CN105376830B - 一种信道绑定和正交频分多址接入相结合的上行接入方法 - Google Patents

一种信道绑定和正交频分多址接入相结合的上行接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种信道绑定和正交频分多址接入相结合的上行接入方法，通过信道绑定和正交频分多址接入相结合，实现在下一代WLAN中对密集用户场景下高吞吐量和QoS的支持，本发明存在一个AP和若干个具有不同QoS需求的上行业务用户，所有用户均采用本发明所提出的接入协议进行网络接入，由于将信道绑定技术和OFDMA技术相结合，在利用信道绑定机制带来的大带宽的基础上，通过多子信道并行接入机制减小了用户间冲突，并且通过用户可以发送两个E‑RTS帧的机制以及发明所述的资源分配算法为高优先级业务提供QoS支持。

Description

一种信道绑定和正交频分多址接入相结合的上行接入方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是一种信道绑定和正交频分多址的通信领域。
背景技术
随着智能手机和平板电脑等便携式设备在数量上的增长和性能上的提升，越来越多的用户期望可以通过一种高速、低价且支持业务服务质量QoS(Quality of Service)保障的方式随时随地接入互联网上传或下载数据，同时诸如车站、体育馆等大量用户同时接入网络的场景也越来越普遍。针对这些情况，下一代无线局域网WLAN(Wireless LocalArea Network)提出了在密集用户场景下同时支持高吞吐量和业务服务质量的目标。在目前的WLAN标准协议，例如IEEE802.11n和IEEE802.11ac中，主要采用信道绑定技术来增加传输带宽和提高吞吐量。信道绑定技术将多个传统WLAN中20MHz的信道绑定在一起，从而形成带宽达40MHz，80MHz甚至160MHz的大带宽信道。该技术可以提升网络的传输速率，对网络的吞吐量提升具有重要的意义。然而，虽然信道绑定技术提供了较大的网络带宽和较高的传输速率，但目前基于信道绑定的媒介接入控制MAC(Media Access Control)协议仅仅支持单用户的接入和传输，在密集用户场景下，多个用户同时竞争无线信道资源引起的网络冲突会降低信道利用率。同时，目前MAC协议的数据传输过程中存在较多的协议信令开销，例如帧间间隔时间IFS(inter frame space)和确认帧Acknowledgement，这进一步降低了多址接入协议的效率。在另一方面，正交频分多址接入OFDMA(Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access)是一种高效的多址接入技术。基于OFDMA技术，整个物理信道被划分为若干个子信道，这里每个子信道由一个或多个正交的子载波构成，用户可以在不同的子信道上同时接入网络且不同子信道上的用户数据分组不会冲突。
因此，针对目前基于信道绑定技术的多址接入协议的不足，本发明提出了一种信道绑定和正交频分多址接入相结合的上行接入方法。该方法首先通过信道绑定技术将多个20MHz的信道绑定为40MHz，80MHz或160MHz的大带宽信道，具体的绑定策略可以参考IEEE802.11ac标准的规定，同时将每个20MHz信道都根据OFDMA技术划分为若干个子信道。每个用户都可以在任意一个子信道上进行接入，并且WLAN中的接入点AP(Access Point)可以根据用户的业务量需求以及QoS需求进行子信道级的资源分配。本发明可以在密集用户场景中减小用户间的冲突概率和网络开销，同时对业务提供高吞吐量和QoS的支持。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明通过信道绑定和正交频分多址接入相结合，实现在下一代WLAN中对密集用户场景下高吞吐量和QoS的支持。本发明的应用场景为单个下一代WLAN小区，小区中存在一个AP和若干个具有不同QoS需求的上行业务用户，所有用户均采用本发明所提出的接入协议进行网络接入。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体实施步骤如下：
步骤1：网络初始化后，接入点AP(Access Point)持续检测信道的忙闲状态，并根据检测结果将可用信道集划分为由一个20MHz主信道和多个20MHz从信道组成的工作信道，其中可用信道集是指处于空闲状态的20MHz带宽信道的集合，同时根据正交频分多址接入OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技术把每个主信道和从信道都划分为若干个接入子信道，AP分别将可用信道集、主信道编号和子信道分配结果信息放入信标Beacon帧的新增字段ChannelSet、PrimaryChannelNumber和SubChannels，接入点AP周期地在所有可用信道上广播Beacon帧，网络中的上行业务用户接收到该Beacon帧后提取并记录可用信道集、主信道编号和子信道分配结果信息，并转入步骤2；
步骤2：当上行业务用户在媒介接入控制MAC(Media Access Control)层存在待发分组时，该用户在[0，CW]范围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3；
步骤3：上行业务用户监听主信道的忙闲状态，如果主信道持续空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS(DCF Inter-frame Spacing)长度，则转入步骤4，否则继续在步骤3内等待；
步骤4：每当主信道空闲一个时隙长度，则上行业务用户的退避计数值减1；如果在退避过程中主信道变忙，则转入步骤3，否则继续退避，直至退避计数值等于0时，则转入步骤5；
步骤5：上行业务用户在主信道的第一号子信道上发送一个RTS_BI帧，其中RTS_BI定义为请求发送忙指示，即Request To Send Busy Indication，RTS_BI帧用于指示主信道的信道状态为忙，以告知在主信道上进行退避的用户暂停退避，上行业务用户同时在主信道的第一号子信道之外的任意一个子信道发送一个E-RTS帧，E-RTS帧被定义为增强的请求发送，即Enhanced Request To Send，E-RTS帧携带了用户的业务类型以及期望发送的数据分组数目；
步骤6：接入点AP完成在各个子信道上的E-RTS帧接收后，检查每个E-RTS帧的发送者，对于成功发送两个E-RTS帧的用户只保留任意一个E-RTS帧，转入步骤7；
步骤7：接入点AP为每个成功发送E-RTS帧的用户分配子信道资源，接入点AP首先提取E-RTS帧中的业务类型和期望发送数据分组数目信息，然后根据上行业务用户的业务类型和数据分组数目需求进行子信道资源的分配，并将分配结果放入增强清除发送E-CTS帧(Enhanced Clear To Send)，然后在短帧间间隔SIFS(Short Interframe Space)时间长度后在每个主信道和从信道上进行广播，转入步骤8；
步骤8：每个发送E-RTS帧的上行业务用户接收到在任意一个主信道和从信道上广播的E-CTS帧后，如果E-CTS帧中包含每个发送E-RTS帧的用户的子信道分配信息，则将自己的待发数据分组平均分配到所分配的子信道上，转入步骤9，否则，将最小竞争窗加倍并重新选择一个退避计数值，但最小竞争窗最大值不得超过CWmax，CWmax为IEEE 802.11ac规定的最大竞争窗，转入步骤3；
步骤9：获得子信道的上行业务用户在SIFS时间长度后根据E-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10；
步骤10：AP接收上行业务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增强的确认E-ACK帧(Enhanced Acknowledgement)中的结果字段，在结果字段中，Result1，Result2，……Resultn分别代表用户1，用户2，……用户n所发送数据分组的接收结果，如果正确接收则Result1，Result2，……Resultn被设置为1，否则设置为0，AP在SIFS时间长度后将E-ACK帧在每个主和从信道上进行广播，转入步骤11；
步骤11：上行业务用户接收到E-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，如果本用户在所分配的子信道上传输的数据没有全部被AP正确接收，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3，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2，否则继续等待上层数据分组的到来。
所述的步骤5中，对于需要服务质量QoS(Quality of Service)支持的用户，可以通过下面的方式来提高其数据分组的接入成功率：
该用户同时选择两个信道，即选取一个主信道和一个从信道或者选取两个从信道，然后同时在两个被选择的信道上随机选择一个子信道并各自发送一个E-RTS帧，被随机选择的子信道不包含主信道的第一号子信道，之后转入步骤6。
本发明的有益效果是由于将信道绑定技术和OFDMA技术相结合，在利用信道绑定机制带来的大带宽的基础上，通过多子信道并行接入机制减小了用户间冲突，并且通过用户可以发送两个E-RTS帧的机制以及本发明所述的资源分配算法为高优先级业务提供QoS支持。
附图说明
图1是本发明的协议时序图。
图2是本发明中E-RTS帧结构示意图。
图3是本发明中E-CTS帧结构示意图。
图4是本发明中E-ACK帧结构示意图。
其中，图1中，包含1个主信道和3个从信道，其中E-RTS(r1)，E-RTS(r2)，E-RTS(n1)，E-RTS(n2)分别代表来自用户r1，r2，n1和n2的E-RTS帧，DATA(r1),DATA(r2)，DATA(n1)分别为用户r1，r2和n1的数据分组，RTS_BI为请求发送忙指示帧，E-CTS为AP在所有信道上发送的E-CTS帧，E-ACK为AP在所有信道上发送的E-ACK帧，Backoff为用户在主信道上进行退避的过程，SIFS(Short Interframe Space)为短帧间间隔。
在图2到图4中，数字1、2、4、6表示帧中每个字段的长度，即字节数，Frame Control字段为帧控制信息，Duration字段为网络分配矢量NAV(Network Allocation Vector)时间长度，FCS字段为帧校验序列，RA和TA分别为接收节点的地址和发送节点的MAC地址，Type和Len分别为待发送数据的业务类型和分组长度，StaNum为允许发送的用户数目，RA1到RAn分别为允许发送节点的MAC地址，Subcstart1到Subcstartn分别为用户1到用户n，n与允许发送的用户数目StaNum相同，Subcend1至Subcendn分别为用户1到用户n获得的子信道结束编号，Time为允许发送节点的传输时间，Result1到Resultn字段代表用户1到用户n的数据分组的传输结果。
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。
本实施例的场景为下一代WLAN的一个独立小区，其中存在一个接入节点AP和若干个上行业务用户。
步骤1：网络初始化后，AP持续检测信道的忙闲状态，并根据检测结果将可用信道集(可用信道是指没有被占用的所有的20MHz带宽的信道集)划分为由一个20MHz主信道和多个20MHz从信道组成的工作信道，同时根据OFDMA技术把每个主信道和从信道都划分为若干个接入子信道。例如AP检测到4个20MHz的子信道，并将其划分为1个主信道和三个从信道，并且将每个主信道和从信道都通过OFDMA机制划分为8个接入子信道。AP分别将可用信道集，主信道编号，子信道分配结果信息放入信标(Beacon)帧的新增字段ChannelSet，PrimaryChannelNumber和SubChannels。AP周期地在所有可用信道上广播Beacon帧，网络中的用户接收到该Beacon帧后提取并记录可用信道集，主信道编号，子信道分配结果信息，转入步骤2；
步骤2：当上行业务用户在MAC层有待发分组时，它在[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，如图1中所示，上行业务用户r1，r2，n1和n2产生的退避计数值均为1，而其他用户产生退避计数值均大于1，并转入步骤3；
图1中，包含1个主信道和3个从信道，E-RTS(r1)，E-RTS(r2)，E-RTS(n1)，E-RTS(n2)分别代表来自用户r1，r2，n1和n2的E-RTS帧，其中用户r1和r2具有较高的QoS要求，因此它们各自在不同的子信道上同时发送了两个E-RTS帧。DATA(r1),DATA(r2)，DATA(n1)分别为用户r1，r2和n1的数据分组。
步骤3：上行业务用户监听主信道的忙闲状态，如果主信道持续空闲时间达到分布式帧间间隙(DIFS，Distributed Inter-frame Spacing)长度，则转入步骤4，否则继续在本步骤内等待；
步骤4：每当主信道空闲一个时隙长度，则上行业务用户的退避计数值减一；如果在退避过程中主信道变忙，则转入步骤3，否则继续退避，若退避计数值等于0，如图1所示，上行业务用户r1，r2，n1和n2在退避1个时隙后退避计数值均为0，则转入步骤5；
步骤5：上行业务用户在主信道的第一号子信道上发送一个RTS_BI帧，其RTS_BI定义为请求发送忙指示，即Request To Send Busy Indication，该帧用于指示主信道的信道状态为忙，以告知在主信道上进行退避的用户暂停退避。上行业务用户同时在主信道的第一号子信道之外的任意一个主或从信道上的任意一个子信道上发送一个E-RTS帧。E-RTS帧被定义为增强的请求发送，即Enhanced Request To Send，该帧携带了用户的业务类型以及期望发送的数据分组数目，E-RTS帧的具体帧格式如图2所示。如果用户期望得到更高的接入成功率，则可以同时选择两个信道(可以是一个主信道和一个从信道或者两个从信道)，然后同时在两个被选择的信道上各自随机选择一个子信道(除了主信道的第一号子信道)并各自发送一个E-RTS帧，例如图1中上行业务用户r1，r2，n1和n2均在主信道的第一号子信道上发送一个RTS_BI帧，然后上行业务用户r1在第一个从信道的第一个子信道和第三个从信道的第一个子信道上分别发送一个E-RTS帧，上行业务用户r2在第一个从信道的第二个子信道和第二个从信道的第一个子信道上分别发送一个E-RTS帧，而上行业务用户n1和n2则各自在主信道和第二个从信道的一个子信道上发送一个E-RTS帧。其他用户侦听到主信道上的RTS_BI帧后暂停退避，转入步骤6；
步骤6：AP完成在各个子信道上的E-RTS帧接收后，检查每个E-RTS帧的发送者，对于成功发送两个E-RTS帧的用户只保留一个E-RTS帧，如图1所示，AP接收到了上行业务用户r1和r2的两个E-RTS帧，但只为这两个用户保留一个E-RTS帧，转入步骤7；
步骤7：AP为每个成功发送E-RTS帧的用户分配子信道资源。AP首先提取E-RTS帧中的业务类型和期望发送数据分组数目，然后根据用户的业务类型和需求进行子信道资源的分配，具体分配方案本发明不进行规定。在本实施例中给出一种简单的分配方案，如图1所示，AP从上行业务用户r1，r2，n1和n2的E-RTS帧中分别提取业务类型和业务量需求信息，发现上行业务用户r1的业务为实时业务，其业务需求为传输16个数据分组，上行业务用户r2的业务为实时业务，其业务需求为传输8个数据分组。用户n1的业务为非实时业务，其业务需求为传输8个数据分组，用户n2的业务为非实时业务，其业务需求为传输8个数据分组。假设总的可用子信道数为32，则AP优先为实时业务分配子信道资源，即分配16个子信道给上行业务用户r1，分配8个子信道给上行业务用户r2。由于此时只剩下8个子信道，只能够满足一个非实时业务用户的要求，因此只有上行业务用户n1获得了剩余的8个子信道，上行业务用户n2没有获得任何子信道资源。AP将分配结果放入E-CTS帧(其被定义为增强清除发送，即Enhanced Clear To Send)，E-CTS帧的具体帧格式如图3所示，然后在短帧间间隔(SIFS，Short Interframe Space)时间长度后在每个主和从信道上进行广播，转入步骤8；
步骤8：每个发送E-RTS帧的用户接收到在任意一个主和从信道上广播的E-CTS帧后，如果E-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，如图1所示，上行业务用户r1，r2和n1分别将自己待传输数据分组分配到相应的子信道上，转入步骤9，否则，将最小竞争窗加倍(但最小竞争窗最大值不超过CWmax，这里CWmax为IEEE 802.11ac规定的最大竞争窗)并重新选择一个退避计数值，例如上行业务用户n2将自己的最小竞争窗加倍并重新选择一个退避计数值，转入步骤3；
步骤9：获得子信道的用户在SIFS时间长度后根据E-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10；
步骤10：AP接收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E-ACK帧中的结果字段。其中E-ACK定义为增强的确认，即Enhanced Acknowledgement，E-ACK帧的具体帧格式如图4所示，在结果字段中，Result1到Resultn分别代表用户1到用户n所发送数据分组的接收结果，如果正确接收则被设置为1，否则设置为0。例如上行业务用户r1，r2，n1的数据分组都被AP正确接收，则Result1、Result2和Result3字段都被设置为1。AP在SIFS时间长度后将E-ACK帧在每个主和从信道上进行广播，转入步骤11；
步骤11：用户接收到E-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，如果本用户在所分配的子信道上传输的数据没有全部被AP正确接收，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3。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2，否则继续等待上层数据分组的到来。

Claims (2)

1.一种信道绑定和正交频分多址接入相结合的上行接入方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：网络初始化后，接入点AP(Access Point)持续检测信道的忙闲状态，并根据检测结果将可用信道集划分为由一个20MHz主信道和多个20MHz从信道组成的工作信道，其中可用信道集是指处于空闲状态的20MHz带宽信道的集合，同时根据正交频分多址接入OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技术把每个主信道和从信道都划分为若干个接入子信道，AP分别将可用信道集、主信道编号和子信道分配结果信息放入信标Beacon帧的新增字段ChannelSet、PrimaryChannelNumber和SubChannels，接入点AP周期地在所有可用信道上广播Beacon帧，网络中的上行业务用户接收到该Beacon帧后提取并记录可用信道集、主信道编号和子信道分配结果信息，并转入步骤2；
步骤2：当上行业务用户在媒介接入控制MAC(Media Access Control)层存在待发分组时，该用户在[0，CW]范围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3；
步骤3：上行业务用户监听主信道的忙闲状态，如果主信道持续空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS(DCF Inter-frame Spacing)长度，则转入步骤4，否则继续在步骤3内等待；
步骤4：每当主信道空闲一个时隙长度，则上行业务用户的退避计数值减1；如果在退避过程中主信道变忙，则转入步骤3，否则继续退避，直至退避计数值等于0时，则转入步骤5；
步骤5：上行业务用户在主信道的第一号子信道上发送一个RTS_BI帧，其中RTS_BI定义为请求发送忙指示，即Request To Send Busy Indication，RTS_BI帧用于指示主信道的信道状态为忙，以告知在主信道上进行退避的用户暂停退避，上行业务用户同时在主信道的第一号子信道之外的任意一个子信道发送一个E-RTS帧，E-RTS帧被定义为增强的请求发送，即Enhanced Request To Send，E-RTS帧携带了用户的业务类型以及期望发送的数据分组数目；
步骤6：接入点AP完成在各个子信道上的E-RTS帧接收后，检查每个E-RTS帧的发送者，对于成功发送两个E-RTS帧的用户只保留任意一个E-RTS帧，转入步骤7；
步骤7：接入点AP为每个成功发送E-RTS帧的用户分配子信道资源，接入点AP首先提取E-RTS帧中的业务类型和期望发送数据分组数目信息，然后根据上行业务用户的业务类型和数据分组数目需求进行子信道资源的分配，并将分配结果放入增强清除发送E-CTS帧(Enhanced Clear To Send)，然后在短帧间间隔SIFS(Short Interframe Space)时间长度后在每个主信道和从信道上进行广播，转入步骤8；
步骤8：每个发送E-RTS帧的上行业务用户接收到在任意一个主信道和从信道上广播的E-CTS帧后，如果E-CTS帧中包含每个发送E-RTS帧的用户的子信道分配信息，则将自己的待发数据分组平均分配到所分配的子信道上，转入步骤9，否则，将最小竞争窗加倍并重新选择一个退避计数值，但最小竞争窗最大值不得超过CWmax，CWmax为IEEE 802.11ac规定的最大竞争窗，转入步骤3；
步骤9：获得子信道的上行业务用户在SIFS时间长度后根据E-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10；
步骤10：AP接收上行业务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增强的确认E-ACK帧(Enhanced Acknowledgement)中的结果字段，在结果字段中，Result1，Result2，……Resultn分别代表用户1，用户2，……用户n所发送数据分组的接收结果，如果正确接收则Result1，Result2，……Resultn被设置为1，否则设置为0，AP在SIFS时间长度后将E-ACK帧在每个主和从信道上进行广播，转入步骤11；
步骤11：上行业务用户接收到E-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，如果本用户在所分配的子信道上传输的数据没有全部被AP正确接收，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3，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2，否则继续等待上层数据分组的到来。
2.根据权利要求1所述的信道绑定和正交频分多址接入相结合的上行接入方法，其特征在于：
所述的步骤5中，对于需要服务质量QoS(Quality of Service)支持的用户，可以通过下面的方式来提高其数据分组的接入成功率，该用户同时选择两个信道，即选取一个主信道和一个从信道或者选取两个从信道，然后同时在两个被选择的信道上随机选择一个子信道并各自发送一个E-RTS帧，被随机选择的子信道不包含主信道的第一号子信道，之后转入步骤6。
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