CN105207739A - 一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法，在超高速无线局域网中引入基于块确认的自适应帧长技术，通过块确认中的信息来即时判断当前信道状态，自适应地调整帧长到最优大小，能够在已有的帧聚合和块确认技术的基础上，进一步提高吞吐量和信道利用效率，减少自适应模块复杂度，使信道利用具有高度的灵活性和自适应性，从而提高无线局域网的整体传输性能。因其具有高度适应性和可扩展性，可广泛适用于各种无线通信系统。

Description

一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法

技术领域

本发明涉及无线局域网领域，尤其涉及应用于无线网络系统的一种基于块确认的自适应帧长的方法。

背景技术

作为无线通信技术与计算机网络相结合的产物，无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork)能实现宽带无线环境下的IP接入，方便快捷的架构组网，灵活的位置接入以及良好的扩展。然而，随着无线局域网的迅速扩展以及各种需求大容量带宽的无线通信应用的涌现，如何进一步提高吞吐量及传输效率仍然是当今研究与实现的热点问题。

为了满足日益增长的高吞吐量的需求，WLAN技术与标准也在不断地发展和完善，数据传输能力不断提高，IEEE802.11ac和802.11ad标准最高已经可以支持7Gbps的数据吞吐量。其关键技术在物理层主要包括MIMO(MultiInputMultiOutput，多输入输出)、高效LDPC(LowDensityParityCheckCode，低密度奇偶校验码)、信道绑定等技术，在MAC(MediaAccessControl，媒质接入控制)层进一步提出了增强的帧聚合和块确认技术来大幅度提高MAC层的吞吐量与传输效率。

针对下一代宽带WLAN系统的超高速传输速率要求，需要我们提出一种提高MAC层的吞吐量及传输效率，进而提高无线局域网的整体传输性能的方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是如何提供一种提高MAC层的吞吐量及传输效率，进而提高无线局域网的整体传输性能的方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：无线访问接入点AP设置错误块数的阈值，初始化帧长、错误块数，监听业务层是否有业务要传输；

步骤二：监听到业务层有业务要传输时，AP接收业务包按帧长成帧处理，加上包含控制信息的头部发送到无线网络中；

步骤三：无线站STA收到数据帧，校验帧里面的每个块是否正确，组成块确认BA帧，块确认BA中的比特映射对应每个块正确与否；

步骤四：AP接收到BA帧，提取BA帧中的比特映射，计算一帧内的错误块数，与阈值比较决定是否改变帧长大小；

步骤五：若业务层还有业务，跳回步骤二重复进行；若业务数据发送完毕，跳回步骤一持续监听。

优选地，MAC层的接入机制为分布式协同功能模式，也即DCF模式，DCF在AP发送数据之前先使用请求发送/确认发送RTS/CTS握手防止隐藏节点问题。

优选地，所述握手防止隐藏节点包括：

进入二进制指数退避阶段：即在分布式协同帧间隔后设置竞争窗口值，也即CW值，AP由一个随机取值在[0，CW]的退避计数器来决定发数时间，若网络中网络分配矢量指示忙碌，退避计数器挂起；

若网络分配矢量指示信道空闲，退避计数器减一，直到计数器归零才进入RTS/CTS阶段；

若不同站点同时发送数据产生碰撞，CW值翻倍，重新随机化退避计数器的值，重新开始退避过程；

退避阶段结束，进入二次握手阶段：AP与STA间使用RTS/CTS帧交换信息获取可用传输时间输机会，并确保没有隐藏节点问题；

短帧间隔之后，AP将数据块组合起来，发送聚合的媒介访问控制服务数据单元聚合帧，STA若接收到信息，短帧间隔之后，反馈BA帧；AP正确接收到BA帧，进行下一帧的传输。

优选地，若BA帧超时没有被AP正确接收，则重置帧长到初始值，且该帧数据需要重传。

优选地，判断BA帧是否超时，包括以下步骤：

步骤一：AP发送数据包，计算从发包到收到STA反馈的BA包的总时间；

步骤二：与系统中的超时阈值也即time-out阈值比对，这个过程包括若没有收到BA帧，总时长大于time-out，就表示BA帧超时。

优选地，若帧长改变后超出了设定的帧长范围，需要重设帧长大小。

优选地，判断帧长包括以下步骤：

步骤一：AP从缓存区的队列中提取数据块成帧发送，判断BA是否超时；

步骤二：若超时则将帧长重新设置为初始值，并将发送失败的整帧数据放回缓存区准备重传；若不超时，根据BA帧中的比特映射计算该帧的错误块数，将计算得到的错误块数与阈值对比；

步骤三：若相等，说明帧长符合当前信道状态，帧长不变，重复准备发帧步骤；若计算得到的错误块数大于阈值，帧长减一，若小于阈值，帧长加一；

步骤四：帧长有变化之后，判断帧长是否在设定到的帧长范围内，若不是，调整帧长使其不小于最小帧长，不大于最大帧长，调整完帧长之后返回到准备发帧步骤。

(三)有益效果

本发明的一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法，在超高速无线局域网中引入基于块确认的自适应帧长技术，通过块确认中的信息来即时判断当前信道状态，自适应地调整帧长到最优大小，能够在已有的帧聚合和块确认技术的基础上，进一步提高吞吐量和信道利用效率，减少自适应模块复杂度，使信道利用具有高度的灵活性和自适应性，从而提高无线局域网的整体传输性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法适用的多AP多STA无线网络基本结构示意图；

图2：本发明提供的一种MAC层DCF接入机制的结构示意图；

图3a：自适应帧长的具体算法的流程示意图；

图3b：BA帧超时判断流程示意图；

图3c：BA帧长判断流程示意图；

图4：本发明提供一种MAC实体模块结构示意图；

图5：本发明提供一种MAC实体模块中公共数据处理模块的块结构示意图；

图6a：A-MSDU聚合帧的结构示意图；

图6b：确认块帧结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图1表示本发明一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法适用的多AP多STA超高速无线局域网网络结构，图中所示AP1、AP2连接在因特网中接收网络中的业务数据，再通过无线网络传输给指定的STA。无线网络状态具有不稳定、易出错等特征。

本实施例的一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：AP设置错误块数的阈值，初始化帧长、错误块数，监听业务层是否有业务要传输；

步骤二：监听到业务层有业务要传输时，AP接收业务包按帧长成帧处理，加上包含控制信息的头部发送到无线网络中；

步骤三：STA收到数据帧，校验帧里面的每个块是否正确，组成块确认BA帧，BA中的比特映射对应每个块正确与否；

步骤四：AP接收到BA帧，提取BA帧中的比特映射，计算一帧内的错误块数，与阈值比较决定是否改变帧长大小；

步骤五：若业务层还有业务，跳回步骤二重复进行；若业务数据发送完毕，跳回步骤一持续监听。

本实施例中MAC层的接入机制为DCF模式，如图2所示，AP端欲发送数据，先进入二进制指数退避阶段：即在分布式协同帧间隔DIFS时间间隔后设置竞争窗口CW值，AP由一个随机取值在[0.CW]退避计数器来决定发数时间，若网络中网络分配矢量NAV向量指示忙碌，退避计数器挂起；若NAV指示信道空闲，退避计数器减一，直到计数器归零才进入RTS/CTS阶段。若不同站点同时发送数据产生碰撞，最大窗口值CW翻倍，重新随机化退避计数器的值，重新开始退避过程；

退避阶段结束才进入二次握手阶段：AP与STA间使用RTS/CTS帧交换信息获取可用传输时间传输机会TXOP，并确保没有隐藏节点问题；短帧间隔SIFS时间间隔之后，AP将数据块组合起来发送聚合的媒介访问控制服务数据单元A-MSDU聚合帧，STA若接收到信息，SIFS时间间隔之后反馈BA帧；AP正确接收到BA帧，进行下一帧的传输。

本实施例中，自适应帧长的具体算法如图3a所示，包括判断BA帧是否超时，与判断帧长。

其中判断BA帧是否超时，如图3b所示，包括以下步骤：

步骤一：AP发送数据包，计算从发包到收到STA反馈的BA包的总时间；

步骤二：与系统中的time-out阈值比对，这个过程包括若没有收到BA帧，总时长大于time-out，就表示BA帧超时。

判断BA帧长，如图3c所示，包括以下步骤：

步骤一：AP从缓存区的队列中提取数据块成帧发送，判断BA是否超时；

步骤二：若超时，则将帧长重新设置为初始值，并将发送失败的整帧数据放回缓存区准备重传；若不超时，根据BA帧中的比特映射计算该帧的错误块数，将计算得到的错误块数与阈值对比；

步骤三：若相等，说明帧长符合当前信道状态，帧长不变，重复准备发帧步骤；若计算得到的错误块数大于阈值，帧长减一，若小于阈值，帧长加一；

步骤四：帧长有变化之后，判断帧长是否在设定到的帧长范围内，若不是，调整帧长使其不小于最小帧长，不大于最大帧长，调整完帧长之后返回到准备发帧步骤。

若BA帧超时没有被AP正确接收，则重置帧长length到初始值，且该帧数据需要重传。

若length改变后超出了设定的length范围，需重设length大小。

对应本实施例的一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法，本实施例提供一种MAC实体整体的模块化设计方案，如图4所示，MAC层包括高层数据接口、主体功能层和MAC-PHY接口三个子层，通过子层间服务接入点进行联接，其中高层数据接口与MAC-PHY接口作为接口联系MAC层与业务层及物理层，对不同层之间的数据结构进行调整、匹配；主体功能层包括公共数据处理模块、调度模块、QOS模块、端到端控制模块和本地控制/指示模块，不同模块之间相互联系，来完成MAC层的中间数据处理、整体调度、QOS保证等功能。

如图5所示为本实施例提供的一种公共数据处理模块，其中自适应帧长处理在公共数据处理模块中进行，接收数据处理模块分析物理层到来的数据帧，重组成IP包发送到业务层，同时提取出错误块数Eb传递给帧处理器；帧处理器处理来自缓存模块的IP包数据，同时需要超帧管理、控制信息处理模块等的调度，完成成帧处理；由发送模块，在传输控制模块的调度下，发送数据帧到物理层。

如图6a与6b所示，帧聚合以A-MSDU为例，块确认以基本块确认方式为例，本实施例提供一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法使用的帧聚合与块确认的帧结构。

如图6a所示，A-MSDU帧聚合技术首先由业务数据单元MSDU加上子帧头部与填充部分组成子帧，n个子帧组成聚合帧A-MSDU，再通过MAC层排序、组合、加扰加密等过程，最后加上MAC头部、帧校验序列FCS校验信息组成MAC协议数据单元MPDU，加上物理层头部构成物理层数据帧发往物理层。

如图6b所示，STA接收到聚合了n个块的聚合帧后，在SIFS间隔后，组成BA帧进行反馈。在BA帧中，比特映射bitmap是n个比特，每个比特用0或1表示对应的块错误与否。AP通过这些bit信息，将对应错误的块进行选择重传。

在本实施例中，采用帧聚合和块确认技术的AP与STA进行通信，AP在此基础上通过块确认帧内的信息自适应地调整发送帧长，使其在变化的无线信道中实现最优化，进一步提高了MAC层吞吐量与传输效率，从而实现了无线信道资源的最大化利用及自适应的灵活性。

本实施例仍然基于IEEE802.11ac与802.11ad协议，对原协议不作改变，仅在AP端增加了错误块数统计Eb，以此来自适应地调整帧长；本发明能够作为计算机程序被写入，方便进行软件或硬件实现。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种无线网络中的基于块确认的自适应帧长的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：AP设置错误块数的阈值，初始化帧长、错误块数，监听业务层是否有业务要传输；

步骤二：监听到业务层有业务要传输时，AP接收业务包，按帧长成帧处理，加上包含控制信息的头部发送到无线网络中；

步骤三：STA收到数据帧，校验帧里面的每个块是否正确，组成块确认BA帧，BA中的比特映射对应每个块正确与否；

步骤四：AP接收到BA帧，提取BA帧中的比特映射，计算一帧内的错误块数，与阈值比较决定是否改变帧长大小；

步骤五：若业务层还有业务，跳回步骤二重复进行；若业务数据发送完毕，跳回步骤一持续监听。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，MAC层的接入机制为DCF模式，DCF在AP发送数据之前先使用请求发送/确认发送握手防止隐藏节点问题。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述握手防止隐藏节点包括：

进入二进制指数退避阶段：即在分布式协同帧间隔后设置CW值，AP由一个随机取值在[0，CW]的退避计数器来决定发数时间，若网络中网络分配矢量指示忙碌，退避计数器挂起；

若网络分配矢量指示信道空闲，退避计数器减一，直到计数器归零才进入请求发送/确认发送阶段；

若不同站点同时发送数据产生碰撞，CW值翻倍，重新随机化退避计数器的值，重新开始退避过程；

退避阶段结束，进入二次握手阶段：AP与STA间使用请求发送/确认发送帧交换信息获取可用传输时间输机会，并确保没有隐藏节点问题；

短帧间隔之后，AP将数据块组合起来，发送聚合的媒介访问控制服务数据单元聚合帧，STA若接收到信息，短帧间隔之后，反馈BA帧；AP正确接收到BA帧，进行下一帧的传输。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若BA帧超时没有被AP正确接收，则重置帧长到初始值，且该帧数据需要重传。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，判断BA帧是否超时，包括以下步骤：

步骤一：源端AP发送数据包，计算从发包到收到STA反馈的BA包的总时间；

步骤二：与系统中的超时阈值比对，这个过程包括若没有收到BA帧，总时长大于超时阈值，就表示BA帧超时。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若帧长改变后超出了设定的帧长范围，需重设帧长大小。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，判断帧长包括以下步骤：

步骤一：AP从缓存区的队列中提取数据块成帧发送，判断BA是否超时；

步骤二：若超时则将帧长重置为初始值，并将发送失败的整帧数据放回缓存区准备重传；若不超时，根据BA帧中的比特映射计算该帧的错误块数，将计算得到的错误块数与阈值对比；

步骤三：若相等，说明帧长符合当前信道状态，帧长不变，重复准备发帧步骤；若计算得到的错误块数大于阈值，帧长减一，若小于阈值，帧长加一；

步骤四：帧长有变化之后，判断帧长是否在设定到的帧长范围内，若不是，调整帧长使其不小于最小帧长，不大于最大帧长，调整完帧长之后返回到准备发帧步骤。