CN105050199A - 一种基于正交频分多址接入机制的上行接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于正交频分多址接入机制的上行接入方法，利用冗余接入机制保障高优先级用户接入成功率并减小其数据分组传输时延，根据用户传输的业务类型不同，将网络中的用户分为普通用户和高优先级用户，通过高优先级用户在多个子信道上传输，增加接入成功率，本发明由于引入冗余接入机制，高优先级用户可以在多个子信道上向AP发送多个RTS帧，只要其中一个RTS帧可以被AP正确接收，则本次接入请求成功。本发明方案提高了高优先级用户的接入成功率并降低了高优先级用户的数据分组传输时延，进而提升高优先级用户的QoS。

Description

一种基于正交频分多址接入机制的上行接入方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是一种基于正交频分多址接入机制的通信技术。
背景技术
正交频分多址接入OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)已经在长期演进LTE(LongTermEvolution)和微波存取全球互通WiMax(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)中得到了广泛的应用，并且很有希望被引入到下一代无线局域网WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)中。基于OFDMA机制，整个物理信道被划分为多个子信道，每个子信道由一个或多个正交的子载波构成。在下一代WLAN中，多个用户可以在不同子信道上同时向接入点AP(AccessPoint)发送请求发送RTS(RequestToSend)控制帧来请求传输机会，并可以同时在多个子信道上传输数据分组，从而增加了多址接入MAC(MediaAccessControl)层的效率。
WLAN中的用户可能传输不同类型的业务并具有各自的服务质量QoS(QualityofService)要求。例如进行文件传输的用户对数据分组传输时延具有一定的容忍程度，而进行音视频会话业务的用户希望自己的数据一旦产生就必须在很短时间内发送给AP并转发到因特网。为了在基于OFDMA机制的下一代WLAN中支持不同用户的QoS需求，需要在MAC层进行相应的协议改进。
目前的基于OFMDA机制的多址接入协议MAC(MediaAccessControl)主要关注通过提高多用户并行接入和并行传输能力来提高整个网络的吞吐量。最接近的现有技术是OMAX协议《Q.Qu,B.Li,M.Yang,andZ.J.Yan,“AnOFDMAbasedconcurrentmultiuserMACforupcomingieee802.11ax,”inWCNC2015,2015.inpress.》。基于OMAX协议，每个用户无论传输何种类型的业务，其传输过程均按照如下步骤进行：
步骤1：用户有业务分组到达MAC层，则监听信道直至信道连续空闲达到分布式帧间间隙DIFS(DistributedInter-frameSpacing)时间长度，并转入步骤2。
步骤2：用户在最小竞争窗的范围内随机产生一个退避值并进行退避，当退避完成后，用户随机选择一个子信道给AP发送RTS帧，转入步骤3。
步骤3：AP为每个成功发送RTS帧的用户分配子信道资源，并通过组清除发送G-CTS(GroupClearToSend)帧广播给所有用户，转入步骤4。
步骤4：被成功分配子信道资源的用户在相应的子信道上进行数据传输，转入步骤5。
步骤5：AP通过组确认G-ACK(GroupAcknowledgement)帧确认传输结果。转入步骤1。
在OMAX中，一旦有两个或两个以上的用户同时选择同一个子信道发送RTS帧，则由于信道冲突，这些RTS帧都无法被AP正确接收，这些用户需要等待本次传输完成后再对自己的退避竞争窗进行加倍并重新进行退避。因此该现有技术会增加用户的信道接入失败概率以及数据分组的传输时延，从而严重影响高优先级业务的QoS。
因此，针对上述背景技术的不足，本发明提出了一种基于OFDMA机制的上行接入方法。该方法主要采用一种冗余接入机制来保证高优先级用户的接入成功率并减小数据分组的传输时延，最终提升高优先级用户业务的服务质量QoS。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明利用冗余接入机制保障高优先级用户接入成功率并减小其数据分组传输时延。
根据用户传输的业务类型不同，我们将网络中的用户分为普通用户和高优先级用户。其中，普通用户所传输的业务对时延敏感度较低，例如文件传输业务。高优先级用户所传输的业务对时延敏感度较高，例如音视频会话类业务。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：
步骤1：当普通用户和高优先级用户在MAC层有待发分组时，在[0,CW]内随机产生一个退避计数值，其中CW为用户的最小竞争窗，并转入步骤2；
步骤2：普通用户和高优先级用户监听整个物理信道的忙闲状态，如整个物理信道连续空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS(DistributedInter-frameSpacing)长度，则转入步骤3；
步骤3：每当信道空闲一个时隙长度，则普通用户和高优先级用户的退避计数值减去子信道个数N；如果在退避过程中信道变忙，则转入步骤2，否则继续退避，若退避计数值小于子信道个数N，则转入步骤4；
步骤4：对于普通用户，在N个子信道中随机选择一个子信道并在该子信道上向接入点AP(AccessPoint)发送一个请求发送RTS(RequestToSend)帧；对于高优先级用户，在N个子信道中随机选择两个或两个以上子信道，所述的两个或两个以上子信道要求同时小于等于子信道个数，并同时在每个被选中的子信道上发送一个RTS帧给AP，即冗余接入机制，转入步骤5；
步骤5：AP完成在各个子信道上的RTS帧接收后，如接收到多个RTS帧，则检查RTS帧的发送者，如果有大于一个的RTS帧来自同一个高优先级用户，则只为该用户保留一个RTS帧，转入步骤6；
步骤6：AP为每个成功发送RTS帧的普通用户和高优先级用户分配子信道资源，可采用轮询分配算法进行分配，并将分配结果放入G-CTS帧，其中G-CTS为组清除发送，即GroupClearToSend，然后在短帧间间隔SIFS(ShortInterframeSpace)时间长度后在全信道上将G-CTS帧进行广播，转入步骤7；
步骤7：每个发送RTS的普通用户和高优先级用户接收到全信道上广播的G-CTS帧后，如果G-CTS帧中包含本用户的子信道分配信息，则将自己的待发数据帧平均分配到所分配的子信道上，转入步骤8，否则，将最小竞争窗加倍并重新选择一个退避计数值，转入步骤2；
步骤8：获得子信道的用户在SIFS时间长度后根据G-CTS帧中的子信道分配信息在相应的子信道上发送数据分组，转入步骤9；
步骤9：AP接收普通用户和高优先级用户发送的数据分组后，根据每个子信道上的接收结果来设置G-ACK帧中的Result字段中的相应标志位，其中G-ACK为组确认，即GroupAcknowledgement，每个子信道都会对应Result字段中的一个标志位，每个子信道所对应的标志位定义为正确接收则为1，否则标志位为0，并在SIFS时间长度后将G-ACK帧在全信道进行广播，转入步骤10；
步骤10：普通用户和高优先级用户接收到G-ACK帧后，根据其中的Result字段检查本用户在所分配的子信道上的数据传输是否成功，如果本用户在分配的子信道上传输的数据未全部被AP正确接收，则将退避窗加倍并重新选择一个退避计数值，转入步骤2，否则检查队列中是否有待发送的数据分组，如果有待发数据分组则转入步骤1，否则进入等待上层数据分组状态。
本发明的有益效果是由于引入冗余接入机制，高优先级用户可以在多个子信道上向AP发送多个RTS帧，只要其中一个RTS帧可以被AP正确接收，则本次接入请求成功。本发明方案提高了高优先级用户的接入成功率并降低了高优先级用户的数据分组传输时延，进而提升高优先级用户的QoS。
附图说明
图1是本发明G-CTS帧结构示意图。
图2是本发明G-ACK帧结构示意图。
图3是具体实施例的工作流程图。
其中图中数字2.4.6表示帧中每个字段的长度，也就是字节数，FrameControl字段、Duration字段以及FCS字段分别为帧控制信息，网络分配矢量NAV(NetworkAllocationVector)时间长度以及帧校验序列，RA1到RAN字段分别代表第一个子信道到第N个子信道上所分配用户MAC的地址，RA字段携带的是AP的MAC地址，Result字段中每位代表对应子信道上数据传输的成功(设置为1)或者失败(设置为0)。RTS(U1/H1)表示该子信道上传输的是来自普通用户U1和高优先级用户H1的RTS帧，RTS(H1)表示该子信道上传输的是来自高优先级用户H1的RTS帧，RTS(U2/H2)表示该子信道上传输的是来自普通用户U2和高优先级用户H2的RTS帧，RTS(H2)表示该子信道上传输的是来自高优先级用户H2的RTS帧。DATA(H1)表示该子信道上传输的是来自高优先级用户H1的数据分组，DATA(H2)表示该子信道上传输的是来自高优先级用户H2的数据分组，G-CTS和G-ACK分别代表G-CTS帧和G-ACK帧，slot代表一个时隙长度，SIFS代表一个SIFS时间长度，DIFS代表一个DIFS时间长度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明主要通过改变下一代WLAN中高优先级用户发送RTS帧的数目来实现对高优先级用户接入成功率的提高，以及对数据分组传输时延的降低的目的，具有简单易实现的特点。下面结合实例对本发明的实现进行详细的说明。
假设在下一代WLAN中，有两个普通用户U1和U2，两个高优先级用户H1和H2，它们均希望向AP发送上行数据。基于OFDMA机制，比如将20MHz的整个物理信道被划分为4个5MHz的子信道，每个用户均可以在任意子信道上发送RTS帧。
技术方案的具体实施步骤如下：
步骤1：当普通用户和高优先级用户在MAC层有待发分组时，在[0,CW]内随机产生一个退避计数值，其中CW为用户的最小竞争窗，并转入步骤2；
假设普通用户U1、U2和高优先级用户H1、H2在MAC层有待发分组，首先随机产生一个退避计数值，具体步骤如下：
步骤1.1：普通用户U1、U2和高优先级用户H1、H2各自选择一个竞争窗CW(ContentionWindow)。例如，在第一次发送数据前，CW设置为最小竞争窗，如CW＝31，并转入步骤1.2。
步骤1.2：普通用户U1、U2和高优先级用户H1、H2各自在[0，CW]范围内随机选择一个整数作为退避计数值。例如，普通用户U1、U2和高优先级用户H1、H2选择的退避计数值分别为11，10，9，11。转入步骤2。
步骤2：普通用户和高优先级用户监听整个物理信道的忙闲状态，如整个物理信道连续空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS(DistributedInter-frameSpacing)长度，则转入步骤3；
普通用户U1、U2和高优先级用户H1、H2监听整个物理信道的忙闲状态，直至整个物理信道连续空闲DIFS时间长度，转入步骤3。
步骤3：每当信道空闲一个时隙长度，则普通用户和高优先级用户的退避计数值减去子信道个数N；如果在退避过程中信道变忙，则转入步骤2，否则继续退避，若退避计数值小于子信道个数N，则转入步骤4；
每当信道空闲一个时隙长度，则普通用户U1、U2和高优先级用户H1、H2的退避计数值减去子信道个数N。如果在退避过程中信道变忙，则转入步骤2。否则继续退避，若退避计数值小于子信道个数N，则转入步骤4。例如子信道个数N为4，每个时隙长度为9us，经过第一个空闲时隙后，普通用户U1、U2和高优先级用户H1、H2的退避计数值分别减小为7，6，5，7。经过第二个空闲时隙后，各用户的退避计数值分别减小为3，2，1，3，此时各用户的退避计数值均小于子信道个数4，则同时转入步骤4。
步骤4：对于普通用户，在N个子信道中随机选择一个子信道并在该子信道上向AP发送一个RTS帧；对于高优先级用户，在N个子信道中随机选择两个或两个以上子信道，所述的两个或两个以上子信道要求同时小于等于子信道个数，并同时在每个被选中的子信道上发送一个RTS帧给AP，即冗余接入机制，转入步骤5；
对于普通用户，它随机在N个子信道中选择一个子信道并在该子信道上向AP发送一个RTS帧。对于高优先级用户，它随机在N个子信道中随机选择两个或两个以上(同时小于等于子信道个数N，具体个数可以在算法执行前指定)子信道并同时在每个被选中的子信道上发送一个RTS帧给AP(即冗余接入机制)。例如普通用户U1和U2分别选择子信道1和子信道3并分别向AP发送一个RTS帧。高优先级用户H1和H2各自随机在4个子信道中随机选择两个或两个以上的子信道，比如H1和H2分别选择了子信道1、子信道2，和子信道3、子信道4，并分别在所选的子信道上发送RTS帧给AP，之后转入步骤5。
步骤5：AP完成在各个子信道上的RTS帧接收后，如接收到多个RTS帧，则检查RTS帧的发送者，如果有大于一个的RTS帧来自同一个高优先级用户，则只为该用户保留一个RTS帧，转入步骤6；
AP完成在各个子信道上的RTS帧接收后(可能接收到多个RTS帧)，对这些RTS帧进行检查和处理，具体步骤如下：
步骤5.1：AP依次检查各个子信道上接收RTS帧的正确性，并且只保留正确接收的RTS帧。例如，在子信道1上有来自普通用户U1和高优先级用户H1的RTS帧，在子信道3上有来自普通用户U2高优先级用户H2的RTS帧，它们均会由于冲突而无法被AP正确接收。而在子信道2上高优先级用户H1的RTS帧和在子信道4上高优先级用户H2的RTS帧由于没有冲突均可被AP正确接收，之后转入步骤5.2。
步骤5.2：AP依次检查每个正确接收的RTS帧的发送用户并进行记录，如果检测到多个RTS帧来自同一个用户，则只记录该用户一次。转入步骤6。
步骤6：AP为每个成功发送RTS帧的普通用户和高优先级用户分配子信道资源，可采用轮询分配算法进行分配，并将分配结果放入G-CTS帧，其中G-CTS定义为组清除发送，即GroupClearToSend，然后在短帧间间隔SIFS(ShortInterframeSpace)时间长度后在全信道上将G-CTS帧进行广播，转入步骤7；
具体步骤如下：
步骤6.1：AP根据成功发送RTS帧的用户数，采用某种分配算法(例如，轮询分配算法)将子信道分配给各个用户。例如，如果只有高优先级用户H1和H2成功发送了RTS帧，则AP将子信道1和3分配给高优先级用户H1，将子信道2和4分配给高优先级用户H2，并转入步骤6.2。
步骤6.2：AP根据信道分配结果生成G-CTS帧。例如将高优先级用户H1和H2的地址分别放入G-CTS帧中的RA1和RA3以及RA2和RA4字段。转入步骤6.3。
步骤6.3：AP在SIFS时间长度后，在全信道上将G-CTS帧进行广播，转入步骤7。
步骤7：每个发送RTS的普通用户和高优先级用户接收到全信道上广播的G-CTS帧后，如果G-CTS帧中包含本用户的子信道分配信息，则将自己的待发数据帧平均分配到所分配的子信道上，转入步骤8，否则，将最小竞争窗加倍并重新选择一个退避计数值，转入步骤2；
每个发送RTS的普通用户和高优先级用户接收到全信道上广播的G-CTS帧后，提取其中的子信道分配信息进行处理。如果G-CTS帧中包含本用户的子信道分配信息，例如，高优先级用户H1和H2发现G-CTS帧包含自己的地址，则转入步骤8。否则，各自将竞争窗加倍并在其中重新选择一个新退避计数值。例如此时普通用户U1和U2发现在G-CTS帧中并没有包含自己的地址，则各自将自己的竞争窗加倍并随机选择一个退避计数值，并转入步骤2。
步骤8：获得子信道的用户在SIFS时间长度后根据G-CTS帧中的子信道分配信息在相应的子信道上发送数据分组，转入步骤9；
具体步骤如下：
步骤8.1：用户将自己待发的数据分组在已获得的子信道上进行分配。例如，高优先级用户H1根据G-CTS帧中的子信道分配信息获得了两个子信道(子信道1和子信道3)，如果高优先级用户H1在MAC队列中有一个数据分组，将这一个数据分组拆分成两个分组，并分配到子信道1和子信道3上。如果高优先级用户H1在MAC队列中有两个数据分组，则将这两个分组分配到子信道1和子信道3上。如果高优先级用户H1在MAC队列中有两个以上的数据分组，则只分配队列头部的两个分组分配到子信道1和子信道3上(其他高优先级用户与普通用户的操作过程与H1类似)。之后转入步骤8.2。
步骤8.2：在SIFS时间长度后，用户将自己的数据分组在相应的子信道上发送给AP。例如，高优先级用户H1分别在子信道1和子信道3上发送两个数据分组给AP，之后转入步骤9。
步骤9：AP接收普通用户和高优先级用户发送的数据分组后，根据每个子信道上的接收结果来设置G-ACK帧中的Result字段中的相应标志位，其中G-ACK定义为组确认，即GroupAcknowledgement，每个子信道都会对应Result字段中的一个标志位，每个子信道所对应的标志位定义为正确接收则为1，否则标志位为0，并在SIFS时间长度后将G-ACK帧在全信道进行广播，转入步骤10
具体步骤如下：
步骤9.1：AP检查每个子信道的数据分组的帧检验字段，如果该子信道上的分组传输正确，则AP将G-ACK帧相应的标志位设置为1，否则将相应的标志位设置为0。并转入步骤9.2。
步骤9.2：AP在SIFS时间长度后，在全信道上将G-ACK帧进行广播，转入步骤10。
步骤10：普通用户和高优先级用户接收到G-ACK帧后，根据其中的Result字段检查本用户在所分配的子信道上的数据传输是否成功，如果本用户在分配的子信道上传输的数据未全部被AP正确接收，则将退避窗加倍并重新选择一个退避计数值，转入步骤2，否则检查队列中是否有待发送的数据分组，如果有待发数据分组则转入步骤1，否则进入等待上层数据分组状态。
具体步骤如下：
步骤10.1：用户依次检查自己进行数据传输的每个子信道在G-ACK中相应的标志位，如果标志位为1，则认为该子信道上数据分组传输正确，转入步骤10.2。如果G-ACK中相应子信道的标志位为0，则认为该子信道上数据分组传输错误，转至步骤10.3。
步骤10.2：用户继续检查自己在其它子信道上的数据分组传输结果，如果全部子信道上的数据分组均传输正确，则返回步骤1中开始新一轮的数据发送过程。否则，则转入步骤10.3。
步骤10.3：用户继续检查自己在其它子信道上的数据分组传输结果，并且记录自己传输出错的数据分组。转入步骤10.4。
步骤10.4：用户将退避窗加倍并重新选择一个退避计数值，转入步骤2。
图1是本方案中G-CTS帧结构示意图。其中FrameControl字段，Duration字段以及FCS字段的用途均与IEEE802.11DCF标准的CTS帧中相应字段的用途相同，即帧控制信息，网络分配矢量NAV(NetworkAllocationVector)时间长度以及帧校验序列。RA1到RAN字段分别代表第一个子信道到第N个子信道上所分配用户MAC的地址。
图2是本方案中G-ACK帧结构示意图。RA字段携带的是AP的MAC地址，Result字段中每位代表对应子信道上数据传输的成功(设置为1)或者失败(设置为0)。当子信道数N小于等于8时，Result字段的长度为1字节，当子信道数N处于8到16之间时，Result字段的长度为2字节，以此类推。
图3是具体实施例的工作流程图。其中假设子信道数为4，普通用户数为2，高优先级用户数为2，冗余接入RTS数目为2。图中RTS(H1)表示该子信道上传输的是来自普通用户U1的RTS帧。RTS(U1/H1)表示该子信道上传输的是来自普通用户U1和高优先级用户H1的RTS帧。DATA(H1)表示该子信道上传输的是来自高优先级用户H1的数据分组。G-CTS和G-ACK分别代表G-CTS帧和G-ACK帧。slot代表一个时隙长度，SIFS代表一个SIFS时间长度，DIFS代表一个DIFS时间长度。

Claims (1)

1.一种基于正交频分多址接入机制的上行接入方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：当普通用户和高优先级用户在MAC层有待发分组时，在[0,CW]内随机产生一个退避计数值，其中CW为用户的最小竞争窗，并转入步骤2；
步骤2：普通用户和高优先级用户监听整个物理信道的忙闲状态，如整个物理信道连续空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS(DistributedInter-frameSpacing)长度，则转入步骤3；
步骤3：每当信道空闲一个时隙长度，则普通用户和高优先级用户的退避计数值减去子信道个数N；如果在退避过程中信道变忙，则转入步骤2，否则继续退避，若退避计数值小于子信道个数N，则转入步骤4；
步骤4：对于普通用户，在N个子信道中随机选择一个子信道并在该子信道上向接入点AP(AccessPoint)发送一个请求发送RTS(RequestToSend)帧；对于高优先级用户，在N个子信道中随机选择两个或两个以上子信道，所述的两个或两个以上子信道要求同时小于等于子信道个数，并同时在每个被选中的子信道上发送一个RTS帧给AP，即冗余接入机制，转入步骤5；
步骤5：AP完成在各个子信道上的RTS帧接收后，如接收到多个RTS帧，则检查RTS帧的发送者，如果有大于一个的RTS帧来自同一个高优先级用户，则只为该用户保留一个RTS帧，转入步骤6；
步骤6：AP为每个成功发送RTS帧的普通用户和高优先级用户分配子信道资源，可采用轮询分配算法进行分配，并将分配结果放入G-CTS帧，其中G-CTS为组清除发送，即GroupClearToSend，然后在短帧间间隔SIFS(ShortInterframeSpace)时间长度后在全信道上将G-CTS帧进行广播，转入步骤7；
步骤7：每个发送RTS的普通用户和高优先级用户接收到全信道上广播的G-CTS帧后，如果G-CTS帧中包含本用户的子信道分配信息，则将自己的待发数据帧平均分配到所分配的子信道上，转入步骤8，否则，将最小竞争窗加倍并重新选择一个退避计数值，转入步骤2；
步骤8：获得子信道的用户在SIFS时间长度后根据G-CTS帧中的子信道分配信息在相应的子信道上发送数据分组，转入步骤9；
步骤9：AP接收普通用户和高优先级用户发送的数据分组后，根据每个子信道上的接收结果来设置G-ACK帧中的Result字段中的相应标志位，其中G-ACK为组确认，即GroupAcknowledgement，每个子信道都会对应Result字段中的一个标志位，每个子信道所对应的标志位定义为正确接收则为1，否则标志位为0，并在SIFS时间长度后将G-ACK帧在全信道进行广播，转入步骤10；
步骤10：普通用户和高优先级用户接收到G-ACK帧后，根据其中的Result字段检查本用户在所分配的子信道上的数据传输是否成功，如果本用户在分配的子信道上传输的数据未全部被AP正确接收，则将退避窗加倍并重新选择一个退避计数值，转入步骤2，否则检查队列中是否有待发送的数据分组，如果有待发数据分组则转入步骤1，否则进入等待上层数据分组状态。
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