CN107182089A

CN107182089A - 用于无线网络通信的帧规范

Info

Publication number: CN107182089A
Application number: CN201710631032.5A
Authority: CN
Inventors: 楮立文; G·A·弗兰蒂斯
Original assignee: STMicroelectronics lnc USA
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2017-09-19
Also published as: EP2723121A3; US20140105098A1; EP2723121A2; CN103731878B; CN103731878A

Abstract

本公开涉及用于无线网络通信的帧规范。将压缩头部格式用于在无线网络中传输的消息。所述压缩头部包括第一地址域和帧控制域，所述帧控制域包括至少一个比特，其指定所述第一地址是否是所述无线通信网络的接入点。所述帧控制域可以进一步包括至少一个额外比特，其标识所述帧是否由位于所述接入点和无线站之间的中继节点中继。所述帧控制域可以进一步包括至少另一比特，其标识AID是否用于所述第一地址域。

Description

用于无线网络通信的帧规范

本申请是申请日为2013年10月16日、申请号为201310491121.6的发明专利申请“用于在无线网络中传送消息的方法”的分案申请。

优先权声明

本申请要求于2012年10月16日提交的美国临时专利申请No.61/714473,于2012年10月16日提交的美国临时专利申请No.61/714581以及于2013年10月10日提交的美国专利申请No.14/050575的权益，其公开内容通过引用被并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及无线网络，并且更具体的涉及在无线网络(例如，但不限于，遵守IEEE 802.11ah无线网络规范的无线网络)中使用的帧规范。

背景技术

IEEE 802.11ah是无线网络标准，该标准对IEEE 802.11-2012无线网络标准进行修正。其目的是支持创建大群组的通信无线站(STA)，这些通信无线站协作共享空中介质的同时使能量消耗最小化。

802.11ah规范支持低速率的802.11无线站在子千兆赫频谱中的操作。该无线站被聚集在一起以使对空中介质的竞争最小化。一项重要的操作特征是使用中继技术以扩展每个无线站的到达范围。降低的功耗通过使用为无线站操作预定义的唤醒/睡眠周期得以支持。此外，无线站在协商的条件下是可操作以提供高速数据通信的。802.11ah设备利用具有下采样的IEEE 802.11ac规范以提供更窄的信道带宽。信道带宽能够是1/2/4/8/16MHz。网络的范围能够覆盖，例如，一公里的区域，并且能够提供在单个接入点(AP)下的数以千计的设备(无线站STA)连接。

中继配置是一种逻辑上包括中继STA的实体，该中继STA在两个其他设备(诸如无线站(STA)和接入点(AP))之间中继帧。因此，中继功能允许接入点和无线站通过由中继STA表示的中继的方式彼此交换帧。中继的引入允许无线站使用更高的MCs并且减少无线站保持在活跃模式的时间。这一点显著地改善了组中所有无线站的电池寿命。中继通过中继站也可以为处于AP本身的覆盖范围之外的站提供连接，并且因此扩展无线网络的物理到达范围。然而，由于中继STA站的使用，存在对整个网络效率的开销代价以及存在增加的复杂度。为限制该开销，中继功能是双向的，并且限制到最多两跳。

具有中继功能，在接入点和中继STA设备之间传输的帧需要4个地址：发送方地址(TA)、接收方地址(RA)、源地址(SA)、以及目的地地址(DA)，因为在源和目的地之间需要多于两跳。这将增加帧头部的开销。

在本领域存在改进数据/管理帧规范的需求，以支持无线站和接入点之间的无线通信以及更具体地支持在通过中继STA的中继无线通信环境下的无线通信。本文公开的实施例教导了多个支持无线消息通信的压缩头部配置。

发明内容

在实施例中，一种方法包括生成用于在无线通信网络中第一节点和第二节点之间通信的消息，其中该消息包括具有压缩头部的帧，所述压缩头部包括支持AID地址的至少一个地址域以及包括至少一个比特的帧控制域，该至少一个比特指定所述至少一个地址域中的AID地址是否是针对该帧的发送方的标识符或接收方的标识符之一。特别是，是否该AID地址用于该无线通信网络的接入点。

在实施例中，一种方法包括使无线站通过中继STA通知接入点关于来自无线站的所述帧的目的地地址，其中该目的地地址也是发往该无线站的帧的源地址，并且该地址是BSS外部的地址。该接入点和中继STA记录无线站的地址和该BSS外部的地址之间的映射。

在实施例中，一种方法包括在无线网络中的中继节点生成消息，该中继节点处在用于向接入点传输的位置，该消息包括具有压缩头部的帧，所述压缩头部包括第一地址域，其支持用以标识接入点(该帧的接收方)的BSSID地址，第二地址域，其支持用以标识中继节点(该帧的发送方)的AID地址，第三地址域，用于标识边缘无线站(作为该帧的源)，以及帧控制域，其包括至少一个比特，其指定该AID地址是否针对中继节点，以及至少一个额外比特，其标识是否该帧由中继节点中继。所述接入点然后能够通过存储的无线站的地址和BSS外部的地址之间的映射确定目的地和中继节点。

在实施例中，一种方法包括在无线网络中的接入点生成消息，该接入点处于用于向中继节点传输的位置，所述消息包括具有压缩头部的帧，所述压缩头部包括第一地址域，其标识作为接收方的中继节点，第二地址域，其支持BSSID地址，第三地址域，其存储无线站的地址，以及帧控制域，该帧控制域包括至少一个比特，其指定第一地址域是否标识作为接收方的中继节点，以及至少一个额外比特，其标识是否该帧由中继节点中继，以及至少又一比特，其标识是否AID用于第一地址域。源可以由接入点和中继节点通过存储的无线站的地址和BSS外部的地址之间的映射进行确定。

前述内容已经相当概括的概述了本公开的一些特征。本公开的额外特征将在下文进行描述，其形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应该理解所公开的概念和特定实施例可以轻易地被利用作修改或设计其他结构或过程的基础，用于执行本发明的同一目的。本领域技术人员也应该意识到，这样等同的结构并不偏离如所附的权利要求所述的本发明的范围和精神。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在参照结合附图的如下描述，其中，

图1A图示了常规的管理帧结构；

图1B图示了常规数据帧结构；

图1C图示了具有压缩头部部分的管理帧结构；

图1D图示了具有压缩头部部分的数据帧结构；

图2示出中继配置的框图；

图3图示了在图2的中继配置中通信的寻址和传输；以及，

图4图示了根据实施例对数据/管理帧的修改的压缩头部。

除非另外指出，不同图中相应的数字和符号指代相应的部分。绘制的图是为了清楚地图示本公开的实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。为了更清楚的示出某些实施例，在图的标号后可能跟有字母以指示同一结构、材料或过程步骤的变化。

具体实施方式

根据例如802.11规范得出的用于无线网络中无线通信的最小信道带宽是大约1MHz/2MHz。主要应用是传感器网络。在这种可用带宽和传感器应用内，注意到数据/管理帧头部的开销很高。如果数据/管理头部可以压缩，则将是有利的，因为这将允许无线站(STA)在与网络的其他节点(诸如无线接入点(AP)或中继STA)进行通信时降低传输功率或接收功率。

IEEE 802.11a/b/g/n规范提供具有帧控制(FC)域的数据/管理帧的使用，该数据/管理帧具有为本领域技术人员所公知的配置。对管理帧的公知的配置在图1A示出，而对数据帧的公知的配置在图1B示出。

存在不同种类的管理帧：信标、探测、关联、认证、行为、公共行为等。应当注意的是，不同种类的管理帧利用不同的地址匹配规则。另外，管理帧可以用于不同的目的：关联、BSS正常管理、不同BSS中的STA之间的通信等。

图1A图示了在诸如IEEE 802.11之类的无线通信标准中的常规管理帧的域，而图1B图示了在诸如IEEE 802.11之类的无线通信标准中的常规数据帧的域。该管理帧和数据帧有类似的结构。本公开的实施例提出将类似压缩技术应用于这两种类型帧的头部。

图1C图示了根据实施例的具有压缩头部的管理帧。与图1A中示出的常规的管理帧相比，图1C示出的压缩头部管理帧的头部并不包括第三地址域地址3，并且进一步利用关联ID(AID)域30代替两个包括的地址(由地址1或地址2表示)之一。由于该第三地址域对大多数管理帧是BSSID，并且它与地址1或地址2相同，该第三地址域可以安全地在那些管理帧中移除。在一些管理帧(如探测请求)中，第三地址域不同于地址1或地址2，并且因此使用正常的管理帧。在实施例中，提供AID域30代替地址1以标识管理帧的目的地。在备选实施例中，提供AID域30代替地址2以标识传输源。作为示例，提供该AID以标识非AP的无线站STA。关联于接入点的每个无线站在与该接入点关联后将从该接入点得到一个12比特的AID。当发送方或接收方已经关联于接入点时，该AID用于标识管理帧的发送方或接收方。在关联之前，正常的管理帧格式用于管理帧的传输。公共管理帧用于BSS外部的通信，而正常的管理帧格式应该用于管理帧的传输。

如果图1C中的管理帧用于发送给接入点(AP)的消息，AID域30包括比特b12-b0，这些比特被设置等于发送方的最低有效比特b12-b0。如果相反地，管理帧用于广播消息，则AID域30的所有比特b12-b0被设置等于逻辑“1”。AID域30的比特b15-b13被预留给本文详细讨论的其他用途。

另外，就图1A示出的常规管理帧而言，图1C中的压缩头部管理帧的头部不包括持续时间/ID域或HT控制域。这些域为通信增加了不必要的开销。

压缩头部管理帧的帧控制(FC)域32可以包括一个比特，例如，位于“待定”(TBD)子域34，用以标识AID域30中的地址是否是网络中特殊节点(例如，接入点(AP)或中继中的其他节点)的地址。另外，来自DS(From DS)子域36用于指示该无线站的AID是否是该帧的发送方或接收方。如果AID是针对接收方，则该子域36中的单个比特可以指示逻辑“1”，而如果AID是针对发送方，则指示逻辑“0”。

在帧控制(FC)域32内包括多个子域，这些子域提供下列信息：协议版本(例如指定压缩头部管理帧的使用)；类型(指定管理帧)；子类型(指定用于行为、无ACK行为、解关联、解认证等的服务质量(QoS)或管理类型)；更多片段；功率管理；更多数据；保护帧；EOSP以及TBD。在备选实施方式中，帧控制域32的子类型子域可以指定数据类型或管理类型。这些子域的配置为本领域的技术人员所公知。

图1D图示了根据实施例的具有压缩头部的数据帧。与图1B示出的常规数据帧相比，图1D中压缩头部数据帧将地址域A3作为可选域并且AID域40用在代替两个包括的地址(在A1域或A2域内)之一中。在实施例中，提供AID域40代替先前的地址域A1以标识数据帧(具有地址域A2存储BSSID)的接收方。在一个备选实施例中，提供AID域40代替先前的地址域A2以标识传输源(具有地址域A1存储BSSID/RA)。作为示例，提供AID以标识非AP的无线站STA。

此外，就图1B示出的常规数据帧而言，图1D中压缩头部数据帧的头部不包括持续时间/ID域、地址域A4、QoS控制域或HT控制域。这些域为通信增加不必要的开销。

在帧控制(FC)域42内包括多个子域，这些子域提供下列信息：协议版本(例如指定压缩头部管理帧的使用)；类型(指定管理帧)；子类型(指定用于行为、无ACK行为、解关联、解认证等的服务质量(QoS)或管理类型)；更多片段；功率管理；更多数据；保护帧；EOSP以及TBD。在备选实施方式中，帧控制域32的子类型子域可以指定数据类型或管理类型。这些子域的配置为本领域的技术人员所公知。

压缩头部管理帧的帧控制(FC)域42可以包括来自DS(From DS)子域46，其包括一个比特以指示该无线站的AID是否是该帧的发送方或接收方。例如，如果AID是针对接收方，则该单个比特可以指示逻辑“1”，而如果AID是针对发送方，则指示逻辑“0”。

压缩头部数据帧的帧控制(FC)域42可以包括A3存在子域，其包括一个比特以标识头部是否包括可选的地址域A3。例如，如果地址A3存在，则该单个比特可以指示逻辑“1”，而如果地址A3不存在时，则指示逻辑“0”。

现在参照图2，其示出一种中继配置的框图，该中继配置包括接入点(AP)、中继站(中继STA)以及形成无线网络组的多个无线站(STAx，其中x＝1到n，例如示出站STA1、STA2和STA3)。中继功能限于最多两跳，因为由于需要使用路由协议，多于两跳的中继操作更加复杂。中继操作的优势在于：如果无线站STA的通信仅需要到达第一跳上服务的和位置接近的中继STA(而不是使用更高功率来在一跳中直接到达更远的AP)，则无线站STA能够降低其传输功率。

现在参照图3，其图示了在图1的中继配置中通信的寻址和传输。如图3所示，无线站(如传感器)通过中继STA和接入点向外部网络中的设备(如因特网中的服务器)发送无线站的帧。外部网络中的服务器通过接入点和中继STA向无线站发送帧。

在有线网络(Net)中的源MAC地址和无线站(STA1)处的目的地MAC地址之间建立了第一中继通信。有线网络从源MAC地址发起地址是目的地MAC地址的消息10。在接入点(AP)处，生成消息12，其具有标识中继STA的中继地址、标识接入点的发送地址、标识无线站STA1的目的地地址以及标识有线网络中的源MAC地址的源地址。在中继STA处，生成消息14，其具有标识无线站STA1的中继地址、标识中继STA的发送地址以及标识有线网络中的源MAC地址的源地址。

在无线站STA1处的源MAC地址和有线网络(Net)中的目的地MAC地址之间建立了第二中继通信(可能是对第一通信的回应)。无线站STA1从源MAC地址发起消息16，该消息16的地址是目的地MAC地址，并且具有标识中继STA的中继地址、标识无线站STA1的发送地址以及标识有线网络(Net)中目的地MAC地址的目的地地址。在中继STA处，生成消息18，其具有标识接入点的接收方地址、标识中继STA的发送地址、标识有线网络中的目的地MAC地址的目的地地址以及标识无线站STA1的源地址。在接入点处，生成消息20，其具有标识有线网络中的目的地MAC地址的目的地地址。

在图3示出的消息操作中，应当注意到的是，对于无线站STA和它们的中继STA之间的传输不需要接入点的地址，因为接入点和中继STA之间的链路总是另一跳。另外，对于接入点和中继STA之间的传输总是需要无线站STA的地址。最后，对于接入点和中继STA之间的传输，需要基本服务集(BSS)外部的下一跳设备的地址。

在接入点(AP)和无线站(STA)之间的常规通信可以利用图1C和1D示出的压缩头部数据/管理帧。该压缩头部数据/管理帧格式有利地用于减少MAC开销。接收方和发送方在该帧中由地址标识(AID)和MAC地址(基于AID的压缩)来标识。接收方和发送方还可以由两个MAC地址(基于MAC地址的压缩)来标识。

然而，在图3的中继通信环境下，压缩数据帧并不支持中继。没有对基于AID的压缩和基于MAC地址的压缩之间的标识，并且压缩帧中缺少业务类别(TC)。

实施例提出如图4所示的对压缩头部数据帧进一步的修改以支持中继操作。

该修改包括使地址域A4 50可选。就帧控制(FC)域而言，进一步提出的修改包括增加帧头部压缩(FHC)协调子域54、中继子域56以及无AID子域58。更进一步，该帧控制(FC)域可以通过删除上面讨论的压缩数据帧头部中的A3存在帧48(见图1D)而修改。

可选的地址域A4 30为使用提供额外的地址。以图3为例，可见支持中继操作所需要的地址。

A3域和A4域之一标识边缘无线站，并且能够在修改的压缩帧中使用边缘STA标识(ID)域而非边缘无线站的6字节MAC地址。

边缘STA标识(ID)域提供用于存储中继通信中无线站STA的地址的域(例如，指示边缘无线站STA的AID)。如果用于中继通

信的边缘处支持的无线站的最大数目是256，则边缘STA标识(ID)域可以具有1个8位组(1字节)的长度。当用于中继通信的边缘处支持的无线站的最大数目大于256时，则边缘STA标识(ID)域52可以具有两个8位组(两字节)的长度。

FHC协调子域54指示发送方和接收方是否协商可以从修改的压缩头部数据帧(诸如中继操作模式中的A3和A4域)中移除的信息(例如，可选信息)。例如，如果使用了协调，则该单个比特子域54可以指示逻辑“1”，如果未使用协调，则为逻辑“0”。

中继子域56指示中继STA是否正传输中继帧。例如，如果该帧是中继帧，则该单个比特子域56可以指示逻辑“1”，如果该帧不是中继帧，则指示逻辑“0”。

无AID子域58指示是否有AID用于标识接收方和/或发送方之一。例如，如果使用AID，则该单个比特子域58指示逻辑“1”，如果使用AID，则指示逻辑“0”。当无AID设置为逻辑“1”时，地址A1和地址A2是MAC地址。当无AID设置为逻辑“0”时，地址A1和地址A2之一是AID。

修改的压缩头部数据/管理帧的A1和A2域可以包括不同的信息，取决于From DS指示。当From DS＝1时，A1域包括AID而A2域包括BSSID。相反地，当From DS＝0时，A1域包括BSSID或RA而A2域包括AID。就AID而言，比特b12-b0用于标识AID。比特b15-b13预留用于标识业务类别(TC)。

当FHC协调子域54的比特设置为逻辑“0”以指示没有压缩头部协调并且中继子域56的比特设置为逻辑“1”时，则在该帧在接入点(AP)和中继STA之间传输时，A3和A4是该帧头部的一部分。

当FHC协调子域54的比特设置为逻辑“1”以指示压缩头部协商并且中继子域56的比特设置为逻辑“1”时，则在该帧在接入点(AP)和中继STA之间传输时，A3和A4之一可以从该压缩帧头部移除。移除的地址总是BSS外部的设备的MAC地址。保留在压缩帧中的地址A3和地址A4之一是边缘STA的标识。它可以是边缘STA的MAC地址或边缘STA的AID。当接入点从中继STA接收压缩数据帧时，接入点使用边缘STA的AID或边缘STA的MAC地址来推断BSS外部的设备的MAC地址。当中继STA从AP接收压缩数据帧时，中继STA使用边缘STA的AID或边缘STA的MAC地址来推断BSS外部的设备的MAC地址。

边缘STA通过管理帧通知中继STA关于边缘STA的标识符和外部MAC地址之间的映射。中继STA记录边缘STA的标识符和外部MAC地址之间的映射。中继STA通过管理帧向AP转发边缘STA的标识符和外部MAC地址之间的映射。AP记录边缘STA的标识符和外部MAC地址之间的映射。一旦AP和中继STA建立了边缘STA的标识符和外部MAC地址之间的映射，在帧在接入点(AP)和中继STA之间传输并且具有FHC协调子域54的比特设置为逻辑“1”时，地址A3和地址A4之一可以从压缩帧头部中移除。

当无AID子域58的比特设置为逻辑“1”时，则三个比特(例如AID域的比特b15-b13)用于标识业务类别(TC)。当无AID子域58的比特设置为逻辑“0”时，则三个比特(例如FC域的比特b14-b12)用于标识业务类别(TC)。

总之，如果在边缘STA、中继STA和接入点之中完成FHC协调，则BSS外部的设备的MAC地址在修改的压缩头部数据帧中被移除，该修改的压缩头部数据帧用于接入点(AP)和中继STA之间的消息，诸如图3示出的消息12和18。此外，如果在边缘STA、中继STA和接入点之中没有完成FHC协调，则修改的压缩头部数据帧需要四个MAC地址，该修改的压缩头部数据帧用于接入点(AP)和中继STA之间的消息，诸如图3示出的消息12和18。

本领域技术人员将容易理解的是，可以改变材料和方法而同时保持在本发明的范围之内。还可以意识到的是，除用于示出实施例的特定环境之外，本发明提供许多可应用的发明概念。因此，所附的权利要求意在将这样的过程、机器、制造、合成物、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims

1.一种电子系统，包括：

第一通信节点，其中所述第一通信节点被配置为：

生成用于在无线通信网络的所述第一通信节点与第二通信节点之间通信的消息；

其中所述消息包括具有压缩头部的帧，所述压缩头部包括支持AID地址的至少一个地址域以及包括至少一个比特的帧控制域，所述至少一个比特指定在所述至少一个地址域中的所述AID地址是否是针对所述帧的发送方或接收方中的一个；

其中所述帧进一步包括标识BSS外部设备的地址的数据，并且所述帧控制域进一步包括子域，所述子域指示中继无线站是否在传输中继帧。

2.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述发送方或接收方中的所述一个是所述无线通信网络的站。

3.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述帧是数据帧或管理帧之一。

4.根据权利要求3所述的电子系统，其中所述数据帧在接入节点和中继节点之间通信,并且所述数据帧正在无线站和BSS外部设备之间传输。

5.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述第一通信节点或所述第二通信节点中的一个是接入点。

6.根据权利要求5所述的电子系统，其中所述第一通信节点或所述第二通信节点中的另一个是中继无线站。

7.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述帧仅包括一个或两个地址域。

8.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述AID地址标识所述消息的发送方。

9.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述AID地址标识所述消息的接收方。

10.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述帧不包括持续时间/ID域或HT控制域。

11.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述帧进一步包括第三地址域，并且所述帧控制域包括子域，所述子域包括至少一个额外比特以标识所述第三地址域是否存在于所述头部中。

12.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述帧不包括QoS控制域。

13.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述帧控制域包括子域，所述子域指示AID是否用于标识所述帧的源或目的地之一。

14.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述AID地址包括标识站的第一多位比特和标识业务类别的第二多位比特。

15.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述第一通信节点和所述第二通信节点包括接入点和中继节点，并且其中所述接入点和所述中继节点记录无线站地址和所述BSS外部设备的MAC地址之间的映射。

16.根据权利要求1所述的电子系统，其中所述帧控制域进一步包括用于指示所述帧的所述发送方和接收方是否协调能够从所述帧移除的信息的至少一个比特。

17.一种电子系统，包括：

在无线网络中位于接入点和无线站之间的中继节点，所述中继节点被配置为：

生成消息，所述消息包括具有压缩头部的帧，所述压缩头部包括支持BSSID地址的第一地址域、支持AID地址的第二地址域、存储所述无线站的地址的第三地址域以及帧控制域，所述帧控制域包括至少一个比特，其指定所述AID地址是否针对所述中继节点，以及至少一个额外比特，其标识所述帧是否正在由所述中继节点中继。

18.根据权利要求17所述的电子系统，其中所述BSSID地址标识所述接入点作为所述帧的接收方，并且所述AID地址标识所述中继节点作为所述帧的发送方，以及所述第三地址标识所述无线站作为所述帧的源。

19.根据权利要求17所述的电子系统，其中所述帧控制域进一步包括用于指示所述帧的所述发送方和接收方是否协调能够从所述帧移除的信息的至少一个比特。

20.一种电子系统，包括：

在无线通信中的接入点，其中所述接入点被配置为生成用于与中继节点通信的消息，所述中继节点位于所述接入点和无线站之间，所述消息包括具有压缩头部的帧，所述压缩头部包括标识所述中继节点的第一地址域、支持BSSID地址的第二地址域、存储所述无线站的地址的第三地址域以及帧控制域，所述帧控制域包括至少一个比特，其指定所述第一地址域是否标识所述中继节点，至少一个额外比特，其标识所述帧是否正在由所述中继节点中继，以及至少又一比特，其标识AID是否用于所述第一地址域。

21.根据权利要求20所述的电子系统，其中所述第一地址标识所述中继节点作为所述帧的接收方。

22.根据权利要求20所述的电子系统，其中所述帧控制域进一步包括用于指示所述帧的所述发送方和接收方是否协调能够从所述帧移除的信息的至少一个比特。