CN1623301A - 多重访问系统中物理层的自适应调制及其他扩展 - Google Patents

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在一个特别按照IEEE 802.11a标准化的通信系统中应当改善数据交换。为此建议，在对传输介质的分散组织的访问、优选地是具有分散协调功能(DCF)的IEEE 802.11系统中、在应用多个传输模式的情况下从发射机到接收机发送一个导频信号，并且接下来根据接收到的导频符号通过接收机计算关于传输模式的分配表。由接收机把该分配表传递给发射机，以致可以在该分配表的基础上进行接下来的数据交换。在集中组织的访问、优选地是具有集中协调功能(PCF)的IEEE802.11系统中，由此实现改善，即已经随着分配表的传递相应地自适应调制下一个数据。

Description

多重访问系统中物理层的自适应调制及其他扩展
本发明涉及一种在一个通信系统中发送数据信号的方法，该系统具有在应用多个传输模式的情况下对传输介质的集中或分散组织的访问。本发明特别涉及在基于CSMA/CA(Carrier Sense Multiple AccessCollision Avoidance)的访问系统中用于自适应调制的信令模式。
在移动无线传输中严重的问题是移动无线信道的频率选择性。由于较大渡越时间差的多路径传播引起的频率选择性导致接收信号的严重线性失真，必须对该失真使用复杂的矫正器或Viterbi检测。克服频率选择信道的缺点的适当措施是所谓的自适应调制(AM)，下面详细说明自适应调制。
在OFDM系统(正交频分复用Orthogonal Frequency DevisionMultiplexing)中自适应调制用于降低频率选择的衰落信道缺点。对此经过各个副载波传输数据。
下面简短阐述自适应调制的原理。发射机经过无线信道把数据传输给接收机。在发射机中首先通过编码器和交织器对必须发送的数据编码并且交织。接下来按信道特性以不同的调制等级调制数据。为此适当的调制字母顺序/方法是例如具有各自调制等级1、2、4和6的、已知的幅移键控/相移键控方法BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等等。在高信号/噪声距离情况下以高的位数调制各自副载波，而在低信噪比的情况下满足较低位数。通常在接收机中估算信噪比，并且对于各个副载波转换为所谓的位加载表。例如如此的位加载表可以包含关于信噪比或有选择地包含每个副载波的请求的调制等级的信息。该位加载表被传递给发射机，以致发射机可以相应控制自适应调制的信号分离器DEMUX和多工器MUX。
信号分离器DEMUX把由交织器获得的位流传递给各一个分配给确定调制等级的调制器MOD1、...、MODn-1、MODn。对此调制器MOD1例如可以是BPSK调制器，调制器MODn是64QAM调制器。然后通过同样经过位加载表控制的多工器MUX对在各自调制之后获得的矢量进行快速傅立叶反变换IFFT。在那里矢量移置到用于传输的各自副载波上并且接下来在载频上上调制矢量。
在接收机中主要相反执行这个过程。首先数据经过快速傅立叶变换由各个副载波作为矢量获得。后面的信号分离器DEMUX对应于位加载表把数据分配给适当的解调器。由解调器DEMOD1、...、DEMODn-1、DEMODn获得的位流经过多工器MUX供给去交织器和信道解码器。
正如已经提到的，所希望的位加载表从发射机传输给接收机用于自适应调制。对此关键点是，在接收机中典型地在RSSI(Radio SignalStrength Indication)和SNR(Signal to Noise/InterferenceRatio)的基础上计算位加载表并且该位加载表必须传递给发射机。对于TDD模式(时分双工Time Division Duplex)通常在位加载表有效的时期采用WSS信道(白平稳White Sense Stationary)。
在标准IEEE 802.11a中详细说明了媒体访问控制(媒体访问控制Medium Access Control、MAC)和无线LAN系统的物理特征。根据该标准的媒体访问控制单元关于其对传输介质的访问权限依赖于频谱的可支配性应当支持物理层元件。
原则上提供访问的二个协调可能性：集中和分散访问功能。在集中访问功能(Point Coordination Function，PCF)中，只要网络运行，协调功能逻辑仅仅在一个站中或者在一组终端(Basic ServiceSet、BSS)的一个终端中有效。与此相反在分散访问功能(分散协调功能Distributed Coordination Function、DCF)中，只要网络运行，相同的协调功能逻辑在每个站或者终端组的每个终端内有效。
为此图1指出了按照标准IEEE 802.11的分散访问系统(DFC)的数据交换的数据帧结构。关于在本文献中应用的缩写和概念参见该标准。根据图1参与通信的有：发射机、接收机及其他。在等候时间、所谓的DFC帧隙(DIFS)之后发射机给网络传输一个RTS信号(准备发送Ready to send)。在较短的等待时间(短帧隙Short InterframeSpace、SIFS)之后接收机发送CTS信号(清除发送：Clear to Send)，以该信号接收机表明其接收准备就绪。再度在较短等待时间SIFS之后发射机在网络中传送必须传递的数据Data。在传输和等待时间SIFS之后接收机以确认信息ACK(确认Acknowledge)确认收到数据。对此等待时间SIFS和DIFS为16μs或者34μs。
在另外的通信用户处向量NAV(网络分配矢量NetworkAllocation Vector)设置为启动RTS信号或CTS信号，该向量表明，在各自站的无线介质(无线介质Wireless Medium)上可以多长时间不进行传输。
当在接收机的确认ACK之后等待时间DIFS延长时，才可能再度访问无线系统。在接下来的争用窗口、所谓的“争用窗”中为了避免冲突延迟了一个随机的补偿时间。
在图2中阐明了在图1中示出的帧的帧格式或者数据包格式。在这个关系中在发射机和接收机之间的协调以及因此各自的寻址是特别重要的。在RTS帧内重新找到以六个八位位组编码的发射机地址TA(Transmitter Address)。同样在CTS帧内以六个八位位组编码接收机地址。由发射机发出的Data帧在地址块“地址2”中包含目标地址。由接收机反向发送用于确认的ACK帧中再度包含接收机地址RA(接收机地址Receiver Address)，以致发射机可以明确分配该确认。
本发明的任务在于，提高通信系统内的信道容量。
为了解决这个任务根据本发明预先规定一种方法，该方法用于通过从发射机到接收机发送至少一个导频信号、根据接收到的导频信号通过接收机计算关于传输模式的分配表、分配表从接收机发送到发射机并且在应用根据分配表的传输模式之一的情况下从发射机到接收机或从接收机到发射机发送数据信号，在通信系统内发送数据信号、该通信系统具有在应用多个传输模式的情况下对传输介质的分散组织的访问。
此外为了解决上述任务准备提供一种方法，该方法用于通过从发射机到接收机发送至少一个导频信号、根据接收到的导频信号通过接收机计算关于传输模式的分配表、分配表从接收机发送到发射机并且在应用在分配表中传递的、根据分配表的传输介质的情况下从接收机到发射机发送数据信号，在通信系统内发送数据信号、该通信系统具有在应用多个传输模式的情况下对传输介质的集中组织的访问。
因此在多重访问系统、比如CSMA系统(Carrier Sense MultipleAccess)中也可以在根据本发明的位加载信令模式的基础上应用自适应调制。可是对于自适应调制所希望的位加载表正确地从接收机传输给发射机是绝对必需的。如果不是这种情况，那么可能出现严重的干扰。通过应用位加载信令模式完全能够传输自适应调制的数据包，通过自适应调制该传输更容易抵御包错误。
所建议的解决方案特别有益地能够应用于具有分散访问的CSMA/CA模式(冲突避免Collision Avoidance)，在该模式中RTS信号(Ready to Send)、CTS信号(清除发送Clear to send)和NAV(Network Allocation Vector)用于保留数据传输的公共介质并且也许确认信息ACK(确认Acknowledge)也用于确认数据接收。因此自适应调制在基本水平上可以用于基于CSMA/CA访问的OFDM系统(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)或MC/CDMA系统(Multi Carrier Code Division Multiple Access)。
正如已经简述的，根据本发明的方法能够非常有益地用于IEEE802.11标准化的系统。对此可以在用于分散访问的RTS信号中发送导频信号用于计算位加载表。此外适当的是，发射机在RTS信号中在接收机处询问，是否接收机能够自适应调制并且也许能够在物理层的范围内实施附加功能、所谓的PHY扩展。
以类似的方式接收机有益地在CTS信号中在发射机处询问自适应调制和也许其他PHY扩展的实施可能性。同时接收机把根据导频信号计算出的分配表或者位加载表在CTS信号中传送给发射机。
对于借助于二个通信终端设备的自适应调制的双向数据通信特别强调，每个终端设备不仅可以是发射机而且也可以是接收机。在IEEE802.11a标准的范围内借助于三个OFDM数据符号传输位加载表是合理的，这三个数据符号分别由24个数据位组成。
可以在接收机的CTS信号中完成确认特殊的PHY扩展的应用。
不仅在集中访问的情况下而且也在分散访问的情况下，只要在发射机或者接收机中不存在当前的位加载表，则以固定调制模式进行数据传输。
二个系统、具有分散访问的系统和具有集中访问的系统、可以时间上交错转换，如此可以并行应用各自特殊的元件。
现在根据附图详细阐述本发明，在图中指出了：
图1根据标准IEEE 802.11的DCF数据交换(DistributedCoordination Function)的信令模式；
图2按照图1的数据交换的数据包结构；
图3在具有分散访问的传输系统中位加载表的根据本发明的数据交换模式；
图4来自图3的信令模式的一部分；
图5在具有集中访问的传输系统中用于位加载表的根据本发明的信令模式；
图6图5的信令模式的变体；
图7具有所包含的位加载表的数据包帧；和
图8在集中和分散的访问方法中在数据块和补偿过程之间的时间间隔、所谓的帧隙(IFS)的时间关系。
下面描述的实施例是本发明的优选实施例。
在图3中示出的根据本发明的信令模式在基本特征上与图1的信令模式一致，并且因此基于标准IEEE 802.11。可是正如在图中粗箭头表明的，改变各自数据帧的内容。为了实施自适应调制在发射机的RTS信号中询问接收机的位加载表。接收机再度把位加载表综合在其CTS信息中，接收机根据RTS信号的导频信号计算位加载表。发射机把由发射机在CTS信息中接收到的位加载表用于发送在数据包“Data”中的数据。
通过在图3中的细箭头表明第二信令模式。因此接收机在CTS信息中请求发射机的位加载表。发射机根据来自CTS信号的导频信号计算正向信道的当前位加载表并且该位加载表综合在必须发送给接收机的数据包“Data”中。同时已经根据已确定的位加载表自适应调制在数据包“Data”中必须传递的数据。
在时间双工运行中一个确定的终端设备分别或者是发射机或者是接收机。在二种上述情况下(在图3中的粗箭头和细箭头)在二个通信终端设备中执行必须的发射机功能和接收机功能。
与图1的比较表明，等待周期SIFS和DIFS没有改变。
在图4的信令模式中总结并补充了在CSMA/CA系统中分散访问的主要根据本发明的步骤。发射机的RTS数据包包含对自适应调制的询问并且此外也许包含询问关于物理层的特殊扩展功能(PHYextensions)的应用。通过如此的PHY扩展能够定义传输模式，其超越了在HIPERLAN/2标准中定义的“物理层方式”。对此的一个实例是已知的“空间频率块编码”。
可以借助于各个对方站、也就是说发射机或者接收机的分配表已知物理层的如此扩展，并且可以商定在二个终端之间的特殊扩展，然后在数据传输期间应用该扩展。对此分配表可以包含一个所谓的“位加载表”，该位加载表用于自适应调制。主要分三个步骤实现这个“商定”：在第一步骤中第一终端已知其支持哪些扩展。在第二步骤中第二终端已知其支持哪些扩展。在第三步骤中第一终端对于一个或多个共同支持的扩展判定用于接下来传输的扩展。
根据图4接收机的CTS数据包包含位加载表。此外该CTS数据包包含关于应用特殊PHY扩展(PHY扩展PHY extension)的确认信息。
发射机的数据包“Data”包含真正必须传输的数据。对应于由接收机获得的位加载表自适应调制这些数据。为了传输所述数据选择具有特殊PHY扩展的传输模式。
在一定的等待时间之后接收机发送确认数据包ACK，该确认数据包ACK包含关于正确或不正确接收数据包“Data”的确认信息。
图5指出了根据标准IEEE 802.11的PCF数据传递，其中集中协调对数据网的访问。在该系统中传递间隔称作“无争用重复间隔”。该间隔由无争用周期(无争用周期Contention-Free Period)和一个这样的周期(争用周期Contention period)组成，在该周期中关于各个用户对数据网的访问进行争用。在无争用周期内集中调节访问，而在争用周期内分散协调访问。
在等待时间PIFS(PCF帧隙)之后通过主机的起始信号(信号Beacon)开始传递，该主机集中协调一组用户对数据网的访问。对此在集中协调的运行模式中从主机到用户的数据传输称作下行链路(DL)，从用户到主机的数据传输称为上行链路(UL)。在较短的等待时间SIFS之后根据图5主机在连接D1中以轮询询问给用户X发送数据，其中“D1”中的D表示下行链路并且“1”表示到用户X的连接1，用户X以轮询询问请求发送数据，只要用户希望发送数据。在同样较短的等待时间SIFS之后用户X在上行链路U1中以确认信息ack把其数据发送给主机，其中“U1”中的“U”表示上行链路并且“1”表示用户X的第一连接。再度在较短的等待时间SIFS之后主机在连接D2中以对用户Y的轮询询问给用户Y发送数据。同时主机随着这个信息发送用户X的一个确认ack，用户X在连接U1中已正确接收数据。接下来主机在连接U2中以这个确认ack从用户Y获得数据，即在连接D2中数据正确到达用户Y。
接下来主机在连接D3中以数据询问用户Z，该用户Z没有应答，接着在连接D4中以数据询问用户Z以及触发轮询询问，其中主机不需要给用户Z发送确认ack，因为用户没有应答。然后用户W在连接U4中以这个确认信息ack发送数据，即用户W在连接D4中已正确从主机接收数据。在无争用周期内以主机的结束信号CF-End改变这种示范的数据交换。接下来进行争用周期，在该周期内每个用户本身优选地以分散协调的DCF运行模式协调对数据网的访问。
通过向量NAV(网络分配矢量Network Allocation Vector)表明无争用时间(无争用周期Contention-Free Period)。在这个时间内没有站或者没有用户开始在介质上传输。在无争用时间结束时复位NAV向量(复位NAV)。在复位后的较短停留时间之后实际上无争用时间已结束，如此得出最大的无争用时间CF_Max_Duration。
根据本发明继续应用该数据传输模式，其中考虑到自适应调制补充各个数据块。在图5中通过在各自数据块上的细箭头表明对于自适应调制必需的位加载表的信令。如此在从主机到用户之一的每个数据传递中询问自适应调制的用户数据。该询问除了含蓄或明确询问是否被询问的站能够自适应调制外也包含对具体应用的位加载表的询问。每个被询问的用户在连接U1、U2或U4中在其数据包内分别发送由用户计算的位加载表并且该位加载表已经应用于在连接U1、U2和U4中分别必须传输的数据。
在图5的图解中每一个用户(用户X、用户Y、用户Z和用户W)在无争用期间分别仅仅一次由主机询问或者轮询。因此主机在连接D1、D2、D3和D4中以固定调制给各自用户发送其数据。可是如果在无争用周期内主机多次询问用户并且用户给主机已发送了当前的位加载表，则主机可能从给同一用户的第二个传输起把当前的位加载表用于自适应调制代替固定调制。
在图6中示出了具有自适应调制的如此CSMA模式。在时间间隔T0内发射机或者主机给出无争用周期(Contention-Free Period)的起始信号(Beacon)。以在时间间隔T6中的信号CF-End结束该周期。在时间间隔T1中主机(发射机)在连接D1中给一个确定的用户(接收机)传输数据Data1，接收机以轮询信息poll应答主机。同时主机(发射机)请求位加载表。在时间间隔T2中位加载表从用户(接收机)传递给主机(发射机)，并且始终还是应用固定调制用于把数据Data1从用户(接收机)传输给主机(发射机)。对此通常在连接D1中主机的数据Data1与在连接U1中的用户数据Data1不同。用户(接收机)以确认信息ack确认从主机(发射机)接收数据Data1。此外用户(接收机)请求主机(发射机)的位加载表。在时间间隔T3中主机(发射机)在应用在时间间隔T2中接收到的位加载表的情况下传递另外的数据Data2。此外主机把被询问的位加载表传递给用户(接收机)。在时间间隔T4中用户(接收机)在应用在时间间隔T3中接收到的位加载表的情况下把其数据Data2发送给主机(发射机)。
在该信令模式中可以或者只在询问上或者在每个数据传递中传输更新的位加载表。
图7指出了如在IEEE 802.11a详细说明的OFDM系统之内可以应用的PLCP数据帧一样的其结构。该数据帧称为PPDU(PLCP ProtocolData Unit)，该PPDU基于PLCP协议(Physical Layer ConvergenceProtocol)。PPDU具有一个带有十二个符号的PLCP前言。一个单符号的数据部分SIGNAL接在其后，SIGNAL由一个数据传输率RATE、保留位、长度说明、奇偶校验位和所谓的结尾组成。
根据本发明接下来的三个OFDM符号、该符号分别由24位组成、用于自适应调制或者物理层扩展(PHY扩展PHY extension)。这三个符号由具有二个位的报头、具有48位的位加载信息、具有16位的循环冗余代码CRC和具有16位的结尾共同组成。
在用于自适应调制的三个符号的后面是真正的必须传输的数据Data，该数据具有一个带有不一样多OFDM符号的可变长度。Data部分具有已知的、带有十二个业务位的结构、PLCP业务数据单元PSDU、具有六个位的结尾和若干填充位。
以编码的OFDM、在本情况中是BPSK、1/2来传输PPDU的组成部分、该PPDU以“SIGNAL”、“PHY扩展”和“Data”表示。在SIGNAL部分中传输数据部分的速率。
因此通过在根据IEEE 802.11a技术条件的CTS信息中嵌入并应用仅仅三个OFDM符号、该OFDM符号需要12μs的时间、实现PPDU的自适应调制。对此保留位或RATE字段表明自适应调制的字段(PHYextension Field)。
最后图8指出，保留避免冲突的补偿过程不变，正如已经在图1中简述。特别是为了自适应调制保留所有DIFS时间间隔、PIFS时间间隔和SIFS时间间隔不变。如此在访问推迟后在争用窗口内(Contention Window)的无争用期间选择相应的时间段并且只要介质空闲就一直减少补偿。

Claims (17)

1.用于在应用多传输模式的情况下在具有对传输介质的分散组织访问的通信系统中发送数据信号的方法，通过
从发射机到接收机发送至少一个导频信号，
根据接收到的导频信号通过接收机计算关于传输模式的分配表，
由接收机把分配表发送给发射机并且
在应用根据分配表的传输模式之一的情况下从发射机到接收机或从接收机到发射机发送数据信号(Data)。
2.按照权利要求1的方法，按照IEEE 802.11详细说明该方法的基础。
3.按照权利要求2的方法，其中在RTS信息中传输所述导频信号。
4.按照权利要求2或3的方法，其中所述分配表包含用于自适应调制的位加载表和/或扩展物理层的扩展数据，该扩展超出标准IEEE802.11a或物理层的其他标准。
5.按照权利要求2至4之一的方法，其中在RTS信息中发射机询问自适应调制和/或询问物理层的扩展，该扩展超出标准IEEE802.11a。
6.按照权利要求2至5之一的方法，其中在CTS信息中传输接收机的、关于自适应调制和/或物理层扩展的询问和/或确认，该扩展超越标准IEEE 802.11a。
7.按照权利要求2至6之一的方法，其中在CTS信息中传输接收机的分配表。
8.按照权利要求2至7之一的方法，其中通信终端设备不仅包含发射机功能而且也包含接收机功能，并且或者从接收机把分配表传输给发射机或者相反从发射机传输该分配表给接收机。
9.按照权利要求8的方法，其中在数据传递包(Data)中应用所述分配表。
10.按照权利要求2至9之一的方法，其中至少一个数据符号、优选地是三个分别由24位组成的数据符号用于传输分配表。
11.按照权利要求2至10之一的方法，其中在CTS信息中确认应用物理层的特殊扩展，该扩展超越标准IEEE 802.11a。
12.用于在应用多传输模式的情况下在具有对传输介质的集中组织访问的通信系统中发送数据信号的方法，通过
从发射机到接收机发送至少一个导频信号，
根据接收到的导频信号通过接收机计算关于传输模式的分配表，
从接收机把分配表发送给发射机并且
在应用在分配表中传递的、根据分配表的传输模式的情况下从接收机到发射机发送数据信号。
13.按照权利要求12的方法，其中只要不存在关于传输模式的分配表，就以固定的调制模式调制必须发送的数据。
14.按照权利要求12或13的方法，其中所述分配表包含用于自适应调制的位加载表和/或扩展物理层的扩展数据，该扩展超出标准IEEE 802.11a或物理层的其他标准。
15.按照权利要求1至14之一的方法，其中通信系统是一个多重访问系统并且特别是一个优选地按照标准IEEE 802.11的CSMA系统。
16.按照权利要求1至15之一的方法，其中至少部分由自适应调制产生所述传输模式。
17.用于发送数据信号的方法，其中按照权利要求1至11之一的方法和按照权利要求12至16之一的方法时间上交错。
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