CN104219780B - 一种支持全双工ofdma的随机接入介质访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持全双工OFDMA的随机接入介质访问控制方法，包含以下步骤：一、所有OFDMA用户通过全双工接入点发送的已知信号来估计各自的子信道状态，并由此选择子信道；二、当选中的子信道空闲时，全双工接入点和OFDMA用户一起采用CSMA/CD的方式进行竞争占用子信道，通过对子信道物理层报头和虚拟MAC报头的检测，判断子信道发生碰撞的情况，采取相应的应对措施降低碰撞时间，同时如果全双工接入点和OFDMA用户之间有数据要互相发送则建立全双工通信。本发明在物理层方面，修改了802.11的帧结构，使得OFDMA系统能够充分利用单频全双工通信技术，并实现了OFDMA各子信道之间的解耦。

Description

一种支持全双工OFDMA的随机接入介质访问控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种针对全双工OFDMA系统的随机接入介质访问控制方法。

背景技术

正交频分多路接入(OFDMA)，是一种广泛应用于下一代无线网络中的通信技术，在OFDMA系统中，众多通信节点分享不同的子信道。为此，需要一定的介质访问控制方法来协调系统的通信。目前针对OFDMA提出的介质访问控制方法存在以下不足：

(1)当一个节点在特定子信道上传送数据时，该节点无法感知其他子信道的状态，因此，即使其他子信道是空闲的，该节点也无法利用。

(2)当没有一个特定的独立子信道时，ACK无法及时传输，或者传输有延迟，这对于随机访问控制协议来说是不合适的。

(3)每当产生数据碰撞时，必须等待整个数据包发送完毕，由此，碰撞时间被无谓的延长了。

(4)子信道中上行链路和下行链路的数据是通过时分多址的方式传输的，这对于不平衡的时变突发性数据传输来说不够灵活。

发明内容

为了克服上述现有方法的不足，本发明的目的在于提供一种支持全双工OFDMA的随机接入介质访问控制方法，实现了OFDMA系统中个子信道相互解耦，使得OFDMA系统用户的随机接入成为可能。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种支持全双工OFDMA的随机接入介质访问控制方法，包含以下步骤：

步骤一、所有OFDMA用户通过全双工接入点发送的已知信号来估计各自的子信道状态，并由此选择部分子信道，以获得多用户增益；

步骤二、当选中的子信道空闲时，全双工接入点和OFDMA用户一起采用CSMA/CD的方式进行竞争占用子信道，通过对子信道物理层报头和虚拟MAC报头的检测，判断子信道发生碰撞的情况，采取相应的应对措施降低碰撞时间，同时全双工接入点和OFDMA用户通过解析接收到的数据帧的虚拟MAC报头，如果全双工接入点和OFDMA用户之间有数据要互相发送则建立全双工通信；

其中，所述数据帧由物理层报头，虚拟MAC报头，以及MAC数据组成，所述虚拟MAC报头部分包含数据的源地址、目的地址、以及循环冗余校验码。

依据上述特征，所述步骤一中选择子信道可以从以下二种算法中选择一种：

算法一：每个OFDMA用户都选择对自己而言链路质量最优的X个子信道，为保证公平，各个OFDMA用户选择的最优X个子信道数目相同；

算法二：在不同信噪比下需要选择不同的调制和编码方式，使误码率低于一定水平，每个OFDMA用户都选择调制和编码方式高于某一值的子信道，即信噪比大于某一值的子信道。

依据上述特征，所述步骤二中OFDMA用户进行CSMA/CD子信道竞争包含以下步骤：

步骤a.1)、当OFDMA用户监听到子信道被占用，则OFDMA用户停止竞争，同时接收子信道中的数据帧，持续时间；OFDMA用户根据接收到的数据帧中的虚拟MAC报头部分的内容，执行以下步骤：

步骤a.1.1)、如果OFDMA用户发现该数据帧是全双工接入点发送给自己的，那么OFDMA用户继续监听信道SIFS时长，如果信道仍旧被占用，那么OFDMA用户在接收全双工接入点发送的数据帧的同时发送数据帧给全双工接入点；如果SIFS时长内信道变得空闲了，那么OFDMA用户保持静默，不发送数据；

步骤a.1.2)、如果OFDMA用户发现数据帧不是发给自己的，或者接收到的数据帧发生了碰撞，那么OFDMA用户保持静默直到数据发送完毕；

步骤a.2)、当OFDMA用户竞争到了信道，开始向全双工接入点发送数据帧，同时持续监听信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下四种状态时，OFDMA用户持续向全双工接入点发送数据帧：

状态A1)、全双工接入点同时竞争到了信道，恰好向OFDMA用户发送数据帧，此时OFDMA用户得知数据帧来自全双工接入点并发送给自己，构成全双工通信；

状态A2)、全双工接入点同时竞争到了信道，向另一OFDMA用户发送数据帧，此时OFDMA用户通过虚拟MAC报头部分得知数据帧是全双工接入点发送给另一OFDMA用户的，于是继续发送数据帧，而全双工接入点接收到OFDMA用户的数据帧，得知某一OFDMA用户在向自己发送数据帧后，停止发送给另一OFDMA用户的数据帧，向给自己发送数据帧的OFDMA用户发送数据帧；

状态A3)、全双工接入点抓住了全双工通信的机会向OFDMA用户发送数据，此时OFDMA用户通过接收到的虚拟MAC报头得知数据来自全双工接入点，并发送给自己；

状态A4)、全双工接入点发送了“信道忙”信号；

步骤a.3)、当OFDMA用户竞争到了信道，开始向全双工接入点发送数据帧，同时持续监听信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下三种状态时，OFDMA用户停止向全双工接入点发送数据帧：

状态B1)、当OFDMA用户接收到的数据帧显示数据帧来自另一OFDMA用户时；

状态B2)、当OFDMA用户接收到的虚拟MAC报头解码错误；

状态B3)、当OFDMA用户收到全双工接入点发送的阻塞信号。

依据上述特征，所述步骤二中全双工接入点进行CSMA/CD子信道竞争包含以下步骤：

步骤b.1)、竞争期间，全双工接入点监听到子信道被占用，则停止竞争，同时接收子信道中的数据帧，持续时间；通过解析数据帧中的虚拟MAC报头部分，执行以下步骤：

步骤b.1.1)、虚拟MAC报头被正确解码，显示只有一个OFDMA用户向全双工接入点发送数据，如果全双工接入点也有数据发送给该OFDMA用户，那么全双工接入点建立全双工通信和OFDMA用户发送数据；如果全双工接入点没有发送给该OFDMA用户的数据，全双工接入点发送一个“信道忙”信号，来阻止隐藏终端节点的数据传输；

步骤b.1.2)、虚拟MAC报头解码不正确，那么全双工接入点继续监听SIFS，如果子信道变得空闲了，则全双工接入点重新开始竞争子信道的流程；如果子信道依旧被占用，则全双工接入点发送一个阻塞信号；

步骤b.2)、全双工接入点竞争到了子信道，那么全双工接入点随机选取一个OFDMA用户，向其发送数据，同时监听子信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下三种情况，全双工接入点继续向被选中的OFDMA用户发送数据：

状态C1)、检测到子信道空闲；

状态C2)、检测到被选中的OFDMA用户发送给全双工接入点的数据帧；

状态C3)、被选中的OFDMA用户与全双工接入点同时竞争到了子信道，则全双工建立。

步骤b.3)、全双工接入点竞争到了子信道，那么全双工接入点随机选取一个OFDMA用户，向其发送数据，同时监听子信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下两种情况，全双工接入点停止向选取的OFDMA用户发送数据帧：

状态D1)、有另一OFDMA用户同时竞争到了子信道并发送数据给全双工接入点，则全双工接入点停止向被选中的OFDMA用户发送数据帧，转而向另一OFDMA用户发送数据帧，建立全双工通信。

状态D2)、当虚拟MAC报头无法正确解码，全双工接入点停止发送并继续监听SIFS时长，如果子信道再次变得空闲，则全双工接入点保持静默；否则如果子信道依旧被占用，那么全双工接入点发送阻塞信号。

依据上述特征，所述物理层报头包含3个区域，分别是短训练序列区、长训练序列区，以及信号区；

所述短训练序列区用于检测数据包；

所述长训练序列区用于进行子信道估计；

所述信号区用于记录MAC数据采用的调制方式和编码方式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、引入了全双工的物理层技术，并提出了相应的物理层帧结构和MAC层协议，以及子信道选择算法，实现了OFDMA系统子信道的相互解耦，使得OFDMA系统用户的随机接入成为可能。

2、全双工的双向性大大提高了网络吞吐量，也降低了介质访问控制方法的复杂度。

3、全双工使得无线环境中的冲突检测成为可能，从而降低了冲突带来的延迟时间。此外也由此通过全双工接入点的阻塞信号解决了隐藏终端的问题。

附图说明

图1为本发明的帧结构。

图2a为全双工接入点获得子信道，OFDMA用户与全双工接入点建立全双工数据链路的情况。

图2b为OFDMA用户获得子信道，全双工接入点与用户建立全双工数据链路的情况。

图2c为OFDMA用户获得子信道，全双工接入点也获得子信道但向另一个OFDMA用户发送数据，最后全双工接入点与获得子信道的用户建立全双工链路的情况。

图2d为OFDMA用户与全双工接入点同时获得子信道，并恰好相互发送数据建立全双工链路的情况。

图3为全双工接入点发送信道忙的情况。

图4a为多个OFDMA用户之间发生碰撞的情况。

图4b为多个OFDMA用户与全双工接入点之间同时发生碰撞的情况。

图5a为隐终端OFDMA用户之间发生碰撞，全双工接入点发送阻塞信号的情况。

图5b为隐终端OFDMA用户与全双工接入点一起发生碰撞，全双工接入点发送阻塞信号的情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明在物理层方面，修改了802.11的帧结构，充分利用了单频全双工通信技术。在帧中修改了物理层报头并加入了虚拟MAC报头(VMAC-hdr)。.

物理的数据帧结构总体分为3个部分：物理层报头(PHY-hdr)，虚拟MAC报头(VMAC-hdr)，以及MAC数据(MAC-data)组成。其中物理层报头包含3个区域，分别是短训练序列区(STS)、长训练序列区(LTS)，以及信号区(SF)。

物理层报头中短训练序列区的作用是检测数据包，长训练序列区的作用是进行子信道估计，而信号区的作用则是记录MAC数据采用的调制方式和编码方式。

此外物理层报头之后增加了一段被称为虚拟MAC报头的区域。虚拟MAC报头包含3部分，分别是数据的源地址(SA)，目的地址(DA)，以及一段循环冗余校验码(CRC)。虚拟MAC报头主要有两个作用：

(1)用于帮助通信节点找出全双工通信的机会。比如当一个OFDMA用户A向全双工接入点(以下简称AP)发送数据帧，当AP收到OFDMA用户A发送的虚拟MAC报头后，解析出源地址是该OFDMA用户A，如果AP此时也正好有数据需要发送给OFDMA用户A，那么就在接收OFDMA用户A的数据帧的同时向OFDMA用户A发送数据帧，从而抓住了一次全双工通信的机会。

(2)用于检测碰撞。比如当OFDMA用户A和OFDMA用户B同时向AP发送数据时，由于全双工通信的原理，也能够同时听到对方的发送的数据，那么当收到对方的虚拟MAC报头后，就得知还有其他用户在同时发送数据，发生了碰撞，由此立刻停止发送。

而帧结构中的MAC数据部分并没有修改，同802.11是兼容的。

由于物理层的每个子信道都可以看作彼此独立的，因此MAC层协议是针对每个单独子信道的。本发明可以将各子信道之间解耦，如果一个用户同时选择了多个子信道，每个子信道都采用相同的接入办法。以一个子信道为例，基于CSMA/CD方案的MAC协议按照如下方法实施。

1、所有OFDMA用户通过全双工接入点发送的已知信号来估计各自的子信道状态，并由此选择子信道，以获得多用户增益。两种子信道选择算法被提出。

第一种算法是：每个用户都选择对自己而言链路质量最优的X个子信道。由于每个用户的最优子信道通常都不同，并且数目X对于每个用户都是相同的，因此该算法对于所有用户都是公平的。

第二种算法是：在不同信噪比下需要选择不同的调制和编码方式，才能够保证误码率在不同信噪比下都低于一定水平。该算法让每个用户都选择对自己而言调制和编码水平在一定区间以上的子信道，比如每个用户都选择对自己而言调制和编码水平在6以上的所有子信道。这种算法保证了只有信噪比条件好的子信道被选中，从而能够提升系统性能。

2、对于每个子信道，当子信道空闲时，AP和OFDMA用户一起采用信道感知多用户接入/碰撞检测CSMA/CD的方式进行公平竞争。

3、竞争期间，当OFDMA用户A监听到子信道被占用，则OFDMA用户A停止竞争，同时接收子信道中的数据，持续时间。OFDMA用户A根据接收到的数据帧中的虚拟MAC报头部分的内容，执行以下步骤：

(1)如果OFDMA用户A发现该数据帧是AP发送给自己的，那么OFDMA用户A继续监听子信道SIFS时长，如果子信道仍旧被占用，那么OFDMA用户A就会抓住全双工通信的机会，接收AP数据帧的同时发送数据帧给AP，如图2a所示。但如果SIFS时长内子信道变得空闲了，那么OFDMA用户A就保持静默，不发送数据。

(2)如果OFDMA用户A发现数据帧不是发给自己的，或者接收到的数据帧发生了碰撞，那么OFDMA用户A保持静默直到数据发送完毕。

4、如果竞争期间，当OFDMA用户A竞争到了子信道，那么开始向AP发送数据帧，同时持续监听子信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下四种状态时，OFDMA用户A持续向AP发送数据帧：

状态A1)、AP同时竞争到了子信道，恰好向OFDMA用户A发送数据帧，此时OFDMA用户A得知数据帧来自AP并发送给自己，构成了全双工通信，如图2(d)所示。

状态A2)、AP同时竞争到了子信道，向另外的OFDMA用户发送数据。此时OFDMA用户A通过虚拟MAC报头得知数据是AP发送给另一个OFDMA用户的，于是继续发送。但此时AP接收到OFDMA用户A的虚拟MAC报头，得知OFDMA用户A在向自己发送数据帧，于是会停止发送给其他OFDMA用户的数据帧，转而抓住全双工的机会，开始向OFDMA用户A发送数据帧，如图2(c)所示。

状态A3)、AP抓住了全双工通信的机会，此时OFDMA用户A通过接收到的虚拟MAC报头得知数据帧来自AP，并发送给自己，如图2(b)所示。

状态A4)、AP发送了“信道忙”信号，如图3所示。

而当OFDMA用户A监听到以下三种情况时，停止发送：

状态B1)、当OFDMA用户A接收到的虚拟MAC报头显示数据来自另一个OFDMA用户时，说明另一个OFDMA用户也在向AP发送数据帧，则停止发送，如图4a所示。

状态B2)、当OFDMA用户A接收到的虚拟MAC报头解码错误，那么说明发生了冲突，则立刻停止发送，如图4b所示。

状态B3)、当OFDMA用户收到全双工接入点发送的阻塞信号，如图5a、图5b所示。

5、竞争期间，AP监听到子信道被占用，则停止竞争，同时接收子信道中的数据帧，持续时间。通过解析数据帧中的虚拟MAC报头部分，执行以下步骤：

(1)虚拟MAC报头被正确解码，显示只有一个OFDMA用户向AP发送数据帧，如果AP也有数据帧发送给该OFDMA用户，那么AP就抓住一个全双工通信的机会进行数据发送，如图2b所示。如果AP没有发送给该用户的数据帧，那么AP会发送一个“信道忙”信号，来阻止隐藏终端节点的数据传输，如图3所示。

(2)虚拟MAC报头解码不正确，说明产生了冲突，那么AP继续监听SIFS，如果子信道变得空闲了，则AP重新开始竞争子信道的流程，如图4a所示；如果子信道依旧被占用，说明发生碰撞的用户相互是隐终端，则AP发送一个阻塞信号，用来终止所有用户的发送，如图5a所示。

6、竞争期间，AP竞争到了子信道，那么AP随机选取一个OFDMA用户，比如OFDMA用户A向其发送数据帧，同时监听子信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下三种情况，AP继续发送数据帧：

状态C1)、检测到子信道空闲，这是由于被选中的OFDMA用户A没有发送给AP的数据帧。

状态C2)、检测到被选中的OFDMA用户发送给AP的数据帧，说明全双工通信建立，如图2a所示。

状态C3)、被选中的OFDMA用户A与AP同时竞争到了子信道，则全双工建立，如图2d所示。

当监听到以下两种情况，AP停止发送：

状态D1)、有其他OFDMA用户B同时竞争到了子信道并发送数据帧给AP。此时AP通过解码虚拟MAC报头知道数据帧不是来自于OFDMA用户A，则这时AP停止向OFDMA用户A发送数据帧，同时，如果AP有发送给OFDMA用户B的数据帧，那么转而向OFDMA用户B发送数据帧，建立全双工通信，如图2c所示。

状态D2)、当虚拟MAC报头无法正确解码，AP知道产生了冲突，此时AP停止发送并继续监听SIFS时长，如果子信道再次变得空闲，则AP保持静默，如图4b所示，否则如果子信道依旧被占用，说明发生碰撞的用户相互是隐终端，那么AP发送阻塞信号，终止所有用户的发送，如图5b所示。

Claims (2)

1.一种支持全双工OFDMA的随机接入介质访问控制方法，包含以下步骤：

步骤一、所有OFDMA用户通过全双工接入点发送的已知信号来估计各自的子信道状态，并由此选择部分子信道接入；

步骤二、当选中的子信道空闲时，全双工接入点和OFDMA用户一起采用CSMA/CD的方式进行竞争占用子信道，通过对子信道物理层报头和虚拟MAC报头的检测，判断子信道发生碰撞的情况，采取相应的应对措施降低碰撞时间，同时全双工接入点和OFDMA用户通过解析接收到的数据帧的虚拟MAC报头，如果全双工接入点和OFDMA用户之间有数据要互相发送则建立全双工通信；

其中，所述数据帧由物理层报头，虚拟MAC报头，以及MAC数据组成，所述虚拟MAC报头部分包含数据的源地址、目的地址、以及循环冗余校验码；

所述步骤二中OFDMA用户进行CSMA/CD子信道竞争包含以下步骤：

步骤a.1)、当OFDMA用户监听到子信道被占用，则OFDMA用户停止竞争，同时接收子信道中的数据帧，持续时间OFDMA用户根据接收到的数据帧中的虚拟MAC报头的内容，执行以下步骤：

步骤a.1.1)、如果OFDMA用户发现该数据帧是全双工接入点发送给自己的，那么OFDMA用户继续监听信道SIFS时长，如果信道仍旧被占用，那么OFDMA用户在接收全双工接入点发送的数据帧的同时发送数据帧给全双工接入点；如果SIFS时长内信道变得空闲了，那么OFDMA用户保持静默，不发送数据；

步骤a.1.2)、如果OFDMA用户发现数据帧不是发给自己的，或者接收到的数据帧发生了碰撞，那么OFDMA用户保持静默直到数据发送完毕；

步骤a.2)、当OFDMA用户竞争到了信道，开始向全双工接入点发送数据帧，同时持续监听信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下四种状态时，OFDMA用户持续向全双工接入点发送数据帧：

状态A1)、全双工接入点同时竞争到了信道，恰好向OFDMA用户发送数据帧，此时OFDMA用户得知数据帧来自全双工接入点并发送给自己，构成全双工通信；

状态A2)、全双工接入点同时竞争到了信道，向另一OFDMA用户发送数据帧，此时OFDMA用户通过虚拟MAC报头得知数据帧是全双工接入点发送给另一OFDMA用户的，于是继续发送数据帧，而全双工接入点接收到OFDMA用户的数据帧，得知某一OFDMA用户在向自己发送数据帧后，停止发送给另一OFDMA用户的数据帧，向给自己发送数据帧的OFDMA用户发送数据帧；

状态A3)、全双工接入点抓住了全双工通信的机会向OFDMA用户发送数据，此时OFDMA用户通过接收到的虚拟MAC报头得知数据来自全双工接入点，并发送给自己；

状态A4)、全双工接入点发送了“信道忙”信号；

步骤a.3)、当OFDMA用户竞争到了信道，开始向全双工接入点发送数据帧，同时持续监听信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下三种状态时，OFDMA用户停止向全双工接入点发送数据帧：

状态B1)、当OFDMA用户接收到的数据帧显示数据帧来自另一OFDMA用户时；

状态B2)、当OFDMA用户接收到的虚拟MAC报头解码错误；

状态B3)、当OFDMA用户收到全双工接入点发送的阻塞信号；

所述步骤二中全双工接入点进行CSMA/CD子信道竞争包含以下步骤：

步骤b.1)、竞争期间，全双工接入点监听到子信道被占用，则停止竞争，同时接收子信道中的数据帧，持续时间通过解析数据帧中的虚拟MAC报头部分，执行以下步骤：

步骤b.1.1)、虚拟MAC报头被正确解码，显示只有一个OFDMA用户向全双工接入点发送数据，如果全双工接入点也有数据发送给该OFDMA用户，那么全双工接入点建立全双工通信和OFDMA用户发送数据；如果全双工接入点没有发送给该OFDMA用户的数据，全双工接入点发送一个“信道忙”信号，来阻止隐藏终端节点的数据传输；

步骤b.1.2)、虚拟MAC报头解码不正确，那么全双工接入点继续监听SIFS，如果子信道变得空闲了，则全双工接入点重新开始竞争子信道的流程；如果子信道依旧被占用，则全双工接入点发送一个阻塞信号；

步骤b.2)、全双工接入点竞争到了子信道，那么全双工接入点随机选取一个OFDMA用户，向其发送数据，同时监听子信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下三种情况，全双工接入点继续向被选中的OFDMA用户发送数据：

状态C1)、检测到子信道空闲；

状态C2)、检测到被选中的OFDMA用户发送给全双工接入点的数据帧；

状态C3)、被选中的OFDMA用户与全双工接入点同时竞争到了子信道，则全双工建立；

步骤b.3)、全双工接入点竞争到了子信道，那么全双工接入点随机选取一个OFDMA用户，向其发送数据，同时监听子信道状态，解析虚拟MAC报头的数据，判断碰撞的情况，当监听到以下两种情况，全双工接入点停止向选取的OFDMA用户发送数据帧：

状态D1)、有另一OFDMA用户同时竞争到了子信道并发送数据给全双工接入点，则全双工接入点停止向被选中的OFDMA用户发送数据帧，转而向另一OFDMA用户发送数据帧，建立全双工通信；

状态D2)、当虚拟MAC报头无法正确解码，全双工接入点停止发送并继续监听SIFS时长，如果子信道再次变得空闲，则全双工接入点保持静默；否则如果子信道依旧被占用，那么全双工接入点发送阻塞信号；

所述物理层报头包含3个区域，分别是短训练序列区、长训练序列区，以及信号区；

所述短训练序列区用于检测数据包；

所述长训练序列区用于进行子信道估计；

所述信号区用于记录MAC数据采用的调制方式和编码方式。

2.根据权利要求1所述的随机接入介质访问控制方法，其特征在于所述步骤一中选择子信道可以从以下二种算法中选择一种：

算法一：每个OFDMA用户都选择对自己而言链路质量最优的X个子信道，各个OFDMA用户选择的最优X个子信道数目相同；

算法二：在不同信噪比下需要选择不同的调制和编码方式，使误码率低于一定水平，每个OFDMA用户都选择调制和编码方式高于某一值的子信道，即信噪比大于某一值的子信道。