CN116249154A - 基于phy和mac跨层的控制帧构造与识别方法及设备 - Google Patents

基于phy和mac跨层的控制帧构造与识别方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法及设备，属于无线局域网技术领域，所述控制帧包括若干个STF帧，且位于最后四个STF帧之间设有三个留白间隔Gap，用于将MAC层所需控制功能，以留白间隔Gap的形式映射到PHY前导字段的短训练符号中，本发明通过STF中添加的Gap来进行发送和进行识别，其发送过程和接收过程，还是复用了传统的STF部分的发送和接收模块，仅仅是对其进行了一些特殊配置，因此无需额外的硬件开销成本，本发明灵活性高，由于本发明是通过设置Gap的长度来配置STF字段，这一块通过软件设置即可，可以根据需求和控制帧的所需要的数量进行灵活调节。

Description

基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法及设备
技术领域
本发明涉及无线局域网技术领域，具体涉及一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法及设备。
背景技术
传统的无线控制帧如图1所示，该无线控制帧包含2个部分，分别为物理层Preamble前导，以及MAC层的控制帧，其中：
物理层Preamble部分占据20us时长，其分别包含了3个组件模块，分别是STF、LTF、以及SIG，其中STF包含了10个STF Symbol，每一个Symbol的时长为0.8us。
MAC层控制帧的长度与具体控制帧类型有关，比如RTS控制帧长度为20Byte，具体如图2所示；
ACK/CTS控制帧长度为14Bytes，如图3所示；
通常控制帧需要采用无线传输的最低速率进行传输，比如1Mbps，因此20Byte需要传输160us，即20Byte*8/1Mbps = 160us，同理14Bytes需要传输112us；
因此一个无线控制帧传输至少需要112us+20us=132us时长，在控制帧频繁的时候，这一块空口开销会浪费信道的资源。
如图4所示：
802.11ec：该协议采用一种特殊的signature序列去替代原有的控制帧。虽然采用序列的构造的方式能够降低控制帧的大小，但是需要同时修改发送和接收端，并且采用的序列需要实现在发送端和接收端都被已知，否则接收方无法识别；
802.11ec采用了不同的singature序列代表不同的控制帧。如图4所示，当网络需要使用n个控制帧的时候，那么就需要为其配置n个不同signature的发送器，也同时需要配置n个不同的signature的接收器；
然而，802.11ec协议使用时还存在一定问题：
802.11ec的硬件成本高：802.11ec中n个不同的发送器和接收器是通过硬件实现的，因此，其需要更多的硬件资源开销。
802.11ec的灵活性差：由于硬件具有一次性固化的特点，即在第一次固定了signature的数量之后，很难去再次调节，因此，这种方法也缺乏灵活性。
802.11ec缺少对于当前通用Wi-Fi设备（即802.11设备）的支持：由于802.11ec直接采用signature字段，而没有包含传统STF这些字段。因此，只有专用的802.11ec设备才可以支持该技术，而传统的Wi-Fi设备无法支持，从而其余传统Wi-Fi无法兼容。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法及设备，通过配置具有不同长度的留白间隔，映射控制帧信息，降低标准控制帧的大小，减少空口开销，提升效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法：
所述控制帧包括若干个STF帧，且位于最后四个STF帧之间设有三个留白间隔Gap，用于将MAC层所需控制功能，以留白间隔Gap的形式映射到PHY前导字段的短训练符号中；
控制帧识别时，包括：
通过识别留白间隔Gap的长度完成控制帧的种类识别、控制帧发送的目标节点识别以及控制帧的功能数值识别。
优选地，所述STF帧中，一个最小的时间单元为采样点，采样点间隔为0.05us，最后两个STF帧间插入若干个空白采样点，空白采样点的间隔为0.05us，空白采样点的个数信息被配置为控制帧的代表信息。
优选地，所述三个留白间隔Gap包括Gap1、Gap2和Gap3，其中，物理层控制帧中Gap长度和控制帧信息的映射关系包括：
Gap1的长度和控制帧信息的映射关系包括请求发送协议、允许发送协议、确认发送协议、结束以及自定义功能配置；
Gap2的长度和控制帧信息的映射关系包括不同的目标节点；
Gap3的长度和控制帧信息的映射关系包括信道Busy时间的参数。
优选地，所述物理层控制帧所有的部分执行STF的相关计算，在相关谱上抓取相邻的相关峰的峰顶与峰顶之间的间隔作为留白间隔长度Gap length的识别，并通过计算获取Gap length的结果；
STF的相关计算公式如下：
Figure SMS_1
其中：
Figure SMS_2
代表相关函数，/>
Figure SMS_3
代表接收信号，/>
Figure SMS_4
代表STF字段对应的样本信号数值，/>
Figure SMS_5
是坐标索引，/>
Figure SMS_6
是STF的长度，/>
Figure SMS_7
代表的移位采样的偏移。
本发明还提供了一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别设备，包括：
发送器，所述发送器为具有无线发送功能的设备，用于发送具有不同留白间隔长度的控制帧；
还包括接收器，所述接收器为具有无线接收功能的设备，用于接收发送器发送的控制帧，并对控制帧信息进行识别。
优选地，所述发送器包括：
配置模块，所述配置模块用于配置控制帧中三个留白间隔长度和控制帧信息的映射关系；
发送模块，所述发送模块用于发送被配置不同长度的具有三个留白间隔的控制帧。
优选地，所述接收器包括：
接收模块，所述接收模块用于接收被配置不同长度的具有三个留白间隔的控制帧；
识别模块，所述识别模块用于识别接收到的STF帧中留白间隔的长度，并根据识别结果确定识别留白间隔长度和控制帧信息的映射关系
优选地，所述接收器还包括存储模块，所述存储模块用于存储留白间隔长度和控制帧信息的映射关系数据。
本发明的有益效果在于：
本发明硬件成本低：本发明只需要1个发送器和接收器，本发明通过STF中添加的Gap来进行发送和进行识别，其发送过程和接收过程，还是复用了传统的STF部分的发送和接收模块，仅仅是对其进行了一些特殊配置，因此无需额外的硬件开销成本。
本发明灵活性高：由于本发明是通过设置Gap的长度来配置STF字段，这一块通过软件设置即可，可以根据需求和控制帧的所需要的数量进行灵活调节。
本发明更具有兼容性：由于本发明保留了传统的STF字段，而且仅仅对其进行了特殊的配置，即可以将Gap理解成对于STF之间的间距或者序列做一种特殊的配置，因此，传统的Wi-Fi设备也能够通过软件更新的方式进行支持，具有更好的兼容能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的无线控制帧结构示意图。
图2为现有的RTS控制帧长度示意图。
图3为现有的ACK/CTS控制帧长度示意图。
图4为现有的802.11ec协议采用了不同的singature序列代表不同的控制帧示意图。
图5为本发明物理层控制帧的跨层结构示意图。
图6为本发明实施例STF symbol采样点示意图。
图7为本发明实施例两个STF Symbol间插入几个空白的采样点示意图。
图8为本发明实施例STF的默认相关谱示意图。
图9为本发明实施例物理层控制帧的相关谱示意图一。
图10为本发明实施例物理层控制帧的相关谱示意图二。
图11为本发明控制帧构造与识别设备控制帧发送与识别的示意图。
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。
实施例一：如图5至图11所示，本发明提供了一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法：
控制帧包括若干个STF帧，且位于最后四个STF帧之间设有三个留白间隔Gap，用于将MAC层所需控制功能，以留白间隔Gap的形式映射到PHY前导字段的短训练符号中。
其中，STF帧中，一个最小的时间单元为采样点，采样点间隔为0.05us，最后两个STF帧间插入若干个空白采样点，空白采样点的间隔为0.05us，空白采样点的个数信息被配置为控制帧的代表信息。
更具体的，三个留白间隔Gap包括Gap1、Gap2和Gap3，其中，物理层控制帧中Gap长度和控制帧信息的映射关系包括：
Gap1的长度和控制帧信息的映射关系包括请求发送协议、允许发送协议、确认发送协议、结束以及自定义功能配置，即帧的类型。
Gap2的长度和控制帧信息的映射关系包括不同的目标节点，即Gap 2对应帧的ID，也就是地址。
Gap3的长度和控制帧信息的映射关系包括信道Busy时间的参数。
控制帧识别时，包括：
通过识别留白间隔Gap的长度完成控制帧的种类识别、控制帧发送的目标节点识别以及控制帧的功能数值识别。
更具体的，物理层控制帧所有的部分执行STF的相关计算，即逐个样本点和STF的固定模型做相关运算，在相关谱上抓取相邻的相关峰的峰顶与峰顶之间的间隔作为留白间隔长度Gap length的识别，并通过计算获取Gap length的结果。
STF的相关计算公式如下：
Figure SMS_8
其中：
Figure SMS_9
代表相关函数，/>
Figure SMS_10
代表接收信号，/>
Figure SMS_11
代表STF字段对应的样本信号数值，/>
Figure SMS_12
是坐标索引，/>
Figure SMS_13
是STF的长度，/>
Figure SMS_14
代表的移位采样的偏移。
如图11所示，本发明还提供了一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别设备，包括：
发送器，发送器为具有无线发送功能的设备，用于发送具有不同留白间隔长度的控制帧；
更具体的，发送器包括：
配置模块，配置模块用于配置控制帧中三个留白间隔长度和控制帧信息的映射关系。
发送模块，发送模块用于发送被配置不同长度的具有三个留白间隔的控制帧。
接收器，接收器为具有无线接收功能的设备，用于接收发送器发送的控制帧，并对控制帧信息进行识别。
更具体的，接收器包括：
接收模块，接收模块用于接收被配置不同长度的具有三个留白间隔的控制帧。
识别模块，识别模块用于识别接收到的STF帧中留白间隔的长度，并根据识别结果确定识别留白间隔长度和控制帧信息的映射关系。
存储模块，存储模块用于存储留白间隔长度和控制帧信息的映射关系数据。
实施例二
如图5至图11所示，本发明还提供了一种根据实施例一方法进行实施的实施例，其中：
如图5所示，为本发明物理层控制帧的跨层结构。
本发明引入一种新的无线控制帧方案，在原有的STF帧结构上，我们在最后4个STFSymbol间流出了3个空隙，即3个Gap。
物理层控制帧的Gap构造方法：
如图6所示，在STF symbol中，一个最小的时间单元为采样点，采样点间隔为0.05us。一个STF Symbol的时长为0.8us，即一共包含16个采样点。
如图7所示，在本发明中，我们在最后两个STF Symbol间插入几个空白的采样点，此处采样点的间隔依旧为0.05us，而采样点的个数是和控制帧的信息对应上。
如表1、表2以及表3所示，为物理层控制帧中Gap length和控制帧信息的映射关系。
对于具体的Gap length和控制帧的对应关系：
1）控制帧的type，这个由Gap 1的length决定。
表1：
Figure SMS_15
2）控制帧发送的目标节点，这个由Gap 2的length决定；
表2：
Figure SMS_16
3）控制帧的功能数值，这个由Gap 3的length决定；
表3：
Figure SMS_17
同时，本发明还提供了物理层控制帧中的Gap length的识别方案：
本发明对物理层控制帧所有的部分执行STF的相关计算，即逐个样本点和STF的固定模型做相关运算，在相关谱上抓取相邻的相关峰的峰顶与峰顶之间的间隔作为length的识别，并通过计算获取Gap length的结果。
相关计算的公式如下：
Figure SMS_18
其中
Figure SMS_19
代表相关函数，/>
Figure SMS_20
代表接收信号，/>
Figure SMS_21
代表STF字段对应的样本信号数值，/>
Figure SMS_22
是坐标索引，/>
Figure SMS_23
是STF的长度，即16个采样点，/>
Figure SMS_24
代表的移位采样的偏移。
该公式代表，每间隔更新一个
Figure SMS_25
，即移位一个采样点后，做一次相关计算/>
Figure SMS_26
，从而构成了相关谱。从而，我们在相关谱上进行Gap length的识别。
如图8所示，为STF的默认相关谱（此时Gap=0）。
在默认情况下，STF会有10个相关峰，每一个相关峰的间隔都是固定间隔，图8中Gap的长度皆为0，即不包含Gap区域。
如图9所示，为物理层控制帧的相关谱（Gap1=Gap2=Gap3=10）。
在本发明中，由于在最后三个STF的区域添加上了3个Gap，即Gap 1，Gap 2，和Gap3，图9中，Gap1=Gap2=Gap3=10，可以明显发现，其相关峰之间的间隔会比标准的STF要长。因此，识别的时候，直接提取相关峰之间的Gap间距即可。如果为了获取比较精准的Gap间距，那么将Gap=10的相关峰，峰峰间的间距减去Gap=0的相关峰，峰峰间的间距即可。
如图10所示，为物理层控制帧的相关谱（Gap1=Gap2=Gap3=20）。
图10中示意了另外一种特殊情况，即Gap 1=Gap 2= Gap 3=20的识别图案，可以看到增加Gap长度之后，相关峰后面三个的间距会进一步增加。
技术效果：
原有的无线控制帧至少需要132us时长，而引入物理层控制帧后，其时长可以降低为0.8+Gap点数目乘以*0.05us的时长，比如Gap的采样点是20个，那么物理层控制帧的时长为1.8us，相对于原有的无线控制帧，显著降低了所需时长。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法，其特征在于：
控制帧包括若干个STF帧，且位于最后四个STF帧之间设有三个留白间隔Gap，用于将MAC层所需控制功能，以留白间隔Gap的形式映射到PHY前导字段的短训练符号中；
控制帧识别时，包括：
通过识别留白间隔Gap的长度完成控制帧的种类识别、控制帧发送的目标节点识别以及控制帧的功能数值识别。
2.如权利要求1所述的一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法，其特征在于，所述STF帧中，一个最小的时间单元为采样点，采样点间隔为0.05us，最后两个STF帧间插入若干个空白采样点，空白采样点的间隔为0.05us，空白采样点的个数信息被配置为控制帧的代表信息。
3.如权利要求1所述的一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法，其特征在于，所述三个留白间隔Gap包括Gap1、Gap2和Gap3，其中，物理层控制帧中Gap长度和控制帧信息的映射关系包括：
Gap1的长度和控制帧信息的映射关系包括请求发送协议、允许发送协议、确认发送协议、结束以及自定义功能配置；
Gap2的长度和控制帧信息的映射关系包括不同的目标节点；
Gap3的长度和控制帧信息的映射关系包括信道Busy时间的参数。
4.如权利要求3所述的一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别方法，其特征在于，所述物理层控制帧所有的部分执行STF的相关计算，在相关谱上抓取相邻的相关峰的峰顶与峰顶之间的间隔作为留白间隔长度Gap length的识别，并通过计算获取Gap length的结果；
STF的相关计算公式如下：
Figure QLYQS_1
其中：
Figure QLYQS_2
代表相关函数，/>
Figure QLYQS_3
代表接收信号，/>
Figure QLYQS_4
代表STF字段对应的样本信号数值，/>
Figure QLYQS_5
是坐标索引，/>
Figure QLYQS_6
是STF的长度，/>
Figure QLYQS_7
代表的移位采样的偏移。
5.一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别设备，其特征在于，包括：
发送器，所述发送器为具有无线发送功能的设备，用于发送具有不同留白间隔长度的控制帧；
还包括接收器，所述接收器为具有无线接收功能的设备，用于接收发送器发送的控制帧，并对控制帧信息进行识别。
6.如权利要求5所述的一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别设备，其特征在于，所述发送器包括：
配置模块，所述配置模块用于配置控制帧中三个留白间隔长度和控制帧信息的映射关系；
发送模块，所述发送模块用于发送被配置不同长度的具有三个留白间隔的控制帧。
7.如权利要求5所述的一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别设备，其特征在于，所述接收器包括：
接收模块，所述接收模块用于接收被配置不同长度的具有三个留白间隔的控制帧；
识别模块，所述识别模块用于识别接收到的STF帧中留白间隔的长度，并根据识别结果确定识别留白间隔长度和控制帧信息的映射关系。
8.如权利要求7所述的一种基于PHY和MAC跨层的控制帧构造与识别设备，其特征在于，所述接收器还包括存储模块，所述存储模块用于存储留白间隔长度和控制帧信息的映射关系数据。
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