CN108024315B - 大型空间WiFi多点接入系统及其通信方法 - Google Patents

大型空间WiFi多点接入系统及其通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种大型空间WiFi多点接入系统及其通信方法，包括因特网、核心交换机、服务器、交换机和AP，所述因特网与核心交换机之间通过网线连接，所述服务器与核心交换机之间通过网线连接，所述交换机与核心交换机之间通过网线连接，所述AP7设有多个，各个AP和所对应的交换机通过网线连接，各个AP上设有天线，各个站点和AP之间无线通信。通过使用本发明，可以提升频谱利用率和网络吞吐量，能够有效减小数据发送碰撞的概率，降低了每个客户端的等待时间从而减少网络延迟，还可以降低被调度的用户之间的同信道干扰，提升系统的性能表现。

Description

大型空间WiFi多点接入系统及其通信方法
技术领域
本发明涉及一种大型空间WiFi多点接入系统及其通信方法，属于网络及数据通信领域。
背景技术
由于WIFI网络在成本、吞吐量、室内覆盖、频率资源等方面有优势，使其得到了广大用户的青睐，不仅在传统的桌面互联网中得到了广泛应用，也成为移动互联网用户的主要接入方式，用户数量急剧增长。在机场、大型商场、体育馆、车站等大型场所下，通常用户密度高、数量大。由于单个AP的覆盖范围有限，为了满足大量用户的接入，需要部署大量的AP，每个AP下面需要接入的用户数量众多，但在大规模密集组网环境下，实际性能常常与设计性能相去甚远。
目前国内外研究中，对于密集环境下，WIFI性能下降这一问题，解决的思路主要是通过改进802.11的二进制退避算法或者将OFDMA和MU-MIMO技术引入MAC层接入方案中，但这两种方法均有所缺陷。因此，针对现有技术的不足，设计一种大型空间WiFi多点接入系统及其通信方法，解决用户并发接入风暴的问题，保证大型空间内覆盖WiFi网络，优化密集用户场景下的系统性能和传输效率。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术存在的上述问题，从而提供一种大型空间WiFi多点接入系统及其通信方法，保证大型空间内覆盖WiFi网络，优化密集用户场景下的系统性能和传输效率。
本发明的技术解决方案是：一种大型空间WiFi多点接入系统，包括因特网、核心交换机、服务器、交换机和AP，所述因特网与核心交换机之间通过网线连接，所述服务器与核心交换机之间通过网线连接，所述交换机与核心交换机之间通过网线连接，所述AP7设有多个，各个AP分布于所述大型空间内，各个AP和所对应的交换机通过网线连接，各个AP上设有天线，各个站点和AP之间无线通信。
进一步地，上述大型空间WiFi多点接入系统，其中：所述因特网与核心交换机之间设有防火墙。
进一步地，上述大型空间WiFi多点接入系统，其中：还包括监控设备，所述监控设备与核心交换机之间通过网线连接。
进一步地，上述大型空间WiFi多点接入系统，其中：所述AP上连接有至少2根天线，所述天线为定向天线。
本法明还公开了一种大型空间WiFi多点接入系统的通信方法，在上行链路中，所述在系统中AP端能够支持的同时传输空间流的个数最大值为K，具体包括以下步骤：
（1）当其中一个站点首先获得信道接入的机会，发送一个RTS帧给AP；
（2）AP在收到该站点的RTS帧后，发送一个I-CTS帧，K的值就减1，然后AP广播该I-CTS帧，通知其它站点可开始竞争接入信道，竞争上行传输的机会，并且告知获得信道接入的机会的站点AP成功收到了RTS帧，有数据需要发送的其余站点在收到I-CTS帧后，进行退避，当其余站点中的一个站点的退避计数器的值首先减为0时，该站点成功竞争接入信道，之后重复步骤（1）和（2），直至K=0；
（3）AP广播一个Final CTS帧，表明信道竞争阶段结束，通知其它站点延迟竞争接入信道；并且，通知之前成功接入信道的站点发送上行数据帧；
（4）AP在收到接入信道的站点上行数据帧后，广播一个G-ACK帧，表明数据帧的成功接收。
更进一步地，上述大型空间WiFi多点接入系统的通信方法，其中：所述步骤（2）中，AP在发出I-CTS帧后会维护一个计时器T，等待计时器T时间间隔后，AP也会发送F-CTS帧，通知其余可发送上行数据帧。
更进一步地，上述大型空间WiFi多点接入系统的通信方法，其中：若各个站点没有接收到步骤（3）中AP所广播的Final CTS帧时，则认为碰撞产生，此次传输尝试失败，所有节点在等待一定时间间隔后重新开始竞争接入信道。
本法明还公开了一种大型空间WiFi多点接入系统的通信方法，在下行链路中，所述在系统中AP端能够支持的同时传输空间流的个数最大值为K，N个站点分布在AP覆盖范围下，具体包括以下步骤：
（1）对所有N名待选站点进行基于SLNR准则进行预编码，并且按照其各自的信噪比进行排序，并挑选其中信噪比最大的K名组成初始的用户组合。将该初始组合表示为集合B，而经过排序但未被选入集合B的N—K名用户组成有序队列C；
（2）设置当前替换轮数X=0和最大替换轮数Q；
（3）参照基于SLNR准则的预编码算法，计算集合B中所有用户的SLNR值，并将其中SLNR值最小的用户标记为ud，其SLNR值标记为SLNRd；
（4）选出有序队列C中的第一位用户，即C中信噪比最大的用户替换集合B中的用户ud，，组成临时用户组合B1，并从有序队列C中删除被选出的用户；
（5）计算临时用户组合B1中各用户的SLNR值，并将其中SLNR值最小的用户标记为ue，其SLNR值标记为SLNRe；
（6）比较SLNRe和SLNRd，若SLNRe＞SLNRd，则采取以下步骤：
6.1 承认步骤（4）中的替换是合理的，即B1替代B，并用ue和SLNRe的值替换原来的ud和SLNRd；SLNR,专SLNRd，同时当前替换轮数X=X+1；
6.2 对有序队列C进行更新，即将所有集合B以外的待选用户按照其各自的信噪比有序的组合起来，为下一轮的替换做好准备；
6.3 检查替换轮数X，若已达到最大替换轮数Q，则结束本算法，以现有集合B作为调度结果，否则返回步骤（4），进行下一轮的替换；
若SLNRe≤SLNRd，则采取以下步骤：
6.4 认为步骤（4）中的替换不合理，保留原有集合B以及ud和SLNRd；
6.5 检查有序队列C，如果有序队列C中仍有待选用户，则返回步骤（4），进行下一次替换尝试；如果有序队列C已经为空序列，则结束本算法，以现有集合口作为调度结果。
再进一步地，上述大型空间WiFi多点接入系统的通信方法，其中：所述Q的取值范围为3~5。
本发明突出的技术效果主要体现在：（1）提升频谱利用率和网络吞吐量。这对于提升密集用户接入环境下的用户上网体验有很大的帮助；（2）时延低。能够有效减小数据发送碰撞的概率，降低了每个客户端的等待时间从而减少网络延迟，非常适合于对时延敏感的应用，比如语音聊天、在线视频等应用；（3）降低被调度的用户之间的同信道干扰，提升系统的性能表现。
附图说明
图1是本发明大型空间WiFi多点接入系统示意图。
图中，各附图标记的含义为：1—因特网，2—防火墙，3—核心交换机，4—服务器，5—监控设备，6—交换机，7—接入点（AP），8—站点（STA）。
具体实施方式
以下通过附图结合具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明大型空间WiFi多点接入系统包括因特网1、核心交换机3、服务器4、监控设备5、交换机6和接入点（AP）7，因特网1与核心交换机3之间通过网线连接，且二者之间设有防火墙2，服务器4与监控设备5均与核心交换机3之间通过网线连接，所述大型空间内，根据场地实际情况安装有多台交换机6，所述交换机6与核心交换机3之间通过网线相连接，所述AP7设有多个，各个AP7分布于所述大型空间内，各个AP7和所对应的交换机6通过网线连接，各个AP7上设有天线，各个站点（STA）和接入点（AP）之间无线通信。优选地，若在室内安装WiFi多点接入系统，则每层设置一台交换机6
优选地，根据AP7所在位置区间，其区间内人流密度不同，AP7的设置方式也不同，例如在人数不是很多的地方，采用普通AP7即可，在人数较多的地方，如会议室、体育场、机场候机厅所用AP7需连接多跟天线，且天线采用定向天线。通过使用定向天线，在密集场景下为了减少干扰，一般会使用定向天线控制每个AP7的覆盖范围。定向天线够将信号控制在覆盖目标区域内，而在其它区域内能够迅速衰减。对于体育场、会议室、机场候机厅这类室外密集用户场景，各个AP7间的间距很小，使用小角度的定向天线是一种很好的选择，可形成不同的天线波瓣，避免不必要的干扰。
本发明大型空间WiFi多点接入系统的通信方法基于IEEE802.11的DCF模式，所述DCF模式是IEEE802.11最基本的媒介访问方法，DCF模式通过该带碰撞避免的载波帧听多址协（CSMA/CA）技术来实现对无线信道的共享接入，CSMA/CA技术基本原理为：站点在发送数据前会先帧听信道，一旦信道变成空闲，站点等待一个随机的时间段，这个时间段我们称之为DCF帧间隔（DIFS），并继续帧听信道。如果在这个随机时间段内信道一直处于空闲状态，那么站点就可开始传输数据。如果在等待时间内发现有其它的站点在传输数据，那么这个站点就会相应的延迟传输，会等待信道变为空闲，然后等待DIFS时长并随机退避一段时间。如果退避时间结束后信道仍然处于空闲状态，那么节点就可占用信道发送数据了。一般情况下，节点选择的随机退避时间不相同，这样就可有效的避免数据发送的时候产生冲突。
为了解决隐藏节点引起的碰撞问题，IEEE802.11协议引入了RTS/CTS接入模式，发送节点和接收节点通过RTS、CTS帧交换的形式对信道进行预约。RTS、CTS帧中包含一个持续时间（duration）字段。STA发送数据前，先发送一个RTS帧，包括了发送地址、接收地址以及这次数据传输所需要的时间。AP在收到RTS帧后，如果信道空闲，就会广播一个CTS帧，CTS帧会复制上一个RTS帧的duration字段，并进行更新。该STA在收到CTS帧后，就认为信道空闲，经过短帧间间隔（SIFS）时间间隔，开始发送自己的数据。其它站点在收到广播的CTS帧后，就会根据CTS帧里面的duration字段自动更新自己的网络分配矢量（NAV）值，并且延迟竞争接入信道的时间。这样，就可有效解决隐藏节点的问题。如果STA在SIFS间隔内没有收到AP回应的CTS帧，则说明信道繁忙，因此会开启二进制指数退避过程。
802.11协议可在MAC层上引入多用户接入方式，允许同一时间在信道上有多个用户进行数据传输，这样就可大幅提升系统的吞吐量和接入能力，使其适合于密集接入环境下的传输。因此本发明提出一种多用户多入多出技术，能够突破无线接入点（AP）在同一时间只能和一个用户进行通信的限制，可在同一时间让AP能够同时将数据发送至多个终端设备。
本发明所用的通信方法是基于IEEE802.11的DCF模式，节点依然采用原来的二进制指数退避方式竞争信道。另外，为了不引入新的控制帧开销，采用RTS/CTS方式来进行AP和STA之间的控制信息交换，主要包括以下两个步骤：
（1）AP通过RTS、CTS帧交换来获取信道状态信息；
（2）AP通过广播CTS帧来通知哪些STA获得上行传输机会，开始数据传输
在AP端配置有M根天线，N个STA分布在AP覆盖范围下。AP端支持K个空间流并行传输。
在上行链路中，经过分布式帧间间隙（DIFS）和一段退避时间后，当 STA1首先获得信道接入的机会，发送一个RTS帧给AP。AP在收到该STA的RTS帧后，发送一个I-CTS帧，然后AP广播该I-CTS帧，上述步骤具有以下作用：
（1）通知其它STA可开始竞争接入信道，竞争上行传输的机会；
（2）告知STA1， AP成功收到了RTS帧。
有数据需要发送的STA在收到I-CTS帧后，就会等待SIFS时间间隔并且从竞争窗口CW中随化选择一个数值进行退避。当某个STA的退避计数器的值首先减为0时，该STA成功竞争接入信道，会发送一个RTS帧给AP。其它的STA则会暂时将自己的退避过程挂起，等待信道空闲SIFS时间间隔后继续开始上次暂停的退避过程。
AP端能够支持的同时传输空间流的个数最大值为K，每当AP收到一个RTS帧，K的值就减1。同时，AP在发出I-CTS帧后会维护一个计时器T，计时器T逐渐递减，即AP接收RTS帧后的等待时间上限。一旦K的值变为0时，或者是计时器T的值减为0，AP就会广播一个FinalCTS帧（简称F-CTS帧），表明信道竞争阶段结束，通知其它站点延迟竞争接入信道；并且，通知之前成功接入信道的STA发送上行数据帧。F-CTS帧中的receiver address字段就是那些成功接入信道并发送RTS帧给AP的STA。AP在收到STA的上行数据帧后，经过SIFS间隔，广播一个G-ACK帧，表明数据帧的成功接收。在准备开启传输时，某个STA发出的RTS帧与其它节点或者AP发送的帧冲突碰撞。如果在经过SIFS＋I-CTS时间间隔后，该STA仍未收到AP广播的F-CTS帧，可认为碰撞产生，此次传输尝试失败。所有节点在等待DIFS时间间隔后重新开始竞争接入信道。如果AP关联的节点数不是很多或者是网络负载较小的时候，就会出现AP在发出I-CTS帧后，在一段时间内不能收到K个RTS帧。这时，为了避免信道陷入不必要的等待，等待计时器T时间间隔后，AP就会发送F-CTS帧，通知STA可发送上行数据帧，从而避免了不必要的等待，提高了空口的使用效率。
在下行链路中，在下行链路，多个并行空间流之间有相互的干扰，即存在多用户干扰消除问题。因此，AP需要对发出的数据帧进行预编码，减小并行传输的空间流的干扰。本发明中采用基于SLNR的预编码准则的算法，SLNR的预编码准则算法属于现有技术，可在公开文献中查阅，这里不再赘述。在下行链路中，本发明所采用的的调度方法如下：
AP端能够支持的同时传输空间流的个数最大值为K，N个STA分布在AP覆盖范围下，
（1）对所有N名待选用户进行预编码，并按照其各自的信噪比进行排序，并挑选其中信噪比最大的K名组成初始的用户组合。将该初始组合表示为集合B，而经过排序但未被选入集合B的N—K名用户组成有序队列C；
（2）设置当前替换轮数X=0和最大替换轮数Q；
（3）参照上述的基于SLNR准则的预编码算法，计算集合B中所有用户的SLNR值，并将其中SLNR值最小的用户标记为ud，其SLNR值标记为SLNRd；
（4）选出有序队列C中的第一位用户，即C中信噪比最大的用户替换集合B中的用户ud，，组成临时用户组合B1，并从有序队列C中删除被选出的用户；
（5）计算临时用户组合B1中各用户的SLNR值，并将其中SLNR值最小的用户标记为ue，其SLNR值标记为SLNRe；
（6）比较SLNRe和SLNRd，若SLNRe＞SLNRd，则采取以下步骤：6.1承认步骤（4）中的替换是合理的，即B1替代B，并用ue和SLNRe的值替换原来的ud和SLNRd；SLNR,专SLNRd，同时当前替换轮数X=X+1；6.2对有序队列C进行更新，即将所有集合B以外的待选用户按照其各自的信噪比有序的组合起来，为下一轮的替换做好准备；6.3检查替换轮数X，若已达到最大替换轮数Q，则结束本算法，以现有集合B作为调度结果，否则返回步骤（4），进行下一轮的替换。若SLNRe≤SLNRd，则采取以下步骤：6.4认为步骤（4）中的替换不合理，保留原有集合B以及ud和SLNRd；6.5检查有序队列C，如果有序队列C中仍有待选用户，则返回步骤（4），进行下一次替换尝试；如果有序队列C已经为空序列，则结束本算法，以现有集合口作为调度结果。
采用上述方法，每一轮的替换都是针对当前用户组合占中SLNR值最小的用户展开的。根据SLNR定义，在各用户端噪声功率相同的情况下，SLNR值越小就表示该用户自身信道的衰落越大，或其它用户的干扰越大。因此，将SLNR值最小的用户视为被替换的有助于提高传输效率，减少干扰，此外，上述算法中每一轮的替换都是以用户组合B中最小的SLNR值得到改善或已遍历用户组合B以外的所有用户为结束条件的，为了限定算法的最长运行时间，通常需要设置最大替换轮数Q这一参数。然而Q的取值优选为3~5。
通过以上描述可以看出，它具有以下几个优点：（1）提升频谱利用率和网络吞吐量。这对于提升密集用户接入环境下的用户上网体验有很大的帮助；（2）时延低。能够有效减小数据发送碰撞的概率，降低了每个客户端的等待时间从而减少网络延迟，非常适合于对时延敏感的应用，比如语音聊天、在线视频等应用；（3）降低被调度的用户之间的同信道干扰，提升系统的性能表现。
当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种大型空间WiFi多点接入系统的通信方法，所述大型空间WiFi多点接入系统包括因特网、核心交换机、服务器、交换机和AP，所述因特网与核心交换机之间通过网线连接，所述服务器与核心交换机之间通过网线连接，所述交换机与核心交换机之间通过网线连接，所述AP设有多个，各个AP分布于所述大型空间内，各个AP和所对应的交换机通过网线连接，各个AP上设有天线，各个站点和AP之间无线通信，其特征在于，在上行链路中，所述在系统中AP端能够支持的同时传输空间流的个数最大值为K，具体包括以下步骤：
（1）当其中一个站点首先获得信道接入的机会，发送一个RTS帧给AP；
（2）AP在收到该站点的RTS帧后，发送一个I-CTS帧，K的值就减1，然后AP广播该I-CTS帧，通知其它站点可开始竞争接入信道，竞争上行传输的机会，并且告知获得信道接入的机会的站点AP成功收到了RTS帧，有数据需要发送的其余站点在收到I-CTS帧后，进行退避，当其余站点中的一个站点的退避计数器的值首先减为0时，该站点成功竞争接入信道，之后重复步骤（1）和（2），直至K=0；
（3）AP广播一个Final CTS帧，表明信道竞争阶段结束，通知其它站点延迟竞争接入信道；并且，通知之前成功接入信道的站点发送上行数据帧；
（4）AP在收到接入信道的站点上行数据帧后，广播一个G-ACK帧，表明数据帧的成功接收。
2.根据权利要求1所述的大型空间WiFi多点接入系统的其通信方法，其特征在于：所述步骤（2）中，AP在发出I-CTS帧后会维护一个计时器T，等待计时器T时间间隔后，AP也会发送F-CTS帧，通知其余可发送上行数据帧。
3.根据权利要求2所述的大型空间WiFi多点接入系统的其通信方法，其特征在于：若各个站点没有接收到步骤（3）中AP所广播的Final CTS帧时，则认为碰撞产生，此次传输尝试失败，所有节点在等待一定时间间隔后重新开始竞争接入信道。
4.一种大型空间WiFi多点接入系统的其通信方法，所述大型空间WiFi多点接入系统包括因特网、核心交换机、服务器、交换机和AP，所述因特网与核心交换机之间通过网线连接，所述服务器与核心交换机之间通过网线连接，所述交换机与核心交换机之间通过网线连接，所述AP设有多个，各个AP分布于所述大型空间内，各个AP和所对应的交换机通过网线连接，各个AP上设有天线，各个站点和AP之间无线通信，其特征在于，在下行链路中，所述在系统中AP端能够支持的同时传输空间流的个数最大值为K，N个站点分布在AP覆盖范围下，具体包括以下步骤：
（1）对所有N名待选站点进行基于SLNR准则进行预编码，并且按照其各自的信噪比进行排序，并挑选其中信噪比最大的K名组成初始的用户组合；将该初始组合表示为集合B，而经过排序但未被选入集合B的N—K名用户组成有序队列C；
（2）设置当前替换轮数X=0和最大替换轮数Q；
（3）参照基于SLNR准则的预编码算法，计算集合B中所有用户的SLNR值，并将其中SLNR值最小的用户标记为ud，其SLNR值标记为SLNRd；
（4）选出有序队列C中的第一位用户，即C中信噪比最大的用户替换集合B中的用户ud，组成临时用户组合B1，并从有序队列C中删除被选出的用户；
（5）计算临时用户组合B1中各用户的SLNR值，并将其中SLNR值最小的用户标记为ue，其SLNR值标记为SLNRe；
（6）比较SLNRe和SLNRd，若SLNRe＞SLNRd，则采取以下步骤：
6.1 承认步骤（4）中的替换是合理的，即B1替代B，并用ue和SLNRe的值替换原来的ud和SLNRd；SLNR,专SLNRd，同时当前替换轮数X=X+1；
6.2 对有序队列C进行更新，即将所有集合B以外的待选用户按照其各自的信噪比有序的组合起来，为下一轮的替换做好准备；
6.3 检查替换轮数X，若已达到最大替换轮数Q，则结束本算法，以现有集合B作为调度结果，否则返回步骤（4），进行下一轮的替换；
若SLNRe≤SLNRd，则采取以下步骤：
6.4 认为步骤（4）中的替换不合理，保留原有集合B以及ud和SLNRd；
6.5 检查有序队列C，如果有序队列C中仍有待选用户，则返回步骤（4），进行下一次替换尝试；如果有序队列C已经为空序列，则结束本算法，以现有集合口作为调度结果。
5.根据权利要求4所述的大型空间WiFi多点接入系统的其通信方法，其特征在于，所述Q的取值范围为3~5。
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