CN107535002A - 用于根据多址接入协议来传输数据分组的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于传输数据分组的系统，所述系统包括至少一个接入点和至少一个终端。所述接入点包括：用于接收由所述终端遵照包括载波检测的多址接入协议所传输的数据分组的装置；以及用于向所述终端至少传输所述竞争窗口宽度的装置，所述终端要遵循所述宽度以便传输分组。根据本发明，使用纠删码来对所述所传输的分组进行编码，并且所述接入点进一步包括用于对所述所接收的分组进行解码的装置。适用于WLAN。

Description

用于根据多址接入协议来传输数据分组的系统
本发明涉及多个用户在共享传输信道时传输数字数据分组。
更具体地，本发明涉及在不存在对用户的传输时刻进行协调的中央实体(如例如，通过时分(时分多址(TDMA))来管理多址接入的中央实体)的情况下传输数据分组。
根据用户之间的协调程度，用于在不存在中央实体的情况下接入信道的已知协议(在本文档的上下文中被更简单地称为“多址接入协议”)可以被分为两类。
在第一类协议中，在用户之间未建立协调；具体地，用户在传输之前不对信道进行监听，以便验证信道是空闲的。尝试通过规定每个用户在随机时刻传输分组来避免由不同用户传输的分组之间的冲突。
因为在一个用户传输分组结束之前必然存在另一个用户正传输分组的非零概率，所以这种协议的主要缺点是由不同用户传输的分组之间不可避免地存在冲突以及因此不可避免地丢失数据。
在G.·利瓦(G.Liva)、E.·保利尼(E.Paolini)和M.·基安蒂(M.Chiani)的题为“High-throughput random access via codes on graphs(经由编码图形化进行高吞吐量随机接入)”的文章(FUNEMS 2010)中提出了针对所述缺点的一种解决方案。在属于所述第一类的协议中，所述解决方案包括引入用于纠正擦除的编码以使得可以恢复在冲突中丢失的数据。根据所述文章，每个用户传输每个分组的一个或多个副本，从而使得在没有冲突的情况下接收到副本之一时，有可能将其从对其涉及的冲突的分析中减去。所述解决方案的主要缺点在于，其在解调器输出的信号的电平下(并且因此根据模拟值)进行操作，其中，所述问题与对信道增益的不完美估计(否则，错误在擦除纠正方法的迭代期间传播)相关联且由于噪声的存在而产生。此外，所述方法描述了对对地静止卫星链路执行所述文章，可以将其建模为由对于分组的持续时间而言是恒定的增益和相移来表征的高斯信道。对于遵循WiFi的种类的多路径信道(即，对于电气与电子工程师协会(IEEE)的802.11标准)难以设想所述解决方案。
在第二类协议中，每个用户对信道进行监听并在未检测到传输时传输分组。此第二类的代表性示例通过WiFi中的介质访问控制(MAC)层的分布式协调功能(DCF)给出，所述DCF实施了被称为载波监听多址访问/冲突避免(CSMA/CA)的协议。在CSMA/CA中，试图传输分组的第一用户对信道进行监听，以便判定另一个用户是否已经正在发送分组；如果是，则第一用户继续对信道进行监听；当第一用户观察到信道在对于所有用户来说是恒定且完全相同的时间间隔内空闲时，用户在传输分组之前的“退避持续时间”期间等待稍长的时间，所述退避持续时间的值是从被称为“竞争窗口”的时间间隔中随机选择的。
此第二类协议的第一缺点在于，在其中继续发生冲突，主要有两个原因：
-对于每个新的退避持续时间，竞争窗口减小；当其变成零时，终端在不等待的情况下传输其数据，并且因此具有很大的冲突风险，因为它没有考虑到信道中的真实活动；
-存在由于相距太远而无法互相听见的两个终端在同一信道上同时进行传输的“隐藏节点”问题；然而，为了缓解这种“隐藏节点”问题，有可能使用被称为请求发送/清除发送(RTS/CTS)的机制，在所述机制中，接入点传输授权以传输给终端中已经向其发送了RTS的一个终端，并且由位于接入点的覆盖范围内的其他终端接收接入点发送的CTS，从而使得这些其他终端推迟其自身的传输直到稍后时间。
此第二类协议的第二缺点在于，在传输分组之前监听信道成功地减少了用户所遭受的冲突的数量，代价仅仅是在传输上花费时间的大大减少：具体地，用户花费大量时间等待确定信道空闲。因此，这种系统的数据的相当于其频谱效率的总吞吐量通常是次优的。
因此，在第一方面，本发明提供了各种设备。
因此，本发明首先提供了一种接入点，所述接入点包括：用于接收由至少一个终端遵照包括载波检测的多址接入协议所传输的数据分组的装置；以及用于向所述终端至少传输竞争窗口宽度的装置，所述终端要遵循所述宽度以便传输分组。所述接入点的显著特征在于，使用纠删码来对所述所传输的分组进行编码，并且所述接入点进一步包括用于对所述所接收的分组进行解码的装置。
因此，本发明提出了将纠删码应用于由寻求在CSMA/CA协议的背景下传输数据的各个用户传输的分组，以便恢复由于多个用户之间的冲突而被删除的分组。具体地，本发明的作者已经理解(并且验证，如以下所详细描述的)的是，以此方式，相比在不进行编码的情况下进行传输，有可能减小丢失的分组的数量，并且尽管存在任何信道编码方法的固有冗余导致所传输的分组的数量增大(先验地，这应该增大每个用户所遭受的冲突的数量)的事实，这也适用。
应当观察到，出于以下解释的原因，所使用的码优选地是最大距离可分(MDS)码。
根据具体特性，所述接入点进一步拥有用于向所述终端传输所述纠删码的至少一个参数的装置。
通过这些规定，接入点将终端要将哪个纠删码应用于其传输的分组通知给终端，假设尚未提前同意所述参数(例如，在标准的基础上)。
根据其他具体特性，所述竞争窗口宽度至少是所述纠删码的最小距离以及连接到所述接入点的终端总数的函数。
具体地，本发明的作者已经理解的是，在本发明的上下文中，他们面对以下矛盾现象。
如果用户的数量增大，则总吞吐量趋于增大，但是冲突的数量也增大并且冒着超过码的纠正能力的风险；因此，有必要通过补偿的方式来扩大竞争窗口以便减小两个用户抽取相同的退避持续时间随机值的概率。
相反，如果用户数量减小，则冲突数量趋于减小，从而使得可以缩小竞争窗口以便增大总数据吞吐量；然而，增大所传输的分组的数量导致冲突的概率增大，并且再次有必要当心以避免超过码的纠正能力。
本发明的作者已经理解(并且验证，如以下所详细描述的)的是，对于任何给定的纠删码，有可能优化作为用户数量的函数的竞争窗口宽度和码大小。
通过这些规定，有可能有利地在所考虑的传输系统中使总数据吞吐量(或频谱效率)最大化。
其次，本发明还提供了一种终端，所述终端包括：用于遵照具有载波检测的多址接入协议向接入点传输数据分组的装置；以及用于从所述接入点至少接收竞争窗口宽度并且用于考虑所述竞争窗口宽度的装置，所述终端要遵循所述宽度以便传输分组。所述终端的显著特征在于，借助于纠删码对所述所传输的分组进行编码。
根据具体特性，所述终端进一步包括用于从所述接入点接收所述纠错码的至少一个参数以及用于考虑所述至少一个参数的装置。
由终端提供的优点与由以上简要描述的接入点提供的优点基本相同。
在第二方面，本发明提供了一种数据分组传输系统。所述系统的显著特征在于，其包括如以上简要描述的至少一个接入点和如以上简要描述的至少一个终端。
由系统提供的优点与由以上简要描述的设备提供的优点基本相同。
应当观察到，有可能在软件指令的背景下和/或在电子电路的背景下实现这种设备。
本发明还提供了一种可以从通信网络中下载和/或存储在计算机可读介质上和/或可由微处理器执行的计算机程序。所述计算机程序的显著特征在于，其包括指令，当所述程序在计算机上执行时，所述指令用于对如以上简要描述的终端的或如以上简要描述的接入点的操作进行管理。
由计算机程序提供的优点与由如以上简要描述的设备提供的优点基本相同。
在阅读作为非限制性示例给出的特定实施例的以下具体实施方式时，本发明的其他方面和优点显现。本说明书参照附图，在附图中：
-图1是CSMA/CA协议中常规涉及的持续时间的图示；
-图2示出了本发明的实施方式中的数据分组的格式；
-图3示出了本发明的实施方式中的从一组数据分组中构建的码字；
-图4至图7示出了针对各种码并且针对不同的竞争窗口宽度、作为用户数量的函数的在不存在编码和存在编码的情况下的平均总吞吐量以及在由用户进行解码之后删除分组的速率和非纠正速率；
-图8适用于长度为255的码以及等于十的用户数量，并且示出了作为竞争窗口宽度以及码大小的函数的总吞吐量；并且
-图9适用于长度为255的码以及等于十的用户数量，并且针对码大小的三个值示出了作为竞争窗口宽度的函数的总吞吐量。
考虑了适合于使用多址接入协议(比如，以上简要描述的CSMA/CA协议)来向某个接入点传输数据分组的一组用户终端。举例来说，这些终端和接入点可以形成(例如，WiFi类型的)无线局域网(WLAN)的一部分。
参照图1，描述开始于关于CSMA/CA协议中常规涉及的持续时间的几个提醒。
在图1中：
-T分组是分组的传输持续时间；
-SIFS(代表短帧间间隔)是在确认之前进行传输的时间间隔(默认地，SIFS为10微秒(μs))；
-T确认是确认的持续时间(默认地，T确认为2μs)：如果用户在传输分组后的某个时间间隔(SIFS+T确认)之后还没有收到确认，则认为所述分组丢失；
-DIFS(代表分布式帧间间隔)是上述(固定)时间间隔，在其之前，看到信道未被占用的用户可以开始上述退避持续时间(默认地，DIFS为50μs)；以及
-退避持续时间：为了避免所有用户在DIFS结束时开始传输，添加了此随机持续时间，所述随机持续时间是持续时间增量T时隙(默认为20μs)的整数倍；如上所述，退避持续时间由每个用户随机确定在竞争窗口(以下写成W)内，并且其被表示为时“隙”的数量。
在本发明中，借助于本身已知的一个(多个)纠删码来对由用户传输的分组进行编码。待使用的码由接入点确定为与其通信的用户的数量的函数。
在实施例中，接入点至少在终端已经与接入点连接之后向每个用户传输码的大小k连同将由用户编译的竞争窗口宽度W或仅竞争窗口宽度W(当所有用户正在使用同一码(例如，具有标准化参数的码)时)。
以下是关于分组编码的几个提醒。
如图2中所示出的，假设所有分组以相同大小传输并且各自包括m个比特的L个码元。如图3中所示出的，在实施方式中，对多个(n个)连续分组横向地执行编码操作，从而使得包含m比特的n个码元的L列中的每一列各自形成长度为n且大小为k的码字。
对于m＝1，使用能够进行擦除纠正的二进制码…；出于此目的，其足以考虑码的奇偶控制矩阵，因为码的每个奇偶方程采用以下形式：
h1x1+h2x2+...+hnxn＝0 (1)
其中，hi∈{0,1}并且xi∈{0,1}，i＝1，……，n也适用于分组：
h1P1+h2P2+...+hnPn＝0 (2)
其中，0是其中所有比特为零的分组，并且加法是逐比特应用于分组的异或(XOR)函数。
对于m>1，优选的是，使用在扩展字段GF(2m)(例如，取决于m＝7还是m＝8的GF(27)或GF(28))上限定的码。在这种情况下，奇偶方程(2)涉及在此扩展字段中的算法，具体地，乘法。然后，码为里德-索罗门(Reed-Solomon，RS)码。可以在这些奇偶方程的基础上或通过使用用于RS码的任何其他解码算法(例如，代数解码)来对列上的每个码字执行解码。
具体地，选择码时要考虑的参数如下。
线性码(无论其是否是二进制的)的重要参数是区别两个不同码字的最小码元数量；这个量被写成d并被称为码的“最小距离”。参数n、k和d不是独立的，而是受到某个数量的不等式的约束，包括辛格顿(Singleton)界：
d≤n-k+1 (3)
当达到不等式时(d＝n-k+1)，可以说码是最大距离可分的(MDS)。在二进制配置中，发现仅MDS码为琐碎码：重复码(重复分组(n-1)次)，或在其中在(n-1)个独立数据分组之后仅添加了一个奇偶分组的奇偶码。为了具有不琐碎的并且提供更好性能的码，有必要在上述有限字段中进行工作；具体地，在此上下文中，MDS码的常规示例是上述RS码的常规示例。因此，优选地，使用GF(2m)(其中，m>1)内的MDS码来执行本发明。
为了评估性能，假设纠正了高达(d-1)次擦除的所有擦除配置，并且并未纠正d次擦除或更多次擦除的所有配置(这是保守的，因为纠正了一些这种配置，但是在以下忽略了这种现象)。因此，对于给定n和k值，具有尽可能大的最小距离d是有利的，从这个角度看，这显示了MDS码的重要性。
以下描述了本发明的实施方式。
在此实施方式中，使用了里德-所罗门码，并且出于易于实施的原因，优先选择GF(28)上的码；可以缩短码(即，所述码的长度可以为n<255个字节)。
而且，优选地，选择适应于如终端所见的信道的码率k/n。具体地，因为在大多数情况下，这种码或者太强大，或者不够强大，所以使用固定码率是次优的；如果码率太小，则无意义地引入冗余并且不充分地使用可用数据速率；相反，如果码率很高，则码是低效的并且不能纠正所有擦除。
为了减少分组丢失率，有必要增大竞争窗口宽度W：然后每个用户的(退避)持续时间可以取更大值(由此在两个分组传输之间给出更长的时间间隔)。因为用户数量很小，因为存在两个或更多个用户将抽取相同的退避持续时间值的低概率，纠正码的效率差，并且总吞吐量的下降主要是由于纠正码的码率引起的，所以存在很少的冲突。随着用户的数量增大，每个用户遭受的冲突的数量也增大，然而，如果不超过码的整体纠正能力，则总吞吐量将继续增大。之后，在某个点处，冲突的数量开始超过纠正能力；然后，编码不能再恢复已删除的分组，并且总吞吐量减小。
在CSMA/CA协议的稍微简化版本中，可以通过以下定性分析使这种定性分析更精确。出于此目的，假设用户总是有分组要传输，从而使得在每个竞争时期中，所有用户都尝试访问资源；因此，总吞吐量可能达到其理论最大值(在饱和或“满缓冲器”条件下)。
给定用户i在竞争时期遭受冲突的概率通过以下方程给出：
可能显示的是，N当中的给定用户i因为所述用户抽取了最小退避持续时间(但是没有任何保证是抽取所述退避持续时间的唯一用户，所以仍然存在某个冲突概率)而访问信道的概率通过以下方程给出：
由此可以推导出擦除的概率通过以下方程给出：
因此，在不存在编码的情况下，N个用户的总吞吐量通过以下方程给出：
DNC＝N×p成功/τ (7)
其中，τ为两次传输之间的平均时间间隔，并且其中：
是针对N个用户中的任一用户来说传输成功的概率。
在存在长度为n、大小为k并且最小距离为d的码的情况下，码的最大纠正能力为(d-1)个已删除的分组。在n个分组内存在至多(d-1)次擦除的概率通过以下方程给出：
其为成功解码n个分组构成的码字的概率，包括k个信息分组。因此，在存在编码的情况下，总吞吐量通过以下方程给出：
以下借助于几个数值来展示这些结果。图4至图7适用于位于1至40的范围内的用户数量N，并且所述图示出了：
-在不存在纠正编码(平滑曲线)和存在纠正编码(有粗圆点的曲线)的情况下的平均总吞吐量(以分组每秒(分组/s)来表示)；以及
-在不存在编码的情况下删除分组的速率(平滑曲线)以及在每个用户进行解码之后的非纠正速率(有粗圆点的曲线)。
在图4中示出的第一示例中，考虑了码(n＝255；k＝200；d＝56)，并且假设W＝32个时隙。在此图中，可以看出，对于N<6，纠正擦除的失效率小于1％；吞吐量损失被观察仅为码的200/255比率的结果。一旦N≥7，就超过码的纠正能力，解码更频繁地失效，并且在不存在编码的情况下，失效率变得大于擦除率。
在图5中所示出的第二示例中，使用了同一码，但是具有W＝50个时隙。现在，有可能确保高达9个用户的小于1％的失效率。
在图6中所示出的第三示例中，再次使用了同一码，但是具有W＝100个时隙。此时，有可能接受17个用户，在解码之后失效率为1％。对于小用户数量(少于五个)，由于竞争窗口太大并且信道中的冲突率小于几个百分点，所以未充分地使用信道。在用户的数量增大时，改善了对信道的利用并且借助于纠正码来补救了附加冲突。对于20个用户，超过了码的纠正能力，并且总吞吐量崩溃。
在图7中所示出的第四示例中，虽然如在之前的示例中的使用了同一竞争窗口W＝100个时隙，但是现在码具有以下参数(n＝127；k＝100；d＝28)。由于码较短，所以观察到非常微小的性能降级。在约17个用户的情况下，达到最大总吞吐量。
以上结果表明，如果相反假设竞争访问给定信道的用户数量已知，则有可能给出竞争窗口宽度W的最佳值。具体地，竞争窗口的最佳宽度W的存在是折衷的结果：当窗口太小时，相比码的纠正能力，存在太多冲突，无法恢复擦除，并且吞吐量为零。当W增大时，存在更少冲突，并且解码变得有效。之后，当W继续增大时，达到确实几乎不存在任何冲突的阶段，但是在所述阶段，在两次分组传输之间的时延变得太长(用户使他们的传输间隔太远)，并且总吞吐量降低。
当针对固定用户数量N而计算方程(10)的函数Dc(k,W)时，可以通过同时作用于k和W值来优化总吞吐量。为了做到这一点，构建了表D，在所述表中，每个元素(i,j)等于总吞吐量Dc，条件是：
-k＝i，其中，1≤i≤n；并且
-W＝j，其中，1≤j≤W最大
(其中，W最大是竞争窗口的最大宽度，在此示例中，任意固定为200个时隙)，并且搜索与D(i,j)的最大值相对应的对(i*，j*)。
图8是曲线图，表示针对N＝10个用户且长度为n＝255的码的D(k,W)。
图9适用于N＝10个用户且长度为n＝255的码，并且针对码大小k的三个值示出了作为竞争窗口宽度的函数的总吞吐量。换言之，对于参数k的三个值：最优值(k＝172)和值k＝150以及k＝200，图9与图8的三个平面部分相对应。
可以看出，对于k＝172(其中，窗口具有W＝32个时隙的宽度)，达到了等于每秒2967个分组的最大吞吐量。此吞吐量大于图9中对于其他两个k值(150或200)而给定的值(所述其他两个值是对于参数W的不同值处也达到最大值的值)，同时小于当k＝172且W＝32个时隙时达到的所述最大值。因此，同时对参数k和W两者执行优化是有利的。
最后，应当观察到，可以通过使用软件和/或硬件组件在电信网络的节点(例如，WLAN的发射机终端或接入点)内执行本发明。
可以将软件组件结合在常规计算机程序中以便管理网络节点。这就是如在以上所提及的为什么本发明还提供了计算机系统的原因。计算机系统常规地包括使用信号来控制存储器以及输入单元和输出单元的中央处理器单元。此外，计算机系统可以用于执行包括用于管理本发明的终端的操作或接入点的操作的指令的计算机程序。
具体地，本发明还提供了可以从通信网络中下载的并且包括指令的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上执行时，所述指令用于对本发明的终端的或接入点的操作进行管理。计算机程序可以存储在计算机可读介质上并且可以由微处理器执行。
程序可以使用任何编程语言，并且程序可以是源代码、目标代码、或在源代码与目标代码之间的中间代码的形式，比如采用部分编译的形式或采用任何其他令人期望的形式。
本发明还提供了不可移除的或部分或完全可移除的计算机可读的且包括如在以上所提到的计算机程序的指令的数据介质。数据介质可以是能够存储程序的任何实体或设备。例如，介质可以包括存储装置，比如只读存储器(ROM)(例如，高密度磁盘(CD)ROM或微电子电路ROM)、或磁记录装置(比如，硬盘或真正的通用串行总线(USB)闪存驱动器)。
此外，数据介质可以是适合用于通过电缆或光缆、通过无线电或者通过其他手段来输送的可传输介质(比如，电信号或者光信号)。具体地，可以从互联网型网络中下载本发明的计算机程序。
在变体中，数据介质可以是结合了程序的集成电路，所述电路被适配成用于执行或用于对本发明的终端或接入点的管理。

Claims (8)

1.一种接入点，所述接入点包括：用于接收由至少一个终端遵照包括载波检测的多址接入协议所传输的数据分组的装置；以及用于向所述终端至少传输竞争窗口宽度的装置，所述终端要遵循所述宽度以便传输分组，所述接入点的特征在于，使用纠删码来对所述所传输的分组进行编码，并且所述接入点进一步包括用于对所述所接收的分组进行解码的装置。
2.根据权利要求1所述的接入点，其特征在于，所述接入点进一步拥有用于向所述终端传输所述纠删码的至少一个参数的装置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的接入点，其特征在于，由所述接入点传输的所述竞争窗口宽度至少是所述纠删码的最小距离以及连接到所述接入点的终端总数的函数。
4.一种终端，所述终端包括用于遵照具有载波检测的多址接入协议向接入点传输数据分组的装置；以及用于从所述接入点至少接收竞争窗口宽度并且用于考虑所述竞争窗口宽度的装置，所述终端要遵循所述宽度以便传输分组，所述终端的特征在于，借助于纠删码对所述所传输的分组进行编码。
5.根据权利要求4的所述终端，其特征在于，所述终端进一步包括用于从所述接入点接收所述纠错码的至少一个参数并且用于考虑所述至少一个参数的装置。
6.一种用于传输数据分组的系统，所述系统的特征在于，其包括根据权利要求1至3中任一项所述的至少一个接入点以及根据权利要求4或5所述的至少一个终端。
7.一种不可移除的或者部分或完全可移除的数据存储装置，所述数据存储装置包括用于对根据权利要求1至3中任一项所述的接入点的或根据权利要求4或权利要求5所述的终端的操作进行管理的计算机程序代码指令。
8.一种可以从通信网络中下载和/或存储在计算机可读介质上和/或可由微处理器执行的计算机程序，所述程序的特征在于，其包括指令，当所述计算机程序由计算机执行时，所述指令用于对根据权利要求1至3中任一项所述的接入点的或根据权利要求4或权利要求5所述的终端的操作进行管理。
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