CN1293731C - 使用虚拟时分多址的无线局域网通信方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种在基本结构模式中使用AP的基于时分的无线LAN通信方法，所述方法包括以下步骤：在AP方，从站接收时隙分配请求帧；根据时隙分配请求帧来分配在其期间站能够发送数据的时隙；并且广播关于所分配的时隙的保留信息。一种基于时分的无线LAN通信系统包括：AP，用于接收站所发送的时隙分配请求帧，基于此分配在其期间站能够发送数据的时隙，并且广播关于所分配的时隙的保留信息；和一个或多个站，用于当具有要发送的数据时，将时隙分配请求帧发送给所述AP，接收关于由所述AP根据所接收的时隙分配请求帧而分配的时隙的保留信息，并且根据所述保留信息来发送数据。

Description

使用虚拟时分多址的无线局域网 通信方法和系统
技术领域
本发明涉及一种发送和接收无线局域网(LAN)数据的方法。尤其是，本发明涉及一种根据作为将无争用周期分成多个时隙的结果而生成的时隙来发送和接收无线LAN数据的方法和系统。
背景技术
目前，在以无线方式所进行的数据发送中包含有几个标准。例如，蓝牙用于构造小规模的无线网络、WCDMA(无线码分多址)模式中的第三代移动通信、基于IEEE 802.11的无线LAN等。在它们之中，采用IEEE 802.11标准的无线LAN已经获得成功，并且对它的使用已经增加。
IEEE 802.11采用了使用跳频(FH)和直接序列扩频(DS)的技术和使用红外线(IR)的技术。早期的IEEE 802.11产品的发送速度限制在2Mbps，但是根据1999年所制定的IEEE 802.11b标准，现在它们的发送速度的最快速度可达11Mbps。同时，802.11a基于正交频分复用(OFDM)技术，它在不同于802.11b标准的频带下工作。
802.11标准包括使用跳频和直接序列扩频及使用正交频分复用的物理(PHY)层。在物理层上放置有数据链路层，其中所述数据链路层包括基于802.11的媒质访问控制(MAC)子层和基于802.2的逻辑链路控制(LLC)子层。
无线LAN中具有四个物理元素：访问点(AP)、无线媒质、站和分配系统。AP执行将802.11网络的帧转换成其它形式的帧以便发送到其它网络的功能，也就是无线-有线网络桥接功能。无线媒质是一个包含射频或红外线物理层的综合概念，其将帧从一个站发送到另一个站或访问点。站可以涉及任何具有无线网络接口的计算设备，例如，笔记本或个人数字助理(PDA)。最后，分配系统将几个访问点相互连接以便构成其所能覆盖的更宽区域。
所述网络基于基本服务组(BSSs)，其涉及相互通信的多组站。BSS可以分成允许站直接与其它站通信的独立BBS和强迫站仅通过访问点与其它站通信的基本结构(infrastructure)BBS。将这两种BBSs进行比较，后者比前者需要更多的发送操作来进行通信。但是，后者的优势在于，当站进入节电模式时，访问点可以对其进行记录并且对站进行帧缓存，而且由于站必须位于距离访问点的可访问范围之内，所以后者不需要使用复杂的物理层来保持可移动站之间的关系。
802.11标准下具有两种用于访问数据发送的介质的方法：一种是基于争用的访问，而另一种是基于无争用的访问。前者可称为分布式协调器功能(DCF)，而后者可称为点协调功能(PCF)。
PCF在无争用周期(CFP)中控制数据发送，从而无需争用就能发送数据，因为在CFP，访问点依次轮询节点列表中的各个节点，所述节点列表称为轮询列表，该轮询列表用于站之间无需争用的数据发送。也就是说，仅授权给接收到轮询的站来发送数据。在全文中，PCF可以称为轮询和应答协议。与DCF相比较，PCF的优势在于当站发送数据时，它在某种程度上可以确保服务质量(QoS)。
图1是表示无争用周期中的数据发送的示例图。
参见该图，如果AP轮询站#1，则站#1发送数据。为了将数据发送到站#2，站#1必须通过AP。然后，AP轮询站#2。这时，AP将从站#1所接收到的数据连同轮询一起发送给站#2。如果站#2没有要发送的数据，则它可以将空帧发送给AP。接下来，AP轮询站#3。站#3将要发送给站#1的数据发送给AP。AP轮询站#4。如果站#4没有要发送的数据，站#4则发送空帧。如果无争用周期没有结束，尽管对所有站的轮询已经结束，但是AP再次轮询站#1。这时，站#3要发送给站1的数据与轮询一起发送给站#1。
尽管这个方法确保了所有站都有机会发送数据，但是它导致了大量用于轮询的开销。总之，为了允许某个站发送数据，AP必须总是轮询这个站。此外，AP还必须轮询诸如站#2和站#4的那些没有要发送的数据的站，而没有数据的站#2和站#4却必须发送空帧。根据传统技术，它确保了所有的站都有机会发送数据，但是无线信道的使用效率很低。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个方面就是提供一种时分方法中的无线LAN通信方法，从而通过在无争用周期中进行轮询来减少开销，而本发明的另一个方面就是提供一种用于所提供的通信方法的通信系统。
根据本发明的一个方面，提供一种在基本结构模式中使用访问点(AP)的基于时分的无线局域网通信方法，在AP方，所述方法包括以下步骤：从站接收时隙分配请求帧；根据时隙分配请求帧来分配时隙，在所述时隙期间所述站能够发送数据；和广播与所分配的时隙有关的保留信息。
所述时隙分配请求帧可以包括关于数据发送所需的发送时间的信息，并且还包括关于发送间隔的信息，所述发送间隔表示由多少超帧来进行数据发送。为了提高数据发送和接收的效率，所述方法进一步包括步骤：确定已经发送了时隙分配请求帧的站是否被授权，其中所述时隙只分配给任一授权站。而且，所述方法进一步包括步骤：如果在预定时间期间没有进行数据发送，则重新调整时隙分配，并且广播所新调整的保留信息。所述保留信息包括站的关联ID(AID)和所分配的时隙的开始时间，并且还包括关于发送间隙的信息，所述发送间隙表示由多少超帧来进行所述数据发送。理想的是，AP在争用周期中接收时隙分配请求帧。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于时分的无线局域网(LAN)通信方法，在站方，所述方法包括以下步骤：生成时隙分配请求帧并且发送给AP；接收与AP根据所述时隙分配请求帧所分配的时隙有关的并广播到站的保留信息；和根据所述保留信息将数据发送给AP。
所述时隙分配请求帧可以包括与数据发送所需的发送时间有关的信息，还包括与发送间隔有关的信息，所述发送间隔表示由多少超帧来进行数据发送。所述的方法进一步包括步骤：当所分配的时隙持续却没有要发送的数据时，将保留结束帧发送给AP以取消信道分配。最好在争用周期中生成和发送所述时隙分配请求帧。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于时分的无线局域网(LAN)通信系统，所述系统包括：AP，用于接收站所发送的时隙分配请求帧，根据所接收的时隙分配请求帧来分配时隙，并且广播关于所分配的时隙的保留信息，在所述时隙期间所述站能够发送数据；和一个或多个站，用于当具有要发送的数据时，将时隙分配请求帧发送给AP，接收关于由所述AP根据所接收的时隙分配请求帧而分配的时隙的保留信息，并且根据所述保留信息来发送数据。
所述AP包括资源管理单元，用于管理可使用的全部资源；时隙控制单元，用于从所述资源管理单元接收全部资源，并且根据所接收的时隙分配请求帧来分配时隙；和信标生成单元，用于生成包含所分配时隙的保留信息的信标，并且所述AP还包括访问控制列表管理单元，所述访问控制列表管理单元中存储了所述一个或多个站中已被授权进行访问的站的列表，其中仅当已经发送了所述时隙分配请求帧的站包含在所述列表中时，所述AP分配所述时隙。
附图说明
从以下结合附图的优选实施例的描述中，本发明的上述和其它目的及特征将变得更加明白，其中：
图1是图解说明无争用周期中的数据发送的示例图；
图2是图解说明根据本发明一方面的被分成多个时隙的无争用周期的示例图；
图3是图解说明根据本发明一方面的在争用周期中发送时隙分配请求帧的处理的示例图；
图4是图解说明根据本发明一方面的时隙分配请求帧的构造的示例图；
图5是图解说明根据本发明一方面的保留信息元素以及包含它们的信标帧的结构的示例图；
图6是图解说明根据本发明一方面的访问点(AP)的操作的流程图；
图7是图解说明根据本发明一方面的AP的结构的方框图；
图8是图解说明根据本发明一方面的站的结构的方框图；以及
图9是图解说明传统方法和本发明之间的发送数据的数量的差别的示例图。
具体实施方式
以下见参照附图详细描述本发明的实施例。
图2是图解说明根据本发明一方面的被分成多个时隙的无争用周期的示例图。
参见该附图，将超帧分类为争用周期和无争用周期。并且将无争用周期分成多个时隙。在管理信息库(MIB)中已经建立了一个时隙的长度。
当站需要进行服务质量(QoS)数据发送时，它们在争用周期中彼此竞争以请求访问点(AP)分配时隙。
根据每个站所发送的时隙分配请求，AP对在其期间站发送数据的时间制定了一个时间表。总之，将时隙分配给每个站。这时，AP需要通过对站的数据发送时间和用于接收数据的其它站的确认(ACK)时间进行考虑，从而进行分配。在时隙分配中，也需要考虑具有AP必须发送给一个或几个站的数据时的情况。同时，为了避免时隙之间的数据冲突，时隙之间必须包括最小间隔，以便保持IEEE 802.11无线LAN的定时同步功能。
在示范性优选实施例中，AP在信标内广播关于分配给各个站的时隙的保留信息。
根据通过信标所接收的保留信息，站可以知道其必须发送数据的时间；站通过使用分配给它们的时隙来发送数据。在实施例中，争用周期紧接着无争用周期之后。由于争用周期在无争用周期结束后开始，所以那些需要进行新的时隙分配的站则请求AP分配新的时隙。
图3是图解说明根据本发明一方面的在争用周期中发送时隙分配请求帧的处理的示例图。
参见该图，有一个AP和三个站发送数据。站#1和3将时隙分配请求帧发送给AP以接收要发送的数据。站#2发送数据。在上述处理中所包含的操作在争用周期中产生。
参见图3，尽管已经描述过在争用周期中请求时隙分配，但是本发明的技术观念并不局限于此。也可以在无争用周期中进行时隙分配。例如，如果AP轮询站#1，则站#1将时隙分配请求发送给AP以代替数据帧。如果AP轮询站#2，则站#2发送数据。然后，如果AP轮询站#3，则站#3将时隙分配请求发送给AP。最后，如果AP轮询站#4(未示出)，则站#4将空帧发送给AP以表示其没有要发送的数据。
图4是图解说明根据本发明一方面的时隙分配请求帧的构造的示例图。
时隙分配请求帧包括帧控制、持续时间ID、接收器地址(下文中称为“RA”)、基本服务组(BSS)ID(下文中称为“BSSID”)、关联ID(下文中称为“AID”)、发送间隔、发送持续时间、以及帧校验序列(下文中称为“FCS”)。
帧控制是由两个字节组成。开始的两位表示协议版本。接下来的两位表示帧的类型，而接下来的四位表示帧的子类型。管理帧的类型为“00”，控制帧的类型为“01”，而数据帧的类型为“10”。通过子类型来分开每个类型。例如，信标帧的类型为管理，并且它的子类型为“1000”。“0110-0111”和“1101-1111”已被保留为管理的子类型，但是目前没有使用。“0000-1001”和“1101-1111”也已被保留为控制的子类型，但是没有使用。同样地，“1000-1111”已被保留为数据的子类型，但是也没有使用。对于时隙分配请求帧来说，可以选择所保留的子类型之中的一种。持续时间ID可以用于创建网络分配矢量(NAV)、或无争用周期中所发送的任何帧和用于节电轮询(powersave-poll)的任何帧。RA是48位IEEE MAC标识符，该标识符对应于将多个位发送给诸如以太网等的上协议层以进行帧操作的站。BSSID用于识别相同区域中的无线LAN，并且特别网络通过将通用/局部位设定为1来生成临时BSSID，从而避免与官方指定的MAC地址有任何冲突。
AID是AP用于识别站的数值，并且每个站具有唯一值。AID与时隙分配请求帧一起发送。发送间隔指关于分配请求的超帧的频率数目。即，发送间隔是表示通过多少个超帧来进行发送的数字。时隙的数目表示每超帧所请求的时隙的总数。
最后，帧校验序列(FCS)表示用于检查所接收的超帧的完整性的字段，通常称为循环冗余校验(CRC)。当以无线方式发送帧时，在发送之前通过射频或红外线来计算FCS。同时，接收站计算来自接收帧的FCS，并且将它与所接收的FCS相比较，如果它们是相同的，则确定所述帧在发送期间没有故障。如果没有故障，接收站则将确认(ACK)应答发送给发送站。802.11标准规定，如果有故障，接收站则不发送消息，并且除非在经过预定时间之后接收到ACK应答，否则发送站将再次发送所述帧。
图5是图解说明根据本发明一方面的保留信息元素以及包含所述保留信息元素的信标帧的结构的示例图。
每个保留信息元素包括AID、用于表示开始进行数据发送的时间的开始时间、和用于表示由多少时隙来发送数据的时隙数目。最好地，在广播信标时，在信标的有效载荷上运载保留信息元素(IE)。当几个站请求时隙分配时，对每个站构造时隙分配信息的保留ID。
图6是图解说明根据本发明一方面的访问点(AP)的操作的流程图。
AP在发送完信标之后马上设定信标计时器S2。信标计时器在信标发送之后马上开始计数。之后，如果从站接收到时隙分配请求帧S4，AP则更新存储在其中的时隙分配保留信息S12。如果信标计时器继续计数并且到达了信标超时S8，AP则生成一个新的信标S14。
当生成新的信标时，将此时的时隙分配保留信息转换成所生成的新信标。将所生成的信标发送给无线信道S16。AP在发送完所述信标之后重新设定信标计时器S2。
同时，当站接收到时隙分配却没有要发送的数据时，所述站则将保留结束帧发送给AP。AP如果接收到保留结束帧S6，则取消已经发送过保留结束信息的站的时隙分配，并且更新保留信息S12。此外，如果已经接收到时隙分配的站直到已经经过了预定时间(如时隙的50％)才开始数据发送以便更有效地使用时隙S10，则生成校准帧S18并发送给无线通道S20。当生成校准帧时，没有发送过数据的站将排除在时隙分配保留之外，或者要发送数据的时间将延迟到其它站之后。在发送完校准帧之后重新设定信标计时器S2。
如上所述，校准帧是一种信标帧，是表示重新调整时隙之间的间隔的帧，而不是在正常间隔中所要发送的信标帧。
图7是图解说明根据本发明一方面的AP的结构的方框图。
参见该图，AP包括用于数据输入和输出的输入单元4和输出单元2。AP接收已经经过输入单元4的数据，并且将其发送给数据服务单元8；或从数据服务单元8或信标生成单元10接收数据或信标，并且将它们发送给输出单元2。无线LAN站管理实体(SME)16提供适当的MAC操作。定时单元14位于数据服务单元8和无线LAN MLME/MGT单元12之间，并且控制和管理所述数据服务单元8和无线LAN MLME/MGT单元12，从而可以根据预定时间和持续时间来准确观测数据的实际输入和输出。时隙控制单元18对资源管理单元20根据资源分配所调度的时隙进行分配和控制，并且资源管理单元20继续以整体方式(integrated manner)来监视可用于分配的全部资源，从而有效地分配资源。在本发明中，AP还可以包括ACL管理单元22，用以管理被授权的那些站的列表，从而仅将时隙分配给被授权的站。
图8是图解说明根据本发明一方面的站的结构的方框图。
参见该图，站包括用于输入和输出数据的输入单元34和输出单元32。该站接收已经经过输入单元34的数据，并且将该数据发送给数据服务单元38，或者从数据服务单元38接收数据或时隙分配请求帧，或者从时隙分配请求单元40接收时隙分配请求，并且将它们发送至输出单元32。无线LAN SME16提供适当的MAC操作。定时单元44根据预定时间和持续时间来检查是否能够准确地观测到数据的实际输入和输出。根据由应用所请求的数据的参数，时隙分配请求单元40产生请求适应于业务特征的任何所需的资源的时隙分配帧。
图9是图解说明传统方法和本发明之间的发送数据的数量的差别的示例图。
参见该图，说明了当发送1500字节的数据时的发送速度。
当在DCF模式中发送数据时，包括分布式帧间空间(DIFS)、补偿(Backoff)、数据(Data)、SIFS和ACK的总时间为389.5微秒，因此，整个总速度为30.8Mbps。当在PCF模式中发送数据时，总速度也仅为33.6Mbps。然后是根据本发明的模式，总速度为38.83Mbps，这表示数据发送速度比传统模式要快。
对于上述的示例性实施例，已经描述了时隙存在于无争用周期中，但是时隙也可以存在于争用周期中。也就是说，如果在要发送数据的站的时间接近时，分配了时隙的站不用等待DIFS和争用期间中的随机补偿就可以发送数据，则能够在无争用周期中进行数据发送。
如上所述，本发明可以确保在争用期间和无争用期间数据发送中的站的服务质量(QoS)。而且，可以提高需要在无争用期间轮询不需要发送数据的那些站的现有技术的低效率。此外，能够降低由于轮询而导致的准备发送数据的那些站的总开销，因为它们可以通过不用轮询而分配给它们自己的时隙来发送数据。
因此，应当理解，上述实施例在各方面仅是示意性的，并且本发明并不限于此。本发明的范围由所附权利要求定义，而不由本发明的详细说明定义。根据本发明及其等效物的精神和范围做出的所有变化或修改应当理解为落入本发明的范围之内。

Claims (18)

1.一种在基本结构模式中使用访问点AP的基于时分的无线局域网LAN通信方法，在AP方，所述方法包括以下步骤：
从站接收时隙分配请求帧；
根据所述时隙分配请求帧来分配时隙，在所述时隙期间所述站能够发送数据；和
广播关于所分配的时隙的保留信息。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述时隙分配请求帧包括关于数据发送所需的发送时间的信息。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述时隙分配请求帧还包括关于发送间隔的信息，所述发送间隔表示由多少超帧来进行所述数据发送。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：确定已经发送了所述时隙分配请求帧的站是否被授权，
其中所述时隙只分配给任一授权站。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：如果在预定时间期间没有进行数据发送，则重新调整所述时隙分配，并且广播所新调整的保留信息。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述保留信息包括所述站的关联IDAID和所分配的时隙的开始时间。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述保留信息还包括关于发送间隙的信息，所述发送间隙表示由多少超帧来进行所述数据发送。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述AP在争用周期中接收所述时隙分配请求帧。
9.如权利要求1所述的方法，其中，当AP分配所述时隙时，将所述时隙之间的最小间隔添加到所述时隙，从而保持IEEE 802.11无线LAN的定时同步功能TSF，以便避免所述时隙之间的数据冲突。
10.如权利要求9所述的方法，其中将所述最小间隔添加到所述时隙，避免所述时隙之间的数据冲突。
11.一种基于时分的无线局域网LAN通信方法，在站方，所述方法包括以下步骤：
生成时隙分配请求帧并将其发送给访问点AP；
接收关于由所述AP根据所述时隙分配请求帧而分配的时隙的保留信息；和
根据所述保留信息将数据发送给所述AP。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述时隙分配请求帧包括关于数据发送所需的发送时间的信息。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述时隙分配请求帧还包括关于发送间隔的信息，所述发送间隔表示由多少超帧来进行数据发送。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括步骤：当所分配的时隙持续却没有要发送的数据时，将保留结束帧发送给AP以取消信道分配。
15.如权利要求11所述的方法，其中在争用周期中生成和发送所述时隙分配请求帧。
16.一种基于时分的无线局域网LAN通信系统，所述系统包括：
访问点AP，用于接收由一个或多个站发送的时隙分配请求帧，根据所接收的时隙分配请求帧来分配时隙，并且广播关于所分配的时隙的保留信息，其中在所述时隙期间所述一个或多个站能够发送数据；和
所述一个或多个站，用于当存在要发送的数据时，将所述时隙分配请求帧发送给所述AP，接收关于由所述AP根据所接收的时隙分配请求帧而分配的时隙的保留信息，并且根据所述保留信息来发送数据。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述AP包括：资源管理单元，用于管理可使用的全部资源；时隙控制单元，用于从所述资源管理单元接收全部资源，并且根据所接收的时隙分配请求帧来分配所述时隙；和信标生成单元，用于生成包含所述所分配的时隙的保留信息的信标。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述AP还包括访问控制列表管理单元，所述访问控制列表管理单元中存储了所述一个或多个站中已被授权进行访问的站的列表，
其中仅当已经发送了所述时隙分配请求帧的站包含在所述列表中时，所述AP分配所述时隙。
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