CN1973494B - 具有提升的数据传输效率的超帧 - Google Patents

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Abstract

一种TDD/TDMA无线超帧，该超帧包括具有多个OFDM符号的时隙。在该包含OFDM符号的时隙之后排列了一个保护时间间隔。在所述保护时间间隔之后排列有多个分组。所述多个分组中的大多数分组包含以级联方式被动态指定的净荷帧，以便提供去往/来自一个或多个依照不同协议在LAN环境中工作的传统设备的接入。TDD/TDMA协议与依照CSMA/CA的现有传统设备相兼容。当有至少一个传统设备和一个非传统设备接收通信时，通过启用动态争用分组服务来为传统设备提供通信，其中所述传统设备和非传统设备在相同频段中接收通信。

Description

具有提升的数据传输效率的超帧
本发明涉及被设计来供一种使用分组的数据传输形式使用的设备和处理过程。更具体地，本发明涉及如下的技术，即通过提供更有效的数据分组的编组来增加相对于分组的协议需求而被传输的数据量，从而在无线LAN、卫星、广播乃至有线传输中提升效率。
例如，当前的无线LAN-诸如那些依照象IEEE802.11之类的接入协议工作的无线LAN-具有几种不同的关于调制和编码的选项。对这些选项的选择通常是在给定的分组差错率小于给定阈值的情况下由最大数据速率确定的。
然而，由于选择准则并未在更高层的“服务”之间加以区分，因此存在着某些能显著降低吞吐量效率的业务模式。举例来说，虽然现今的802.11a/g协议在物理层具有54Mbps的数据速率，但其在MAC-SAP(服务接入点)测得的平均吞吐量却不大于23Mbps，而这正是MAC(介质访问控制)的最高闸门(top gate)。
MAC如此低效的原因之一是因为根据统计几乎75％的分组在长度上小于128字节。由于特定分组的开销长度是固定的，所以当分组长度较短时效率很低。因此，需要提升MAC层的效率。
还需要改进当前的载波侦听多路存取/冲突避免(CSMA/CA)多路存取方案。对于使用CSMA/CA的802.11来说，其中一个问题是使用特殊分组(请求发送、应答、清除发送)来提醒无线网络上的每个节点：发射节点有想要发送(以及正准备发送)的数据，其中这些分组在整个网络中被广播并且是以最低的无线电速度发送的，这意味着对于较小的分组还存在另一个问题，那就是与所传输的数据量相比其无线电前同步相对较大。
此外，为无线LAN环境而制做的PHY层可能需要一系列允许在接近于分组峰值吞吐量的速率上进行数据传输的服务，而在短分组的低效传输的情况下这是很困难的。
然而，即使对CSMA/CA来说，也存在着关于被隐藏的发射机的问题(这种情况会在其中一个无线节点无法侦听到至少一个其他无线节点的时候发生)，由于这些发射机无法侦听到彼此的特殊分组广播，所以它们会在相同/重叠的时间进行广播，从而导致有害的干扰。
由此，所需要的是这样一种方法，其用来提升分组的效率，以使分组将能够载送更多数据，由此即使是在短分组中传输最少量数据的情况下，也仅花费相对较少的时间来发送所需要的分组的所有部分。
相应地，已经通过将TDD/TDMA方案用于下一代802.11n(其效率要远远高于CSMA/CA)而开发出了一种新的标准。但是，存在这样一种需要，那就是使新标准TDD/TDMA向后兼容以便允许在相同频段中共存两种接入方案，使得即使在对于较新设备的协议中已经发生变化，较旧的802.11传统设备也仍能工作。
目前要求保护的本发明提供了一种方法、系统和设备，用于提供这样的分组，即该分组能够为TDMA和TDD中的多种服务提供专用于短分组服务的服务之一、或是能够将TDMA和TDD中的多种服务与专用于短分组服务的服务之一一起使用，并且所述分组可向后兼容于CSMA/CA。目前要求保护的本发明还提高了MAC层的效率，并且准许一系列的、允许以接近于分组峰值速率吞吐量来进行数据传输的服务。
此外，提供了在为无线LAN环境而制做的物理层中的一系列服务，以使得最大化吞吐量。例如，对于象同时传输视频内容和远程控制信息的场景，启用多种并发的服务。
图1是根据本发明的无线系统的一个例子的例图。
图2A是根据本发明的超帧的总览。
图2B是提供了关于根据本发明的超帧的一种可能排列细节的例图。
图3提供了根本发明的方法的流程图总览。
本领域普通技术人员应该理解，以下的描述是出于说明目的而不是为了进行限制而提供的。技术人员应当理解，在本发明的精神和所附权利要求的范围内存在多种变化。在当前的描述中可以省略已知功能和操作的不必要的细节，以免遮蔽本发明的更精细的要点。
图1图示了根据目前要求保护的本发明的系统的一个例子。对所提供的例图来说，在实际的所描绘的各个项目中可以存在多种变化。内部网络101与服务器105、106进行通信，并且经由防火墙108与因特网10进行通信。在这个特定的描绘中，服务器经由路由器/控制器111、接入点(AP)骨干112以及多个AP 113～116来为无线客户机120、125、130提供服务。此外，还可以有与服务器105、106进行通信的其他客户机，这些客户机是有线的(未示出)。优选的协议是IEEE802.11，但是该网络可以依照不同的协议工作，在这种情况下，除“接入点”以外的术语指的是为无线客户机提供经由骨干112来与服务器通信的能力的发射机。
在这个特定的例子中(仅用于举例说明目的)，客户1的设备120可以是经由AP116的、依照CSMA/CA工作的802.11传统设备120。与传统设备相关的争用问题是通过图2B所示的、并在下文中讨论的动态争用分组231来处理的。客户设备2和3(125、130)依照TDD/TDMA来工作，并且可以经由AP113～116来发射或接收根据本发明的超帧。根据本发明，超帧向后兼容于依照802.11的现有CSMA/CA多路存取方案，所述超帧(除了上文提到的一个OFDM符号和一个GT之外)包含16个帧，每个帧都具有32个时隙(每个时隙64us，加上保护间隔时间GT)，其加上GT总计2.24ms(对512个符号而言)。
因此，为CSMA/CA构建的传统设备可以继续在其时隙中使用CSMA/CA来进行通信。然而，较新的设备可以使用根据本发明的超帧来进行通信。
一般来说，除非使用对等服务232，否则所有的客户设备都必须与AP进行通信以便连接到网络，并且这其中包括那些可以使用根据本发明的超帧来工作的新的客户设备。
根据本发明，所述超帧为不同的设备指定不同的“时间”，以避免对于前向链路的冲突。对于反向链路来说，它们会在第二个帧中签约或是争用。举例来说，如果使用超帧来与依照802.11的设备进行通信，那么传统设备仍旧使用DIFS、SIFS等等以便利于通信。
为了便于理解本发明，提供了对正交频分调制的简要概述。正交频分调制(OFDM)是一种将多个低数据速率载波组合成一个高数据速率传输的技术，其中所述高数据速率传输是低数据速率载波的合成。OFDM允许尽可能紧密地放置已调制的载波，以使得不浪费任何带宽。
根据本发明的一个方面，OFDM符号周期约为4us。如果希望以高数据速率进行发射，那么需要使用短的符号周期。符号周期可以被定义成基带数据速率的倒数(T＝1/R)。必须谨慎地选择符号周期，因为虽然较为理想的是具有短的符号周期从而以高数据速率进行发射，但是相反地，较短的符号周期增大了符号间干扰(ISI)的可能性。ISI发生在例如采样“x”的延迟版本并未在其自己的处理周期到达而是在后续采样(X+1)的处理周期的某个部分期间到达的时候。
从理论上讲，下一个预定带宽的载波与当前载波将是相邻的，由此不会有浪费的频谱。然而，存在着频率方面的偏差可能会导致冲突的可能性。为了防止这个问题出现，在每个载波带宽之间必须放置一个保护频段。这个保护频段实际上是被浪费的空间，这里在该保护频段中使用了一个过滤器来衰减相邻载波的信号。
在本发明中，使用了保护时间(GT)间隔210us，并且它被放置在超帧开端的附近，以确保与先前的传输没有重叠。GT的目的是防止载波间干扰(ICI)。在本发明的这个方面中，提供了6us的保护时间，但是该GT有可能被增大或减小。
此外，关于最佳时间，OFDM符号205约为4us，并且一个时隙在长度上等于16个OFDM符号、或是16乘以×4us或是大约64us。一个时隙等于16个OFDM符号＝64us。一个帧等于(32个时隙+GT)＝512个符号＝2.24ms。由此，所述超帧的持续时间约等于35.84ms(16个帧+GT)。
如图2A所示，(这16个分组中的)第一个分组包含用于前向连路控制/管理的分组215，而第二个分组是用于反向链路控制管理的220。应该指出的是，虽然16被视为最佳数目，但是可以存在明显少于或多于16的分组，因为这个数目在某种程度上是出于说明性目的而提供的。第3到第16个分组221包含净荷帧，并且在图2B中详细地显示了它们，这些净荷帧可以被动态地调度以用于如下项，诸如：
前向长分组服务225；
反向长分组服务226；
前向短分组服务227；
反向短分组服务228；
前向MIMO(多输入多输出)数据服务229；
反向MIMO数据服务230；
动态争用服务231；以及
对等服务232。
应该指出的是，帧3～16中的每一个帧都可以被指定给服务225～232中的一个服务，这将导致一种不同于图2B所示的配置。举例来说，对等服务和反向MIMO数据服务可以包含三个帧而不是一个帧，并且因此来自233～238的某些帧(这些帧被列为可编程的)可以相应地、并且相互之间通常是连续地被编程。
应该指出的是，动态争用服务主要是用于依照早期的802.11协议之一工作的传统设备，以及上述用于净荷帧的那列项目不必与特定的帧编号相对应，并且这些项目可以是第3到第16个帧中的一个以上的帧。
此外，对于动态争用服务231来说，该服务可以从第3个分组变化到第15个分组，且争用周期末端始终是16。举例来说，虽然每个帧都可以被指定作为八种服务225～232中的一种服务，但动态争用服务231也可以被指定给成一排的几个帧，不过这几个帧仍旧必须是帧3～16的一部分(例如不能使用1或2)。
图3是一个流程图，它提供了一种用于在无线LAN的节点之间传输超帧的方法的总览。虽然可以有很多种其中可应用本发明的不同配置，但是出于说明性目的，仅仅假设该网络类似于图1中的例图(仅仅是为了说明本方法，而不是以任何方式来限制本方法)，它包括至少一个与内部网络101进行通信的服务器105、106，与内部网络101进行通信的路由器/控制器111，连接到路由器/控制器111以便与一个或多个无线设备120、125、130通信的骨干112，以及向/从一个或多个无线设备120、125、130进行传输的传输控制器113、114、115、116。
在步骤310，可以由传输/控制器113、114、115、116来确定：将要接收无线通信的三个或更多无线设备120、125、130中的一个特定设备是否是依照载波侦听多路存取/冲突避免(CSMA/CA)协议工作的传统设备。这样的确定提供了要求保护的本发明的一部分向后兼容性。
在步骤320，如果步骤310中的确定是：存在依照CSMA/CA协议工作的传统设备，那么该传统设备将以常规方式接收传输，并且传输控制器传输包括一个启用的动态争用分组服务232的超帧，该动态争用分组服务提供了用于向后兼容性的CSMA/CA协议。
在步骤330，如果步骤320中的确定是：所述一个或多个无线设备120、125、130中的所述特定设备不是依照CSMA/CA工作的传统设备，那么传输控制器依照TDD/TDMA来传输一个超帧。
在步骤340，确定是否存在另一个需要服务的无线设备。如果是的话，那么该方法重复步骤310以确定该另一个无线设备是否为传统设备。
在步骤320和330中传输的超帧包含至少16个分组，并且在图2A和图2B中显示了它们的一种版本，该版本包括：包含多个OFDM符号205的时隙，紧接在该包含OFDM符号的时隙之后排列的保护时间间隔210；以及排列在所述保护时间间隔之后的至少16个分组215、220、221。此外，所述至少16个分组中的多个分组包含以级联方式被动态指定的净荷分组221。
本领域普通技术人员可以对上述发明做出各种修改，而这些修改并不背离本发明的精神或是所附权利要求的范围。举例来说，图2B所示的超帧中分组的布局仅仅是出于说明性目的而提供的，而决不应当把所附权利要求解释成受限于所示的这种排列，因为分组的顺序可以以任何可能的组合来被变换位置，只要超帧以OFDM符号为开始并具有保护间隔即可。虽然对于效率提升和保留一些空间供将来使用而言，具有至少16个分组的超帧在某种程度上是优选的，但是提供具有小于或大于16的分组总数量的超帧同样是在本发明的精神和所附权利要求的范围之内的。此外，图1显示的系统配置决不应当限制本发明的精神和所附权利要求的范围，因为根据本发明的超帧适用于实际上网络的任何一种配置，并且可以用于卫星、广播乃至有线线路。

Claims (14)

1.一种用于传输TDD/TDMA超帧的系统，包括：
内部网络；
至少一个与内部网络进行通信的服务器；
与内部网络进行通信的路由器/控制器；
与路由器/控制器相连接以便与一个或多个无线设备进行通信的骨干；以及
与所述一个或多个无线设备进行传输的传输控制器；
其中传输控制器与所述一个或多个无线设备之间的传输被安排在一个包含多个分组的超帧中，这些分组包括至少一个用于对传统设备的向后兼容性的动态争用服务分组；
传输控制器确定要接收无线通信的所述一个或多个无线设备中的一个特定设备是否是依照载波侦听多路存取/冲突避免CSMA/CA协议工作的传统设备；如果确定所述特定设备是依照CSMA/CA协议工作的传统设备，则传输控制器传输包括一个启用的动态争用服务分组的超帧，其中所述动态争用服务分组提供了用于向后兼容性的CSMA/CA协议；如果确定所述特定设备不是依照CSMA/CA协议工作的传统设备，则传输控制器传输依照TDD/TDMA协议的超帧。
2.根据权利要求1的系统，其中传输控制器包括依照IEEE 802.11的接入点(AP)。
3.根据权利要求1的系统，其中该系统包括至少一个第二无线设备，该第二无线设备在与传统设备相同的频段中使用带有超帧的TDD/TDMA协议。
4.根据权利要求2的系统，其中该超帧包括：
包含多个OFDM符号的时隙；
紧接在该包含OFDM符号的时隙之后排列的保护时间间隔；以及
排列在保护时间间隔之后的多个分组；
其中该多个分组中的大多数分组包含以级联方式被动态指定的净荷分组，以便提供去往/来自一个或多个依照载波侦听多路存取/冲突避免CSMA/CA协议工作的传统设备的接入。
5.根据权利要求4的系统，还包括：所述净荷分组的其中之一包括对等服务。
6.根据权利要求4的系统，还包括：所述净荷分组的其中之一包括用于对传统设备的向后兼容性的动态争用服务分组。
7.根据权利要求4的系统，其中所述排列在保护时间间隔之后的多个分组中的第一分组包含前向链路/控制管理分组。
8.根据权利要求7的系统，其中所述多个分组的第二分组包含反向链路控制管理分组。
9.一种用于在无线LAN的节点之间传输超帧的方法，其中所述无线LAN包括至少一个与内部网络进行通信的服务器，与内部网络进行通信的路由器/控制器，连接到路由器/控制器以便与一个或多个无线设备进行通信的骨干，以及与所述一个或多个无线设备进行传输的传输控制器，所述方法包括以下步骤：
(a)由传输控制器确定：要接收无线通信的所述一个或多个无线设备中的一个特定设备是否是依照载波侦听多路存取/冲突避免CSMA/CA协议工作的传统设备；
(b)如果步骤(a)中的确定是：存在依照CSMA/CA协议工作的传统设备，则传输包括一个启用的动态争用服务分组的超帧，其中所述动态争用服务分组提供了用于向后兼容性的CSMA/CA协议；
(c)如果步骤(a)中的确定是：所述一个或多个无线设备中的所述特定设备不是依照CSMA/CA协议工作的传统设备，则传输依照TDD/TDMA协议的超帧；
其中在步骤(b)和步骤(c)中传输的超帧包括：包含多个OFDM符号的时隙、紧接在该包含OFDM符号的时隙之后排列的保护时间间隔、以及排列在保护时间间隔之后的多个分组；
其中所述多个分组中的大多数分组包含以级联方式被动态指定的净荷分组。
10.根据权利要求9的方法，其中传输控制器包括依照IEEE802.11的接入点(AP)。
11.根据权利要求10的方法，其中至少一个传统无线设备与一个非传统设备各自在相同频段中进行通信。
12.根据权利要求9的方法，其中所述净荷分组的其中之一包括对等服务。
13.根据权利要求9的方法，其中排列在保护时间间隔之后的一个分组包含前向链路/控制管理分组。
14.根据权利要求13的方法，其中另一个分组包含反向链路控制管理分组。
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Phil Belanger,Greg Ennis ,Wim Diepstraten.Distributed Foundation Wireless Access Protocol:Basicaccess method and Contention Free Service support for IEEE802.11.1993,1-32.
Phil Belanger,Greg Ennis,Wim Diepstraten.Distributed Foundation Wireless Access Protocol:Basicaccess method and Contention Free Service support for IEEE802.11.1993,1-32. *
Wireless LAN Overview for Newcomer.1999,1-10. *

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