的一项实施例涉及使用短头帧进行通信。例如，通信设备传输短媒体接入控制帧，其具有比全长媒体接入帧更少的字段。例如，短帧包括紧邻第一地址字段的帧控制字段，紧邻第一地址字段的第二地址字段，紧邻第二地址字段的序列控制字段，以及邻近序列控制字段的帧校验序列字段。
将结合特定背景中的示例实施例来描述本发明，该特定背景是指支持简化的电池供电设备的符合IEEE802.11ah的通信系统。然而，本发明还可应用于支持简化的电池供电设备的其他符合标准和不符合任何标准的通信系统。
图1示出了示例通信系统100。通信系统100可包括能够通过接入点(AP)105彼此通信的多个启用Wi-Fi的装置(通常也称为通信台或STA)。此外，通信台还可与AP105进行通信。通常，第一通信台(例如照相机110)可以通过向AP105进行传输与第二通信台(例如家用计算机112)和/或第三通信台(例如平板电脑114)进行通信，而反过来AP105向第二通信台或第三通信台进行传输。应注意在图1中并未示出到达AP105和来自AP105的传输。
通信系统100还可包括一类新型设备，例如电池受限设备(譬如传感器120)，这类设备主要用于收集信息并且将这些信息提供给信息聚合器。电池受限设备的示例包括温度传感器、雨量传感器、湿度传感器、风传感器、火警传感器、安全传感器、近距离传感器、汽车状态传感器、热传感器等。
一般而言，电池受限设备无需传输大量信息(高带宽通信)或在延长的时间段内保持活动状态。通常，电池受限设备苏醒、进行测量并且偶尔将测量结果发给信息聚合器。因而，电池受限设备一般不会利用功能齐全的先进通信方式(例如，多入多出(MIMO)、多用户(MU)等)以及与之关联的关联控制信令。
其他类型的与电池受限设备的性能要求和需求类似的设备可包括传感器设备、尺寸受限设备、热受限设备等。在不失一般性的情况下，电池受限设备以及这些其他类型的设备可称为功率受限设备。这些功率受限设备可用于权衡通过复杂通信技术、多条天线等可实现的通信性能来延长电池寿命、降低复杂度、尺寸和/或散热。
由于由电池供电并且设计用于最大化电池寿命，与支持功率受限设备相关的问题是需要在传输和接收媒体接入控制(MAC)帧期间维持功率。一般而言，MAC帧越短，传输和/或接收MAC帧的功率受限设备的电池寿命越长。
图2示出了全长IEEE802.11MAC帧200。MAC帧200包括2字节的帧控制字段205、2字节的持续时间标识(ID)字段207、6字节的第一地址字段209、6字节的第二地址字段211、6字节的第三地址字段213、2字节的序列控制字段215、6字节的第四地址字段217、2字节的服务质量(QoS)字段219、4字节的更高吞吐量(HT)控制字段221、可变长度(0至7951字节)帧体223、4字节的帧校验序列(FCS)字段225。加起来，控制信息(除了帧体223的MAC帧200的所有字段)总长为40字节。对于100至300字节的帧体，控制信息开销占设备总传输的12％至29％。此外，由于设备可能不利用全功能通信形式，传输和/或接收控制信息的过程中消耗的大量功率可能不承载有用信息。
通过剔除一些字段和/或给其它字段分配更短的长度可能可以缩短MAC帧头。缩短的MAC帧头(以及从而相应缩短的MAC帧)可由希望最小化功耗以延长电池寿命的设备，以及无需利用全长MAC帧(即，MAC帧200)支持的全功能通信形式的设备使用。
图3示出了MAC帧中的全长帧控制字段300。帧控制字段300是一个2字节长的字段，其包括可能与设备(例如，功率受限设备)无关的信息。帧控制字段300包括2位的协议版本字段305、2位的类型字段307、4位的子类型字段309、1位的去往分配系统(DS)字段311、1位的来自DS字段313、1位的更多分片字段315、1位的重试字段317、1位的功率管理字段319、1位的更多数据字段321、1位的保护帧字段323以及1位的顺序字段325。
帧控制字段300中的一些信息可能与功率受限设备使用的传输无关。例如，对于适合单帧的短传输(例如，具有长度范围为100字节到200字节的数据字段的传输)，更多分片字段315是多余的。此外，功率受限设备的传输很有可能局限于功率受限设备及其AP。因此，由于不再需要使用DS，可剔除四个帧地址格式，以及去往DS字段311和来自DS字段313。
在各项实施例中，全长MAC帧中的一些信息可移除和/或与其它信息合并产生短MAC帧。例如，HT控制字段221通常用于发射器和接收器之间的链路自适应。然而，可使用用于链路自适应的其他技术，这些技术无需在MAC帧中增加4个字节。类似地，QoS字段219包括许多子字段，这些字段与功率受限设备操作无关。因此，将QoS字段219的大小例如从2字节缩为仅2位是有可能的，这2位可用于指示接入类别(AC)，AC表示帧的优先级。
图4示出了第一示例缩短的MAC帧400。MAC帧400包括1字节的帧控制字段405、6字节的源地址字段407(源地址字段407还可称为地址1字段407)、6字节的目标地址字段409(目标地址字段409还可称为地址2字段409)、1字节的序列控制字段411、可变长度帧体413以及2字节或4字节的FCS字段415。如图4所示，MAC帧400包括两个地址，而不是先前所示的四个地址。源地址字段407可包括传输MAC帧400的功率受限设备的MAC地址，而目标地址字段409可包括MAC帧400的目标设备的MAC地址。应注意，尽管在图4中示为6字节长，源地址字段407和目标地址字段409中的一个或两个可为任意大小，包括0字节(即，不存在这两个字段)。例如，源地址字段407和目标地址字段409中的一个或两个可为0、1、2、3、4、5、6、7等字节长的字段。还应注意，MAC帧400不包括QoS字段和HT控制字段，以及与帧控制字段405中包含的AC相关的信息。
FCS字段415可为例如2字节或4字节长。例如，当FCS字段415为2字节长时，其可包含IEEE802.1116位的循环冗余校验(CRC)或16位的前向纠错(FEC)码。又例如，当FCS字段415为4字节长时，其可包含IEEE802.1132位的CRC。
应注意，MAC帧400的字段长度仅用作示例性目的，其他长度也是可能的。因此，对MAC帧400的字段的示例长度的论述不应被解释成限制了这些示例实施例的范围或精神。此外，MAC帧400中的字段顺序示为说明性示例。MAC帧400中的字段可能存在其它顺序。
图5示出了示例缩短的帧控制字段500。帧控制字段500可为MAC帧400的帧控制字段405的示例实施例。帧控制字段500可被缩短为1字节的字段(与上述MAC字段的帧控制字段的2字节的字段相比)。帧控制字段500包括1位的协议版本字段505、2位的AC字段507、2位的帧类型字段509以及3位的子类型字段511。例如，帧类型字段509可指示帧类型：数据、管理或控制帧。子类型字段511可指示特定类型中的帧的子类型，例如，确认(ACK)帧、请求发送(RTS)帧等。应注意，帧控制字段500的示例长度及其相应字段仅用作说明性目的，其他长度也是可能的。此外，帧控制字段500中的字段顺序示为说明性示例。帧控制字段500中的字段可能存在其它顺序。
由于缩短的MAC帧(例如，MAC帧400)与全长MAC帧(例如，MAC帧200)不同，可能需要一种机制来区分缩短的MAC帧和全长MAC帧。根据示例实施例，可使用指示符区分缩短的MAC帧和全长MAC帧。例如，物理层(PHY)头中的1位可用于区分缩短的MAC帧和全长MAC帧。
图6示出了PHY协议数据单元(PPDU)600。PPDU600包括PPDU头605和数据区610。PPDU头605包括短训练字段(STF)615、第一长训练字段(LTF)617、信号字段619以及第二LTF字段621。信号字段619中的短帧指示(SFI)625可指示数据区610中的MAC帧为缩短的MAC帧。SFI625可为单一位值，但是可使用多位(例如2、3、4等)。应注意，PPDU600是PHY控制元素的示例，PHY控制元素可用于携带缩短的MAC帧指示。
可能存在其它用于指示不利用PPDU头的缩短的MAC帧的技术。例如，缩短的MAC帧指示还可包括在帧的MAC头中。又例如，帧控制字段(例如帧控制字段500)的子类型字段(例如子类型字段511)中的值可用于指示缩短的MAC帧。或者，可修改帧控制字段300，这样子类型字段309可用于指示缩短的MAC帧(请参见下述图7对帧控制字段300进行示例修改)。使用帧控制字段来指示缩短的MAC帧可能是有利的，因为不需要PHY头资源。
图7示出了修改的帧控制字段700，用于支持指示缩短的MAC帧和帧控制字段中的接入类别。帧控制字段700包括2位的协议版本字段705、2位的类型字段707、4位的子类型字段709、1位的去往DS字段711、1位的来自DS字段713、2位的AC字段715、1位的功率管理字段717、1位的更多数据字段719、1位的保护帧字段721以及1位的顺序字段723。子类型字段709可用于携带缩短的MAC帧的指示符。为了避免增加QoS字段，帧控制字段700(即，AC字段715)的两位可用于AC指示。尽管示为2位字段，AC字段715的长度可为任意位数，例如1、3、4等。此外，AC字段715可位于MAC头中的任意位置。
图8示出了第二示例缩短的MAC帧800。MAC帧800包括2字节的帧控制字段805、6字节的源地址(或地址1)字段807、6字节的目标地址(或地址2)字段809、1字节的序列控制字段811、可变长度帧体813以及2或4字节的FEC字段815。应注意，尽管在图8中示为6字节长，源地址字段807和目标地址字段809中的一个或两个可为任意大小，包括0字节(即，这两个字段不存在)。
图9示出了通信设备900的图解。通信设备900可以是功率受限设备的实施方案，例如传感器设备或用于权衡尺寸、复杂度、电池寿命等的设备，用于延长通信系统的电池寿命，降低复杂度、尺寸和/或散热。通信设备900可用于实施本文所论述的各种实施例。如图9所述，发射器905用于发送缩短的MAC帧、缩短的MAC帧的指示、信息等，而接收器910用于接收缩短的MAC帧、缩短的MAC帧的指示、信息等。发射器905和接收器910可具有无线接口、有线接口或其组合。
帧生成单元920用于生成MAC帧进行传输，例如缩短的MAC帧和/或全长MAC帧，以及MAC帧指示符。帧处理单元922用于处理接收的MAC帧，例如缩短的MAC帧和/或全长MAC帧，以及MAC帧指示符。存储器930用于存储MAC帧、用于填充MAC帧的信息等。
通信设备900的元件可实施为特定的硬件逻辑块。在替代性实施例中，通信设备900的元件可实施为在处理器、控制器、专用集成电路等中执行的软件。在又一替代性实施例中，通信设备900的元件可实施为软件和/或硬件的组合。
例如，发射器905和接收器910可实施为专用硬件块，而帧生成单元920和帧处理单元922可以是在处理器915(例如微处理器、数字信号处理器、定制电路、或者现场可编程逻辑阵列的定制编译逻辑阵列)中执行的软件模块。
图10示出了短帧传输过程中的操作1000的流程图。当设备传输具有比全长帧更少字段的短帧时，操作1000可表示发生在设备(例如功率受限设备、AP等)中的操作。短帧传输有助于降低设备中的功耗以及接收设备处的功耗。操作1000可包括传输短帧的设备(方框1005)。
尽管已详细描述本发明及其优点，但应理解，在不脱离所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替代和更改。

Claims (23)

1.一种用于传送来自功率受限设备的信息的方法，其特征在于，包括：所述功率受限设备配置具有比全长MAC帧更少字段的短媒体接入控制(MAC)帧；以及
所述功率受限设备传输所述短MAC帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短MAC帧包括至少一个字段，所述字段的长度短于所述全长MAC帧中的字段长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短MAC帧包括帧控制字段、2个MAC地址字段、序列控制字段以及帧校验序列字段。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述帧控制字段为1字节长和2字节长的字段中的一个，2个MAC地址字段均为可变长度字段，序列字段为1字节长的字段，以及帧校验序列字段为2字节长和4字节长的字段中的一个。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，帧接入类别由所述短MAC帧中的一位或多位指示。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述帧接入类别为所述短MAC帧提供了与服务质量标准相关的信息。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短MAC帧包括帧控制字段、2个MAC地址字段、序列控制字段以及前向差错校验字段。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述帧控制字段为1字节长和2字节长的字段中的一个，2个MAC地址字段均为可变长度字段，序列字段为1字节长的字段，以及前向差错校验字段为2字节长和4字节长的字段中的一个。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短MAC帧具有短帧指示。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述短帧指示位于物理层协议数据单元的信号字段中。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述短帧指示包括1位。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述短MAC帧具有帧控制字段中的子类型字段，所述子类型字段区分所述短MAC帧和所述全长MAC帧。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短MAC帧是缩短的IEEE802.11帧。
14.一种存储在存储器中的短帧，其特征在于，包括：
紧邻第一地址字段的帧控制字段；
紧邻所述第一地址字段的第二地址字段；
紧邻所述第二地址字段的序列控制字段；以及
邻近所述序列控制字段的帧校验序列字段，其中所述短帧具有比全长帧更少的字段。
15.根据权利要求14所述的短帧，其特征在于，所述帧校验序列字段与所述序列控制字段通过帧体隔开。
16.根据权利要求14所述的短帧，其特征在于，所述帧控制字段为1字节长和2字节长的字段中的一个，所述第一地址和所述第二地址字段均为可变长度字段，所述序列控制字段为1字节长的字段，以及所述帧校验序列字段为2字节长和4字节长的字段中的一个。
17.根据权利要求14所述的短帧，其特征在于，进一步包括紧邻所述帧控制字段和所述帧校验序列的数据字段。
18.一种通信设备，其特征在于，包括：
发射器，用于传输短媒体接入控制(MAC)帧，所述短MAC帧具有比全长MAC帧更少的字段；以及
可操作地耦合到所述发射器的处理器，所述处理器用于生成所述短MAC帧。
19.根据权利要求18所述的通信设备，其特征在于，所述短MAC帧包括至少一个字段，所述字段的长度短于所述全长MAC帧中的字段长度。
20.根据权利要求18所述的通信设备，其特征在于，所述短MAC帧包括帧控制字段、2个MAC地址字段、序列控制字段以及帧校验序列字段。
21.根据权利要求18所述的通信设备，其特征在于，所述短MAC帧包括帧控制字段、2个MAC地址字段、序列控制字段以及前向错误校验字段。
22.根据权利要求18所述的通信设备，其特征在于，所述处理器用于使用短帧指示区分所述短MAC帧和所述全长MAC帧。
23.根据权利要求18所述的通信设备，其特征在于，所述处理器用于使用所述全长MAC帧的帧控制字段中的子类型字段区分所述短MAC帧和所述全长MAC帧。
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