CN1922846A - 使用介质访问控制动作表用于无线分组处理的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减少与分组传输相关的延迟的方法和无线通信设备。介质访问控制(MAC)功能被分解在HW(硬件)和SW(软件)部分。选定的MAC功能被直接在硬件MAC层执行而不是转发到软件MAC层用于处理。根据哪个动作已经对于HWMAC启动，具有在HWMAC中或者在SWMAC中执行功能的灵活性。这可以适应解决方案的设计更改以及千变万化的标准需求。当执行，尤其是实时功能时，MAC功能的一部分到HWMAC的分配允许降低延迟。

Description

使用介质访问控制动作表用于无线分组处理的方法和设备

本发明通常涉及无线通信系统，尤其涉及用于处理数据分组来处理时间灵敏度和服务质量(QoS)的系统和方法。

有关信息通信的技术已经在最近数十年快速发展。例如，最近二十年无线通信技术已经从提供最初被看作新颖项目的产品转换到提供用于移动通信基本设备的产品。或许这些无线技术最具影响力的是蜂窝电话系统和产品。蜂窝技术显现出来提供一种对现有有线通信系统的移动扩展，使用传统的电路切换无线电路径将无所不在的覆盖范围提供给用户。然而近年来，无线通信技术已经开始在差不多每个通信领域代替有线连接。例如，无线局域网(WLAN)快速地成为一种在家和办公室普及的传统有线网络的替换网络。

1990前后，IEEE 802标准委员会成立了802.11无线局域网标准工作小组来开发用于无线电设备和网络的全球标准，运行在2.4GHz未授权的频率范围，用于1和2Mbps的数据速率。在其引入之后，不同的版本的802.11标准在美国快速地形成了标准化WLAN网络和设备的基准。类似的努力在欧洲也发展为HIPERLAN标准。

用户将会容易地比较使用无线技术可用的服务和使用有线服务可用的服务。例如，使用以太网或者异步传输模式(ATM)协议的有线服务提供跨网络传输音频与视频数据的能力。这些服务有不同的要求。例如，音频数据不需要数据服务所要求的分组错误可靠性，但是不能容忍过多的延迟。视频数据通常可以比音频忍受更多的延迟，但是相对地不能容忍延迟抖动。这些延迟和分组误码率考虑可以通过面向连接的服务得到最好的支持，其中参数在每个连接开始时协商和建立。除不同类型的数据之外，许多当今有线系统支持提供不同服务质量(QoS)等级的服务。

通常，术语QoS指的是定性和定量的业务特性的集合(例如吞吐量、服务间隔、分组大小、延迟、抖动、优先级、类型等等)，其描述了支持一种具体应用的业务流。在有线系统中，QoS问题可以被忽略，因为数据率很高并且物理层的误码率很低。然而无线系统在有限的带宽内引起很高的每分组开销，因此相同的情况不适用于无线系统，例如802.11 WLAN。例如，无线系统中可用的数据率的很大百分比被分组分段、帧间间隔以及MAC级别应答所消耗。另外繁重的业务负载增加了冲突和补偿，因此帧传送时间进一步增加。频繁的重发同样导致不可预测的大约数十到数百毫秒的时延且未决帧的传输会被阻塞。如果延迟超过某一级别，涉及语音和视频传输的大多数多媒体服务的质量会急剧恶化。这是与在无线通信系统中提供此类型服务相关的一种主要阻碍。

因此，希望开发减少延迟的无线通信系统和方法，并提供处理QoS相关问题的机制，以便例如提供音频、视频以及其他延迟敏感的服务。

依照本发明的系统和方法通过提供分配一部分MAC功能到MAC层硬件部分并且分配一部分MAC功能到MAC层软件部分的无线通信系统来处理此类和其他需求。例如，对于收到的具有较大QoS相关时间灵敏度的分组的响应可以被识别并完全地在MAC层的硬件部分内被处理以降低延迟。相反地，较小时间敏感的MAC处理步骤可以在MAC层的软件部分执行。

根据本发明的一个典型实施例，一种在介质访问控制(MAC)层用于处理数据分组的方法可以包括：接收数据分组，转发该数据分组到接收链中MAC层的硬件部分，在接收链中MAC层的硬件部分中确定与接收到的数据分组相关的分组类型，根据该分组类型选择性地触发发送链中MAC层的硬件部分；以及否则，发送一个指示给接收链的所述MAC层的软件部分以产生响应。

根据本发明的另一典型实施例，一种无线通信设备可以包括：用于接收数据分组的接收机，具有硬件部分和软件部分的介质访问控制器(MAC)，其中与接收到的数据分组相关的分组类型在MAC的硬件部分中确定，以及在MAC的硬件部分中，对于选定的分组类型，接收动作表具有存储于其中的硬件处理功能，其中，如果接收到的数据分组的分组类型是选定的分组类型中的一个，则相关硬件处理功能被执行，否则，一个指示被给予所述MAC的软件部分。

附图说明了本发明的示范实施例，其中：

图1描述了其中本发明可以被实现的WLAN系统；

图2描述了帧交换序列；

图3示出根据本发明的一个典型实施例硬件(HW)介质访问层和软件(SW)介质访问层之间的相互作用；

图4是一流程图，说明了根据本发明的一个典型实施例在介质访问层中处理数据分组的典型方法；

图5是结合本发明典型实施例的典型WLAN SDIO卡的方框图，其可以被插入PDA的SDIO槽；以及

图6是根据本发明的一个典型实施例的典型Rx动作表。

下面本发明的详细说明引用该附图。在不同附图中相同的附图标记指示相同或者类似的单元。同样，下面的详细说明不限制本发明。而本发明的范围由所附的权利要求书确定。

为了提供讨论的一些背景，一个典型的WLAN系统将首先参考图1被说明。然而本领域技术人员将要理解，本发明不局限于实现在WLAN系统中。其中，有线网络10(如，以太网)具有文件服务器12和连接到文件服务器的工作站14。本领域技术人员将理解，典型的有线网络将服务许多固定工作站14，然而为了简单起见在图1中仅描述了一个。有线网络10还经由路由器18连接到WLAN 16。路由器18互联WLAN 16的接入点(AP)和有线网络，通过该有线网络该接入点例如可以与文件服务器12通信。在图1的典型WLAN系统中，三个小区20、22和23(有时也被称为基本服务集(BSS)或者基本服务区域(BSA))被示出，每个具有各自的AP，尽管本领域技术人员将再次理解更多或者更少的小区可以在WLAN 16中提供。每个小区内，各自的AP经由无线连接服务多个无线站(W)。

根据本发明的示范实施例，在AP和各自无线站W之间的信号传送是根据802.11标准中的一个使用无线通信信号来执行的。然而本领域技术人员将理解本发明不局限于此，可以实现用于根据其它格式和标准用于信号通信。如上所述，将QoS性能引入802.11标准将导致在帧交换序列在MAC层执行过程中额外的时间敏感功能。为说明QoS相关帧交换信令的时间敏感特性，考虑图2所示的典型帧交换序列。

其中，AP和第一无线站W之间的帧交换序列在第一传送时机(TxOP1)期间发生。AP传送与来自无线站W的应答空间分离短帧间间隔(SIFS)的QoS数据块。QoS空值(Null)消息在TxOP 1的最后帧通过无线站W传输。为了授权另一无线站W另一传送时机，AP使用消息QoS CF-Poll。然后，在TxOP 2期间，另一个无线站W传输其QoS数据帧给同样通过AP应答的AP。尽管这个例子说明所有数据帧传输通过接收站应答，但是802.11e允许MAC层应答是可选的，即一个站不需要根据在输入帧中ACK策略字段应答正确接收的帧。这进一步地收紧了在这样系统中与数据分组发射和接收有关的时间限制，因为这意味着下一分组需要在SIFS时间周期期满之后准备发送。一般而言，有关QoS的无线协议变化在下述情况下在MAC层处理过程中引入了时间灵敏度，(1)在数据分组接收期间，当字段必须被提取，进一步的软件处理必须在数据分组上完成或者时间敏感响应必须发回时，以及(2)在数据分组发送期间，当一些字段必须插入数据分组或者随后动作必须被采取时。

根据本发明的示范实施例，与这些以及其它QoS相关无线协议相关联的时间灵敏度可以通过在硬件和软件之间划分MAC层功能而完成。例如，根据本发明的示范实施例，这种划分可以由硬件的寄存器接口完成。鉴于当前为传输所定义的各种类型的MAC分组，其中一些在图2中示出，以及由于更多分组类型将会在将来加入各种标准的预期，根据本发明的MAC硬件被设计为处理每个分组类型的时间敏感特性要求，并且如通过软件所规定的那样满足它。应注意到在此使用的术语“分组类型”预定将包括分组类型，分组子类型以及分组类型/分组子类型的组合。特别是，本发明的示范实施例在MAC硬件中提供两个表，该表在此被称为Rx动作表和Tx动作表。

这两个表的典型高层实现在图3中示出。其中，示出了物理层、硬件(HW)-MAC层和软件(SW)-MAC层之间的典型相互作用。发送链30和接收链32二者被示出，其可以被集成到一个MAC控制器中。应注意到Rx动作表34包括在与接收链32相关联的HW-MAC层之内，以及Tx动作表36包括在与发送链30相关联的HW-MAC层之内。对此MAC结构的典型处理流程现在将参考图4的流程图说明。

其中数据分组首先在步骤50通过物理层的接收模块38接收。然后数据分组在步骤52转发给接收链32中的HW-MAC层。在步骤54，HW-MAC层验证数据分组并确定已经收到的数据分组类型，例如根据报头信息。Rx动作表34在步骤56根据其分组类型确定，响应收到的数据分组采取什么动作。如果分组类型指示期望更快的响应，则触发器可以直接从接收链32中的HW-MAC层发送到发送链30中的HW-MAC层。由于这条路径绕过了MAC层的软件部分，作为结果产生响应将更快并且产生更少的延迟。数据分组类型和相应动作的例子在下文中提供。如果没有快速跟踪响应由Rx动作表32指明，则一个指示被发送给接收链32中的软件(SW)-MAC层，其中它被处理并且在步骤58软件(SW)-MAC产生的响应被转发给发送链30。

已经说明了根据本发明在MAC层中处理数据分组的典型实施例，一些更详细的Rx动作表34和Tx动作表36的例子现在将被提供。接收链32中的HW-MAC层包括地址过滤器，其确定输入分组的目的地址，该分组连同ACK策略(用于QOS帧)一起是一种用于确定可以对这个特定分组采取的动作的集合的机制。例如，该输入分组可以被分类为下述目的类型之一：(1)具有用于此特定无线站的单播地址的分组，(2)具有用于其它的无线站的单播地址的分组，(3)具有该特定无线站是其成员的多播组的多播组地址的分组，(4)具有该特定无线站不是其成员的多播组的多播组地址的分组，以及(5)具有广播地址的分组。根据他们不同的目的地址类型，接收帧被不同地处理。例如，如果输入帧打算送给此特定无线站，并且如果其打算仅用于此特定站(即，如果其有单播地址)，则接收无线站W将返回ACK帧给发射无线站W。可替换地，如果输入帧的目的地址是该帧所预定发送到的多播组的成员，则接收无线站W不应用ACK帧响应，而是应当将指给SW-MAC层。相同的机制应当被提供来处理具有广播目的地址的输入帧。

另一方面，如果输入帧的目的地址是无线站不是其成员的多播地址，则该帧应当在HW-MAC层被滤出并且不应当指示给SW-MAC层。除了考虑输入帧的目的地址类型之外，根据本发明的示范实施例的Rx动作表也可以例如根据ACK策略字段是否存在于输入QOS帧中而被标引。

基于输入数据分组的这种或其它分类，Rx动作表34可以被标引来输出与确定分组类型相关联的动作。

这样的动作可以由Rx动作表入口字中的位字段表示，并且例如包括如下动作。

1.触发预编程的控制分组(在输入CF-Poll帧的情况下的数据分组)的传输。例如，当输入分组是下述类型：CF-Poll+Data，PS-Poll，Data-ACK以及RTS-CTS序列之一时，此动作可以被执行。

2.在特定数目的数据分组字节已经收到后触发中断。例如，此动作可以在新的帧类型被引入标准的情况中被触发。该SW-MAC层将需要作用来能够运行新的帧类型，最有可能地以时间临界方式。因此，例如当这个新的帧类型被接收到时，该SW-MAC可以在接收到可配置数目的字节后启动(enable)在Rx动作表中的此中断。

3.遵循DCF介质访问规则触发分组的传输。该帧可以在HW-MAC中按照它们从主机接收的方式排队。HW-MAC层在遵循DCF协议之后进行帧发送。这将减少SW-MAC的工作负荷并且减少与MAC层处理相关的处理器周期的数量。

4.写入输入分组到存储器并且产生中断给软件来处理它。该动作可以根据目的地址过滤结果触发，该结果指示HW-MAC层将会写入该帧到SW-MAC层可以访问的存储器设备。

5.对输入分组执行CRC检查。在一些测试情况中，可以期望的是先行执行输入分组的CRC检查。提供对Rx动作表中CRC检查/不检查的触发，提供处理如此情况的有效机制。

6.更新TxOP存储器地址。该动作例如可以在输入帧是CF-Poll帧时触发。

7.用输入分组的持续时间id更新NAV。这个动作将对Rx动作表中输入分组的许多类型触发。然而，与典型802.11e标准相关联的虚拟载波检测算法不需要对所有分组类型运行，例如，PS-Poll帧没有持续时间Id字段被定义。为此，HW-MAC层将不应当用PS-Poll帧的第三和第四字节更新NAV，其通常是持续时间Id所在的位置。如果该字段在CF周期中间的信标中收到，将用剩余的CF持续时间值更新NAV。

8.对于信标分组，多个不同的动作可以在Rx动作表中指明。例如，信标可以根据BSSID，SSID和/或性能信息滤出，TSF可以按信标中BSS/IBSS更新标准而更新，或者如果信标开始一个CFP，NAV可以被更新。

同样地，Tx动作表36可以通过分组类型/动作来组织。根据分组类型/子类型，Tx动作表36可以标引来输出与确定分组类型相关联的动作。这样的动作可以以Tx动作表入口字中的位字段来代表，并例如可以包括下列内容。

1.插入要发射分组的CRC。例如，当期望通过接收CRC已经故意失真的帧来验证接收无线站的CRC模块，这个动作可以例如为了测试目的而执行。使用此选项，用于发送无线站的HW-MAC的CRC产生模块可以被禁止。

2.插入源MAC地址/BSSID。启动Tx动作表中的这个动作可以带来在SW-MAC中输出帧的更少开销。该动作可以用于由接收链中HW-MAC触发的自动响应帧，以及用于发射机和接收机的地址需要交换的场合。

3.根据分段参数分段分组。分段相关的参数可以被提供给随后可以承担分组的分段而不需要SW-MAC层的任何辅助的HW-MAC。

4.在传送分组之后的SIFS时间预期规定的响应。当HWMAC Rx正好在传送帧之后需要准备用于输入帧的接收状态机时，这可以通过SW-MAC指示给HW-MAC。

5.在分组传输时产生中断。为了知晓先前编程的分组是否已经通过HW-MAC尝试以及为了提供尝试的反馈/结果，这个中断动作可以通过SW-MAC在Tx动作表中启动。

6.在信标内插入时间戳和/或DTIM计数。无论何时Tx动作表从SW-MAC层接收到用于传送的分组，则该动作可以被触发。

本领域技术人员将理解前述引用802.11e标准的例子是纯粹说明性的，并且将理解本发明可以被应用于根据其它标准操作的通信系统。对802.11和/或802.11e的操作感兴趣的读者参考信息技术IEEE标准，11部分：无线LAN/MAC和物理层(PHY)规范，ANSI/IEEE 802.11(1999)(IEEE Standard for Information Technology，Part 11：Wireless LAN/MAC and Physical Layer(PHY)Specifications，ANSI/IEEE802.11(1999))和信息技术IEEE标准草案附录，11部分：无线LAN/MAC和物理层(PHY)：服务质量(QoS)MAC增强，ANSI/IEEE 802.11e/D4.0，1999年11月(Draft Supplement to the IEEE Standard for Information Technology，Part 11：WirelessLAN/MAC and Physical Layer(PHY)：MAC enhancements for Quality of Service(QoS)，ANSI/IEEE 802.11e/D4.0，November 1999)，这二者都被在此特别引用作为参考。

依照本发明的硬件和软件之间的MAC功能的分配可以在任何无线通信系统或者设备中提供。为了进一步说明本发明，图5示出一个例子，关于在PDA设备中的嵌入无线LAN芯片。其中，典型的MAC控制器60(ASIC芯片)被说明，其包括通用微处理器62，至少一个存储单元64，HW-MAC单元66和SDIO接口单元68。本领域技术人员将理解其他的功能模块可以被包括，如DMA控制器，其它I/O端口，功率变换器，辅助存储器设备等等，然而为了简化讨论仅仅描述了这四个功能模块。HW-MAC ASIC单元66与发射机和接收机(未示出)通信，并包括上文所述的Rx动作表和Tx动作表。依照本发明的具体实施例，那些由HW-MAC ASIC芯片66接收的以及在为加速响应和/或其它硬件动作而指定的Rx动作表中识别的分组类型在HW-MAC ASIC芯片66之内处理。例如，如果HW-MAC ASIC芯片66接收CF-Poll分组，其Rx动作表可以规定自动的、预存储的响应从存储器64取出并发送到发射机用于发射而在这个处理部分中不包含通用微处理器62。尽管在Rx动作表中的指示对输入分组执行某一HW-MAC动作，同样可以有有效负载数据通过通用微处理器62处理，并且例如经由SDIO接口68输出给无线PDA设备。

依照本发明一个Rx动作表的更详细例子被提供作为图6。其中，行规定了可以由MAC接收的不同的分组类型。列表示HW-MAC能够执行的动作。这表可以被转换到HW-MAC中的64位寄存器，其中HW-MAC标引在例如该输入分组的02-07位。该HW-MAC使用这些位来确定哪种地址类型与输入分组相关并且然后采取在相应Rx动作表位中所规定的相应动作。64位寄存器可以被设计为这样的方式，一组位(对应于所要求的一个动作)被分配给输入帧的接收机地址的“单播自己”地址类别，其他的分配给“多播自己”地址类别，并且对于“多播他人”，广播和“单播他人”地址类别是同样的。根据此实施例在图6中与特殊动作列相关的功能，纯粹说明性地在下列表1中列出。

C1	信标可以被广播(然后处理)或者不广播(它被忽略，在这样情况下是无效分组)1)分析该信标来记录信标的起源(IBSS或者BSS)。如果它来自AP并且该无线站是这个BSS的成员则用信标中的TSF更新该无线站的TSF值。如果它是IBSS信标并且该无线站是IBSS的成员则仅仅在信标的TSF值大于无线站的TSF值时更新。其它所有情况忽略信标中的TSF值。2)如果CF参数元素开始了CFP，更新NAV；以及3)产生给SW-MAC的接收指示。
		C2	RR和CC的地址是BSSID。匹配结果可以是“自己”或者“他人”。
C3	如果NAV＝0发送CTS，否则，忽略。
		C4	对于CTS单播自己，HW MAC应当自动发送未决片段或者MSDU。
C5	如果这个不是最后帧则继续发送下一帧。否则，生成发射状态指示给SW-MAC。

C6	如果该无线站是CF识别的则不产生任何中断给SW-MAC，但是更新NAV。
		C7	存储TxOP存储器地址。
C8	自动发送QoS ACK或者ACK(正如由SW-MAC配置的)..
		C9	1)如果WEP位＝1进行解密；以及2)产生接收指示给SWMAC。
C10	如果需要的话，自动发送CF-ACK/ACK并且产生接收指示中断。
		C11	在TxOP寄存器存储TxOP值；检查QoS数据帧是否必须作为响应被发送。如果不是则发送QoS空值帧：以及如果有QoS数据帧将响应于+CF-Poll帧被发送，则从预定存储位置取出数据帧并且发送它。

                            表1

上述说明的示范实施例在本发明的所有方面是说明性的，而非限制性的。因而本发明可以在由所属领域的技术人员从说明书在此包含的内容中得到的细节实现上有许多变化。从图6的典型Rx动作表中，可以看出SW-MAC层在初始化中启动HW-MAC中的一个或多个特征。相应地，为了适应变化的结构，特定选项可以在HW-MAC层中禁止或者启动。如果禁止，则该功能将被在SW-MAC中执行或者消除。因而，对于通信标准的频繁变化，本发明提供Rx/Tx动作表从而在例如ASIC中提供了灵活性。所有这样的变化和改进被认为是属于如以下权利要求所定义的本发明的范围和精神。本申请的说明书中使用的单元、动作或者指令不应该被解释为对本发明是决定性的或者必要的，除非在此明确说明。同样，如同在此使用的，冠词“a“预定包括一个或者多个对象。

Claims (16)

1.一种在介质访问控制(MAC)层中用于处理数据分组的方法，包括步骤：接收数据分组；转发所述数据分组到接收链中所述MAC层的硬件部分；在所述接收链中的所述MAC层的所述硬件部分中确定与所述接收到的数据分组相关的分组类型；根据所述分组类型选择性地直接发送一个指示给发送链中所述MAC层的硬件部分；以及否则，发送一个指示给所述接收链的所述MAC层的软件部分以产生所述响应。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述根据所述数据分组的所述类型-子类型选择性地发送所述响应的步骤进一步包括步骤：如果所述分组类型是下述之一：CF-Poll、PS-Poll、数据/管理-ACK和RTS-CTS，则发送所述响应给所述发送链中的所述MAC层的所述硬件部分。

3.根据权利要求1的方法，其中，所述确定所述分组类型的步骤进一步包括步骤：使用地址过滤器确定所述数据分组的目的地址。

4.根据权利要求1的方法，其中，所述选择性地直接发送一个响应给所述MAC层的所述硬件部分的步骤进一步包括步骤：在所述接收链中的所述MAC层的所述硬件部分中提供一个接收动作表，其中所述接收动作表使用所述分组类型标引来输出所述响应。

5.根据权利要求1的方法，其中，所述MAC层的所述硬件部分在专用集成电路(ASIC)中实现。

6.根据权利要求1的方法，其中，所述MAC层的所述软件部分在通用微处理器中实现。

7.根据权利要求1的方法，进一步包括步骤：从所述MAC层的所述软件部分接收另一数据分组用于传送；在所述发送链中的所述MAC层的所述硬件部分中提供一个发送动作表，其中所述发送动作表使用所述分组类型标引以便输出所述MAC层的所述硬件部分的功能从而对选定的分组类型和目的地址类型执行；以及根据所述另一数据分组的分组类型选择性地执行所述功能。

8.根据权利要求7的方法，其中，所述功能进一步包括步骤：为所述另一数据分组插入循环冗余校验(CRC)。

9.根据权利要求1的方法，进一步包括步骤：作为所述直接对所述MAC的所述硬件部分的响应，在预定数量的字节已经收到之后发送一个中断。

10.一种无线通信设备，包括：用于接收数据分组的装置；具有硬件部分和软件部分的介质访问控制器(MAC)，其中与所述接收到的数据分组相关的分组类型在所述MAC的所述硬件部分中确定；以及在所述MAC的所述硬件部分中的一个接收动作表，具有存储在其中用于选定的分组类型的硬件处理功能；其中，如果所述接收到的数据分组的所述分组类型是所述选定的分组类型中的一个，则相关硬件处理功能被执行，否则，其中一个响应指示被转发给所述MAC的所述软件部分。

11.根据权利要求10的设备，其中，如果所述分组类型是下述中的一个：CF-Poll、PS-Poll、数据/管理-ACK和RTS-CTS，则经由所述MAC的所述硬件部分直接发送响应。

12.根据权利要求10的设备，进一步包括：在所述MAC的所述硬件部分中的地址过滤器，用于确定所述数据分组的目的地址。

13.根据权利要求10的设备，其中，所述MAC的所述硬件部分在专用集成电路(ASIC)中实现。

14.根据权利要求10的设备，其中，所述MAC的所述软件部分在通用微处理器中实现。

15.根据权利要求10的设备，进一步包括步骤：在所述MAC的所述硬件部分中的一个发送动作表，其中所述发送动作表使用所述分组类型标引以便输出所述MAC层的所述硬件部分的功能从而对选定的分组类型一子类型执行；以及其中当另一数据分组通过所述设备转发以便发送时，所述MAC的所述硬件部分根据分组类型选择性地执行所述功能。

16.根据权利要求15的设备，其中，所述功能进一步包括：为所述另一数据分组插入循环冗余校验(CRC)。

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