集中控制的多信道无线局域网的介质访问控制协议

摘要

描述了一种无线通信的无线系统和方法，所述方法包括：在单频信道中提供多个码信道；在至少一个所述码信道中分配至少一个无竞争时段；以及在另一码信道中的与所述无竞争时段同时开始的分配至少一个竞争时段。

说明书

背景技术

随着信道调制技术的进展，无线通信带宽已经得到显著增加，使 得无线介质成为有线和光纤解决方案的可行替代方案。同样，数据和 语音通信中的无线连接的使用继续增加。这些设备包括移动电话、无 线网络(例如，无线局域网(WLAN))中的便携式计算机、无线网络 中的固定计算机、便携式耳机等等。

每种无线网络包括许多层和子层。介质访问控制(MAC)子层和物 理(PHY)层是其中的两个层。在开放系统互连(OSI)栈中，MAC层是 数据链路层的两个子层中较低的子层。MAC层提供需要同时访问相同的 无线介质的许多用户之间的协调。

MAC层协议包括管理对由网络中的各用户共享的广播介质进行访 问的许多规则。众所周知，已经定义了若干不同的多址技术(通常被 称为MAC协议)，以在管理MAC层的各协议下工作。这些多址技术包 括但不限于载波划分多址(Carrier Division Multiple Access， CDMA)、载波监听多址(CSMA)、频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。

众所周知，在尤其具有集中MAC协议的WLAN中，接入点(AP)为 访问WLAN的其他无线站(STA)访问系统的分配提供控制。AP对WLAN 的控制用于减少STA和AP之间以及各STA自身之间的通信分组的冲突。 通过适当地控制对介质的访问，避免了冲突，减少了丢失的分组，并 且增加了WLAN的吞吐量。

众所周知，许多WLAN包括多信道(或多载波)MAC(MC-MAC)。 尽管MC-MAC允许更大的STA介质访问，但是通过需要对更多信道提供 控制，对AP的需求也进一步增加。在已知WLAN中，这可能导致“开 销”或系统需求的增加，而这些可能不利地影响系统的复杂度和系统 实现的成本。

发明内容

根据代表性实施例，一种无线通信的方法包括：在单频信道中提 供多个码信道(cch)；在至少一个所述码信道中分配至少一个无竞争 时段(CFP)；以及在另一码信道中分配与所述CFP同时开始的至少一 个竞争时段(CP)。

根据另一代表性实施例，一种无线网络包括：多个无线站(STA)； 接入点(AP)，其可操作来授权所述STA对无线介质的访问；在单频 信道中具有多个码信道(cch)的超帧；在至少一个所述码信道中的至 少一个无竞争时段(CFP)；以及在另一码信道中的与所述CFP同时开 始的至少一个竞争时段(CP)。

附图说明

当结合附图阅读时，通过下面的详细描述本发明将被最好地理解。 需要强调的是，各种特征不必按比例绘制。实际上，为了讨论清楚起 见，可以任意增加或减小尺寸。

图1是根据代表性实施例的WLAN的简化示意图。

图2是根据代表性实施例的具有竞争时段(CP)和无竞争时段(CFP) 的超帧结构的概念图。

图3是根据代表性实施例的请求发送应用帧(RTSapp)格式的概 念图。

图4是根据代表性实施例的清除发送累积(CTScum)帧的概念图。

图5是根据示例实施例的时序图的概念图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，为了说明而非限制的目的，阐述了公开特 定细节的示例实施例，以便提供对示例实施例的完整理解。然而，对 于已经从本公开受益的本领域普通技术人员来讲，与这里公开的特定 细节相背离的其他实施例将是显而易见的。此外，可以省略众所周知 的设备、方法、系统和协议的描述，以避免本发明的描述模糊。然而， 根据示例实施例，可以使用在本领域普通技术人员视野范围内的这样 的设备、方法、系统和协议。最后，无论实际情况怎样相同的参考标 号指代系统的特征。

注意到，在这里描述的说明性实施例中，网络可以是具有集中架 构的无线网络。所述无线网络包括具有更新的(较新的)调制和帧格 式的无线站(STA)以及传统的STA。说明性地，所述网络可以是在(传 统的)IEEE 802.11标准下运行的网络，并且包括具有符合IEEE 802.11n 或其任何后代的MAC层的一个或多个无线站。如将从本公开的综述而 认识到的，所述说明性实施例的MC-MAC是基于CDMA的系统。然而， 本教导不限于由IEEE 802.11协议管理的MAC层，并且可以预期在其 他网络/协议中应用本教导。这些网络包括但不限于：蜂窝网络；无线 局域网(WLAN)；时分多址(TDMA)协议；CSMA；具有冲突避免的CSMA (CSMA/CA)；以及频分多址(FDMA)。需要强调的是，这些协议仅是 说明性的，并且在不背离实例实施例的情况下，可以使用除了这些具 体提及的协议以外的协议。此外，示例实施例可应用到包括在更新的 调制和帧格式下运行的STA以及传统的STA的各种集中式网络。

图1是根据示例实施例的无线网络100的示意图。无线网络100 包括AP(主机)102内的集中MAC层，作为示例，该AP(主机)102 根据上述多个说明性协议中的一个协议运行。AP 101根据所选择的协 议为多个第一STA(无线设备)101服务。说明性地，网络100是WLAN、 广域网(WAN)或移动电话网，并且STA(设备)102是计算机、移动 电话、个人数字助理(PDA)或典型地在这样的网络中运行的类似设备。 如由双向箭头指示的，设备101可双向通信；并且AP 102和设备101 可以双向通信。

注意到，根据某种MAC层协议，从STA的一个设备到STA的另一 设备的通信不是直接的；而是，这样的通信经过主机102，主机102 然后(使用已知调度方法)将通信传输到正确的接收方设备101。

还要注意到，尽管仅示出一些STA 101，但是这只是为简化讨论起 见。显而易见，可使用许多其他的设备101。最后，注意到，各设备 101不必是相同的。实际上，在网络100中可使用在所选择的协议下运 行的许多不同的设备。

图2是根据示例实施例的时间表200，并且示出了根据代表性实施 例的WLAN中的时间划分的基本特征。当结合图1的说明性实施例回顾 时，将最好地理解时间表200。以信标201的传输开始并且其持续时间 等于目标信标传输时间(TBTT)的间隔被定义为超帧201，并且包括集 中模式的基本元素。

图2的超帧示出一个频率信道的带宽分配。自然地，该原则被有 效地应用到由WLAN 100的AP 102和MC-MAC控制的多个频率信道。仅 详细讨论了一个信道，以避免使说明性实施例的描述模糊。该信道被 按时间和码划分为各子信道，并且子信道被称为码信道(cch)，如图 2所示。码信道的时间划分提供了CP和CFP。在CP期间，网络运行服 从在G.Orfanos、J.Habetha、L Liu的“MC-CDMA based IEEE 802.11 wireless LAN”(IEEE MASCOTS 2004的会议纪要，2004年10月)中 描述的C-DCF的规则；而在CFP期间，AP 102控制如由802.11a/e 所提供的网络。所引用的IEEE出版物通过引用特别地合并于此。

如将认识到的，在CP期间，STA 101基本自由地访问子信道或码 信道(cch)；而在CFP期间，cch访问由AP 102分配。可用资源的划 分根据在信标中包含的广播信息在时域和码域两者中进行。值得注意 的是，图2中示出示例的分配频带，其中在超帧持续时间的60％，CP 在码信道(cch)3和cch4中运行。

在所选择的间隔，(集中式)网络100的AP 102传输信标。众所 周知，各信标202之间的时段通常被称为超帧。在网络100的范围内 接收信标。在示例实施例中，STA 101在网络100内请求服务。例如， STA 101可以在802.11协议下运行。这样的协议经常被称为“先听后 说(listen before talk)”协议。同样，在接收信标后可能出现STA 101和AP 102之间的请求发送(RTS)和清除发送(CTS)交换。可以 认识到，在一个或多个设备保留在主机101的范围内的同时，该过程 继续。在第一超帧间隔终止后，传输另一信标，指示第二超帧间隔的 开始。

AP 102在紧接其初始化后的信标时段202期间传输(第一)信标， 并且向网络信令传输运行特性。除了IEEE 802.11a信标中包含的信息 外，AP 102声明对于如图2所示的每个cch的CFP 204的持续时间。 这种在各cch之间进行不同的CFP/CP分配为网络增加了灵活性。启动 新连接的STA对于其第一次传输可以使用CP，从而减少其直到其被准 用CFP的资源为止的延迟。此外，具有较低负载或尽力而为业务的STA 可以在CP下连续运行。必须注意到，CFP的总持续时间依赖于网络通 信量，并且可以通过AP在每个超帧中对每个cch调整。

在信标时段终止时并且在保护间隔(未示出)终止后，AP 102进 行累积CTS(CTScum)203传输。在代表性实施例中，CTScum 203传 输向网络100的所有STA 101提供所有CTS命令。为此，每个STA 101 传输一个或多个RTS到AP 102。CTScum 203在所有cch中传输，并且 包含用于在每个cch中的CFP期间即将到来的传输的信息，从而对需 要的STA提供介质访问授权。每个访问授权(CFP)包含建立连接的对 应发送方和接收方的地址。可替代地，访问授权包含连接标识符。

作为示例，额外字节的CTScum表示(signal)先前声明的访问授 权的周期性重复直到超帧的结束为止，以便减小开销。同样，向每个 STA 102通知每个cch中的CFP。每个STA 101从该广播中储存用于访 问介质的所分配的时间和子信道。有利地，CTScum 203减小了MC-MAC 的开销，并且因此改进了服务质量(QoS)。

在CTScum 203的终止后，每个cch在各自的CFP 205中。CFP 205 需要在IEEE 802.11x下或在如上合并的所引用的IEEE出版物的教导 下运行。在该时段期间，AP 102维持对介质的控制，其中对所述介质 的访问已经在信标时段202或CTScum 203期间授权。AP 102还对每个 cch声明CFP 205的持续时间。

在CFP 205的终止后，各个cch进入超帧201的时段206中的CP 或CFP之一。在超帧201的该部分期间，某些cch限制STA 101进行 CFP访问，而某些cch允许STA 101自由访问信道。在时段206的终止 后，如图2所示，随着下一个信标时段开始下一个超帧。

一些总的看法值得讨论。首先，CFP时段205和时段206的顺序仅 是说明性的。值得注意的是，这些时段的时间顺序可以与图2所示的 时间顺序颠倒。此外，AP 102广播时段205和206的分配，并且特别 是在时段206内被分别控制(CP)和允许自由访问(CFP)的cch的号 码、标识和定时。AP 102基于在之前超帧期间从STA 101接收的RTS 分组确定需求，并且试图相应地分配访问，以除其他已知的益处之外 满足请求并提供恰当的QoS。

如从本公开受益的本领域普通技术人员将认识到的，在时段206 中在各cch之间分配CFP/CP为网络100增加了灵活性。例如，启动STA 101自身和AP 102之间以及各STA 101自身之间的新连接的STA 101 可以对其第一次传输使用CP，从而降低直到其被准用CFP的资源为止 的延迟。此外，具有较低负载或尽力而为业务的STA可以在CP下连续 运行。必须注意到，CFP的总持续时间依赖于网络通信量，并且可以通 过AP在每个超帧中对每个cch调整。

根据说明性实施例，在许多并行cch中进行信道带宽划分实现了 集中和分散模式的并行运行，这对支持网络中的不同通信量特性是非 常重要的。在具有可变扩频系数(SF)的系统中，可以为在CP期间信 令化和传输而保留一个cch，其中扩频系数将定义其容量。至少出于下 面的原因，这样的信道是有用的：

1.因为任何STA 101可以使用该cch以用于在任何时间发送CFP 的访问请求，所以减少了访问延迟。

2.可以更容易地避免来源于同一信道上的CP和CFP的运行的不可 预期的信标延迟和冲突，这是因为两个传输时段的分离在码域发生， 而不是通常的IEEE 802.11a/e的时分复用(TDM)方法。

3.具有高服务质量(QoS)需求的STA 101(例如，在医疗或紧急 应用中所使用的STA)可以在整个CFP时间中传输，从而可以保证传输 延迟。

此外，本教导还考虑根据信标中包含的广播信息，在时域和码域 中，在CP和CFP之间划分可用资源。在每个超帧中，CP在码域中的位 置和CP的持续时间可以变化。此外，通过RTSapp帧的传输，向AP或 网络的任何其他控制实体或对等接收方信令传输要发送的数据量。 RTSapp帧包含要传输的数据量，或按照通信量分类的传输请求。而且， 还在控制帧(例如，CTScum)中信令传输要在CFP期间传输的下行链 路、上行链路、直接链路、转发通信量。该帧包含用于在每个cch中 的CFP期间即将到来的传输的信息，即所谓的访问授权。每个介质访 问授权包含建立连接的对应发送方和接收方的地址。

可替代地，访问授权包含连接标识符。额外字节的CTScum表示之 前声明的访问授权的周期性重复，直到超帧的结束。此外，对于上次 连接，AP可以在CTScum帧中调度在其控制范围内所有跳的传输，从而 降低在多跳连接时介质访问尝试的延迟和数量。而且，如果在联系期 间每个MAC实体被AP给予唯一ID，则可以实现报头压缩。然后通过给 定ID和AP MAC地址可以区分各MAC实体。还公开了使用上述方法的 硬件设备。

图3是根据代表性实施例的请求发送应用帧(RTSapp)格式的概 念图。STA通过向AP发送RTSapp帧来请求用于传输的CFP资源。该帧 在CP期间服从C-DCF访问规则地被发送，并且包含要传输的数据量或 按照通信量分类的传输请求。后者定义引导AP适当调度用于该MS的 传输的传输速率。在S.Heier.Leistungsbewertung der UMTS Funkschnittstelle.Dissertation，Aachen University，2003，ISBN 3-86073-167-9中可以找到其进一步细节。此外，可以根据例如IEEE 802.11e/D9：“Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and physical layer(PHY)specifications：Medium Access Control(MAC) Enhancements for Quality of Service(QoS)，Technical Specification，IEEE LAN/MAN Standard Committee.IEEE，2004年8 月。”提供最大容许延迟。所述论文和IEEE规范的公开内容特别地通 过引用合并与此。

图4是根据代表性实施例的清除发送累积(CTScum)帧的概念图。 在信标传输之后，在例如一个时隙的保护间隔后跟着传输清除发送累 积(CTScum)帧。如前所述，类似信标，CTScum在所有cch中被传输， 并且包含用于在每个cch中的CFP期间即将到来的传输的信息，即所 谓的访问授权。每个访问授权包含建立连接的对应发送方和接收方的 地址。可替代地，访问授权包含连接标识符。额外字节的CTScum表示 之前声明的访问授权的周期性重复直到超帧的结束，以便减小开销。

为了进一步减小开销，本教导考虑以集中模式进行地址压缩。为 此，STA 101在与AP 102关联后存储用作其标识符的唯一的一字节长 地址，而非标准的6字节长地址。一字节足以支持子网中的255个STA， 并且与子网标识符一起为每个STA提供唯一的地址。此外，为明显区 分各STA，所需要的MAC地址号可以(从4字节)减小到最小三字节， 其包括源、目的地和子网地址。在IEEE 802.11无线LAN介质访问控 制(MAC)和物理层(PHY)规范：Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and physical layer(PHY)specifications，Technical Specification，IEEE LAN/MAN Standard Committee.IEEE，1999年7 月；和无线LAN介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范：Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and physical 1ayer(PHY) specifications，Technical Specification，IEEE LAN/MAN Standard Committee.IEEE，1999年7月中可以找到进一步细节。所引用的IEEE 规范的公开内容特别地通过引用合并于此。

根据访问授权，STA以预定顺序启动cch中的传输。以在短帧间间 隔(SIFS)时间后传输的应答(ACK)帧来对数据分组的正确接收进行 应答。由于SIFS主要由发送方周转时间定义，因此相同的间隔将ACK 与下一数据帧分离，以便允许从相同MS进行数据分组的连续传输。在 图5中给出示例。

如图5所示，在两个cch中，在超帧持续时间的40％后，CFP到期。 然后在cch2和cch4中允许CP运行。根据最后信标帧中的TBTT声明， AP在集中协调功能帧间间隔(PIFS)中感测出信道空闲后开始信标传 输。为了避免与信标的冲突，CFP的资源授权考虑TBTT，并且当到达 TBTT时，在CP下运行的接收先前信标的STA应当放弃传输。

针对本公开，注意到，这里描述的各种方法和设备可以在硬件和 软件中实现。此外，仅通过示例而非在任何限制含义下包括所述各种 方法和参数。针对本公开，本领域技术人员在确定他们自己的技术和 实现这些技术所需的设备时可以实现各种示例设备和方法，而仍然在 所附权利要求的范围内。