CN112584405A - 一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法 - Google Patents

一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线局域网领域，特别涉及一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，包括：接入点广播随机接入触发帧，在接入点宣布的竞争周期中通过随机选择的子信道传输缓冲区状态报告包来争夺信道资源；接入点发送探帧通知竞争成功的站点发送其收集的功率信息，并计算站点间的干扰信息并维护一张干扰图；接入点根据子信道分配算法，给竞争成功的上行站以及选取的最优下行站分配给不同的子信道和传输机会，接入点和站点使用各自分配的子信道进行全双工数据传输；本发明实现了支持上行链路和下行链路通信的非对称业务，以及解决了站点间干扰问题，从而达到了提升系统吞吐量和降低时延的效果。

Description

一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法
技术领域
本发明涉及WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)领域，特别涉及一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展和移动数据流量的指数型增长，现有的无线网络呈现出致密化的趋势。为了提高密集用户场景的效率，正在进行的标准IEEE802.11ax下的OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)被认为是有前途的解决方案之一。OFDMA通过将整个信道分成几个子信道，使多个无线节点能够同时访问子信道以进行数据传输。
同时，IBFD(In-Band Full-Duplex，带内全双工)通信被认为是一种很有前景的解决方案，它使无线节点能够在同一无线信道上同时发送和接收帧。实现全双工传输的关键是消除强自干扰的能力。最近，通过天线消除，数字干扰消除等技术的组合，使得全双工无线通信变得切实可行。这种革命性的结果显着提高了网络性能，但无线网络的更高级别协议也必须重新设计，尤其是MAC(Media Access Control，媒体访问控制)层。
为了充分利用全双工无线访问接入点(Access Point，AP)的能力，使用非对称链路全双工是有益的，其中下行链路和上行链路传输可以来自两个不同的半双工站点。然而，非对称链路全双工场景引入了站点间干扰问题，其由上行链路站点(Station，STA)的传输在下行链路STA的接收引起，如图2所示。另一方面，从AP到STA的下行链路流量负载通常远高于上行链路流量负载，这会产生不可避免的流量不对称在上行和下行流量负载之间，从而导致信道资源的浪费，如图1所示。
发明内容
为解决上述问题，本发明一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，如图3，具体包括：
S1、AP广播随机接入触发帧(Random Access Trigger Frame，TF-R)，在AP宣布的竞争周期中通过随机选择的子信道传输缓冲区状态报告(Buffer StatusReport，BSR)包来争夺信道资源；
S2、AP发送探帧通知竞争成功的STA发送其收集的功率信息，并计算STA间的干扰信息并维护一张干扰图；
S3、AP根据子信道分配算法，给竞争成功的上行站以及选取的最优下行站分配给不同的子信道和传输机会(Transmission Opportunity，TXOP)，STA和AP使用各自分配的子信道进行全双工数据传输。
进一步的，步骤S1具体包括：
S11、AP广播TF-R宣布竞争周期的开始，STA采用上行正交频分多址随机接入(Uplink OFDMA Random Access，UORA)的机制竞争信道；
S12、如果STA当前OFDMA退避计数器(OFDMA Backoff Counter，OBO)中的数值小于可用资源单元(Resource Units，RU)数量，则可以随机选择子信道发送BSR以竞争信道资源；
S13、每轮竞争结束后AP回复M-BA帧以公布本轮竞争成功的STA，并且在M-BA中指示是否开始新一轮竞争；
S14、重复步骤S12和步骤S13，直到M-BA指示竞争周期结束。
进一步的，在M-BA中指示是否开始新一轮竞争包括以下情况：
如果n<m/r且Nsuc<n，指示新一轮竞争；
如果n<m/r且Nsuc＝n，指示竞争结束；
如果n≥m/r且Nsuc<m/r，指示新一轮竞争；
如果n≥m/r且Nsuc≥m/r，指示竞争结束；
其中，n表示AP关联的STA数量；m表示子信道数量；r表示上行链路和下行链路流量负载比；Nsuc表示当前超帧已经竞争成功的STA数量。
进一步的，如果上一轮上报BSR失败的STA竞争窗口翻倍，并随机选择新的退避计数器。
进一步的，步骤S2具体包括：
S21、竞争周期结束后，AP需要查看其维护的干扰图并判断是否需要开启功率收集阶段，如果干扰图中没有竞争成功的STA间干扰信息，AP广播探帧开启功率收集阶段，否则直接进入数据传输阶段；
S22、STA根据探帧中的指示，在固定子信道以及时间发送收集到的其它STA到自己的功率信息；
S23、AP根据STA上报的功率信息，计算STA间的干扰信息并更新维护全局干扰图。
进一步的，AP根据子信道分配算法，给竞争成功的上行站进行子信道和TXOP的分配包括：
S301、AP按序选取一个待分配的上行STA，并尝试将其放入当前待分配子信道中；
S302、判断该STA是否能在TXOP限制内传输完数据，如果能，TXOP更新为当前TXOP减去该STA传输数据所有的时间，并返回步骤S301；
S303、否则，该上行STA只发送数据到TXOP结束；
S304、判断STA是否分配完成，若未分配完成则返回步骤S301，否则AP将分配结果加入到调度表，完成上行STA的分配。
进一步的，AP根据子信道分配算法，给选取的最优下行站分配给不同的子信道和TXOP包括以下过程：
S311、AP按下行缓冲队列顺序选择一个待分配的下行STA，尝试将其放入当前待分配子信道中；
S311、判断该STA与该子信道中的所有上行STA是否存在干扰，若存在则返回步骤S311；
S313、否则判断子信道是否分配完，若未分配完则选取下一个待分配子信道，并返回步骤S311；
S314、否则AP将分配结果加入调度表，完成下行STA分配。
进一步的，计算STA间的干扰信息并更新维护全局干扰图包括：
当功率收集阶段结束，AP获得本次超帧竞争成功STA收集的功率信息；
AP计算STA间的干扰信息，并查看全局干扰图中是否存在该计算得到的干扰信息；
如果存在则将该最新计算的信息覆盖以前的信息，否则添加新的干扰信息，并判断收集的所有信息是否计算完，若没有，则返回上一步计算STA间的干扰信息；
否则判断是否存在在本次超帧竞争成功STA间的干扰信息不存在，若是则将该STA间干扰设置为0，并结束维护，否则直接结束维护。
本发明提出了一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法。在IEEE802.11ax标准的基础上，引入全双工通信模式，实现了支持上行链路和下行链路通信的非对称业务，以及解决了站点间干扰问题，从而达到了提升系统吞吐量和降低时延的效果。
附图说明
图1为现有技术中全双工通信存在的流量不对称问题；
图2为现有技术中全双工通信存在的节点间干扰问题；
图3为本发明在无线网络中的多用户全双工信道接入方法的流程图；
图4为本发明中STA进行信道接入的时序图；
图5为本发明中AP构建维护全局干扰图的流程图；
图6为本发明中AP进行上行子信道分配过程的流程图；
图7为本发明中AP进行下行子信道分配过程的流程图；
图8为本发明中信道分配结果的实例。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，具体包括以下步骤：
S1、AP广播TF-R，在AP宣布的竞争周期中通过随机选择的子信道传输BSR包来争夺信道资源；
S2、AP发送探帧通知竞争成功的STA发送其收集的功率信息，并计算STA间的干扰信息并维护一张干扰图；
S3、AP根据子信道分配算法，给竞争成功的上行站以及选取的最优下行站分配给不同的子信道和TXOP，STA和AP使用各自分配的子信道进行全双工数据传输。
实施例1
在本实施例中，考虑WLAN系统由AP范围内的一个AP和n个站组成，假设AP和每个STA都具备全双工能力，因此FD通信以两种方式分类，即双向FD和三节点FD通信。在双向FD通信期间，AP和一个STA同时向彼此传输数据，而在三节点FD通信中，一个STA向AP发送数据，而AP同时向另一个STA发送数据。总带宽被分为m个子信道，也可称为RU。每个STA每次只能在一个RU上传输，同时AP可以在不同RU上分别给不同STA传输数据。
图4为本发明中STA进行信道接入的时序图，最初，AP在整个信道空闲DIFS之后发送TF-R，用于启动MSRA(Multiple stages for random access，多轮随机接入)阶段。在MSRA阶段中，STA进行多轮上行传输的竞争，直到AP发送的TF-R帧或M-BA帧中指示MSRA阶段结束。然后在IC(Informationcollection，信息收集)阶段中，AP广播Probe以收集竞争成功STA偷听到的其它站点的功率。在IC阶段完成之后，AP通过TF广播分配结果以开始DT(Datatransmission，数据传输)阶段，其中上行STA根据TF中的指示在固定子信道传输数据，与此同时STA站点在固定子信道接收数据。
如图3，本实施例中进行信道接入具体三个步骤：
步骤1)：
AP广播TF-R宣布竞争周期的开始；
STA采用UORA的机制竞争信道，即：
STA随机选择OBO计数器并开始退避，判断随机选择的OBO计数器是否小于可用资源单位数量，若不小于则等待下一次随机接入，否则STA随机选择可用的RU发送BSR；
AP回复M-BA确认本轮竞争成功的STA，且如果当M-BA中有可用的RU指示，未获得RU的STA可以继续退避，其中前一轮上报BSR失败的STA竞争窗口翻倍，并随机选择新的OBO计数器。
每轮竞争结束后AP回复M-BA帧以公布本轮竞争成功的STA，并且在M-BA中指示是否开始新一轮竞争。这里有4种情况用于AP判断是否应该启用新一轮竞争：
情况1：如果n<m/r且Nsuc<n，指示新一轮竞争；
情况2：如果n<m/r且Nsuc＝n，指示竞争结束；
情况3：如果n≥m/r且Nsuc<m/r，指示新一轮竞争；
情况4：如果n≥m/r且Nsuc≥m/r，指示竞争结束；
其中，n表示AP关联的STA数量；m表示子信道数量；r表示上行链路和下行链路流量负载比；Nsuc表示当前超帧已经竞争成功的STA数量。
步骤2)：
AP回复M-BA确认本轮竞争成功的STA，且当M-BA中没有可用的RU时，AP查看全局干扰图，并判断是否要开启功率收集阶段，若不需要则进行步骤3)，否则AP完善全局干扰图；
AP广播探帧，之前竞争成功的STA按照探帧中的指示，在特定信道以及时间发送收集的功率信息，AP根据收集的功率信息完善干扰图，如图5，具体包括以下步骤：
当功率收集阶段结束，AP获得本次超帧竞争成功STA收集的功率信息；
AP计算STA间的干扰信息，并查看全局干扰图中是否存在该计算得到的干扰信息；
如果存在则将该最新计算的信息覆盖以前的信息，否则添加新的干扰信息，并判断是否收集的所有信息是否计算完，若没有，则返回上一步计算STA间的干扰信息；
否则判断是否存在在本次超帧竞争成功STA间的干扰信息不存在，若是则将该STA间干扰设置为0，并结束维护，否则直接结束维护。
作为一种可选的实施方式，为了计算STA间的干扰信息，即SINR(SignaltoInterference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比)，需要来自AP的信号强度和某个STA来自邻居的干扰强度。在步骤2)中，当一个STA上传BSR数据包时，其邻居可以偷听到该数据包的信号强度，因此它们可以记录该STA到自己的功率信息，任何STA都可以知道AP到自己的信号强度，因为它们之间是关联，STA可以通过侦听任何一个来自AP的数据包用来计算功率信息。若P0,i和Pj,i分别是用于从AP到STAi以及从STAj到STAi的传输的功率，则下行链路STAi处的SINR表示为：
Figure BDA0002804406560000071
其中hj,i是从STAj到STAi的信道系数，h0,i是从AP到STAi的信道系数，
Figure BDA0002804406560000072
是下行链路STAi的噪声方差。
3)：
当AP完善全局干扰图之后，AP计算最佳传输调度，然后将调度表放入触发帧(Trigger Frame，TF)并广播TF，计算最佳传输调度包括两个步骤：
①上行STA的调度，即AP根据子信道分配算法，给竞争成功的上行站进行子信道和TXOP的分配，如图6，具体包括：
S301、AP按序选取一个待分配的上行STA，并尝试将其放入当前待分配子信道中；
S302、判断该STA是否能在TXOP限制内传输完数据，如果能，TXOP更新为当前TXOP减去该STA传输数据所有的时间，并返回步骤S301；
S303、否则，该上行STA只发送数据到TXOP结束；
S304、判断STA是否分配完成，若未分配完成则返回步骤S301，否则AP将分配结果加入到调度表，完成上行STA的分配。
②下行STA的调度，即AP根据子信道分配算法，给选取的最优下行站分配给子信道和TXOP，如图7，具体包括：
S311、AP按下行缓冲队列顺序选择一个待分配的下行STA，尝试将其放入当前待分配子信道中；
S311、判断该STA与该子信道中的所有上行STA是否存在干扰，若存在则返回步骤S311；
S313、否则判断子信道是否分配完，若未分配完则选取下一个待分配子信道，并返回步骤S311；
S314、否则AP将分配结果加入调度表，完成下行STA分配。
STA按照TF中的指示在特定子信道以及TXOP上进行传输，同时进行多用户下行传输，传输完成后，AP广播M-BA，同时STA在相应的子信道回复ACK。
本发明给出一种可选的信道分配实施方式，如图8所示为信道分配结果，其中横坐标代表时间，纵坐标代表OFDM载波；一个RU可以被多个子载波构成，每个独立的RU上允许上行和下行数据同时传输。在某个TXOP中，一个RU中只可能存在一个下行STA，但允许存在多个上行STA依次传输数据。从图上可以看到，STA1在一个RU(RU1)中向AP发送数据，同时在RU1中接收来自AP的下行数据。STA2在另一个RU(RU2)中接收来自AP的下行数据，同时STA4在RU2中向AP发送数据。当STA4结束传输后，STA5也利用RU2向AP发送数据。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、AP广播TF-R，在AP宣布的竞争周期中通过随机选择的子信道传输BSR包来争夺信道资源；
S2、AP发送探帧通知竞争成功的STA发送其收集的功率信息，并计算STA间的干扰信息并维护一张干扰图；
S3、AP根据子信道分配算法，给竞争成功的上行站以及选取的最优下行站分配给不同的子信道和TXOP，STA和AP使用各自分配的子信道进行全双工数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11、AP广播TF-R宣布竞争周期的开始，STA采用上行正交频分多址随机接入的机制竞争信道；
S12、如果STA当前退避计数器中的数值小于可用资源单元数量，则可以随机选择子信道发送BSR以竞争信道资源；
S13、每轮竞争结束后AP回复M-BA帧以公布本轮竞争成功的STA，并且在M-BA中指示是否开始新一轮竞争；
S14、重复步骤S12和步骤S13，直到M-BA指示竞争周期结束。
3.根据权利要求2所述的一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，其特征在于，在M-BA中指示是否开始新一轮竞争包括以下情况：
如果n<m/r且Nsuc<n，指示新一轮竞争；
如果n<m/r且Nsuc＝n，指示竞争结束；
如果n≥m/r且Nsuc<m/r，指示新一轮竞争；
如果n≥m/r且Nsuc≥m/r，指示竞争结束；
其中，n表示AP关联的STA数量；m表示子信道数量；r表示上行链路和下行链路流量负载比；Nsuc表示当前超帧已经竞争成功的STA数量。
4.根据权利要求2所述的一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，其特征在于，如果上一轮上报BSR失败的STA竞争窗口翻倍，并随机选择新的退避计数器。
5.根据权利要求1所述的一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21、竞争周期结束后，AP需要查看其维护的干扰图并判断是否需要开启功率收集阶段，如果干扰图中没有竞争成功的STA间干扰信息，AP广播探帧开启功率收集阶段，否则直接进入数据传输阶段；
S22、STA根据探帧中的指示，在固定子信道以及时间发送收集到的其它STA到自己的功率信息；
S23、AP根据STA上报的功率信息，计算STA间的干扰信息并更新维护全局干扰图。
6.根据权利要求1所述的一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，其特征在于，AP根据子信道分配算法，给竞争成功的上行站进行子信道和TXOP的分配包括：
S301、AP按序选取一个待分配的上行STA，并尝试将其放入当前待分配子信道中；
S302、判断该STA是否能在TXOP限制内传输完数据，如果能，TXOP更新为当前TXOP减去该STA传输数据所有的时间，并返回步骤S301；
S303、否则，该上行STA只发送数据到TXOP结束；
S304、判断STA是否分配完成，若未分配完成则返回步骤S301，否则AP将分配结果加入到调度表，完成上行STA的分配。
7.根据权利要求1所述的一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，其特征在于，AP根据子信道分配算法，给选取的最优下行站分配给不同的子信道和TXOP包括以下过程：
S311、AP按下行缓冲队列顺序选择一个待分配的下行STA，尝试将其放入当前待分配子信道中；
S311、判断该STA与该子信道中的所有上行STA是否存在干扰，若存在则返回步骤S311；
S313、否则判断子信道是否分配完，若未分配完则选取下一个待分配子信道，并返回步骤S311；
S314、否则AP将分配结果加入调度表，完成下行STA分配。
8.根据权利要求1所述的一种无线网络中的多用户全双工信道接入方法，其特征在于，计算STA间的干扰信息并更新维护全局干扰图包括：
当功率收集阶段结束，AP获得本次超帧竞争成功STA收集的功率信息；
AP计算STA间的干扰信息，并查看全局干扰图中是否存在该计算得到的干扰信息；
如果存在则将该最新计算的信息覆盖以前的信息，否则添加新的干扰信息，并判断收集的所有信息是否计算完，若没有，则返回上一步计算STA间的干扰信息；
否则判断是否存在在本次超帧竞争成功STA间的干扰信息不存在，若是则将该STA间干扰设置为0，并结束维护，否则直接结束维护。
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