在基于CSMA/CA协议的通信网中的拥塞控制

摘要

本发明涉及用于通信系统的拥塞控制方法，该通信系统支持用于在至少第一通信设备与第二通信设备之间通信的分层的无线电信道结构，所述分层的结构至少包括物理层和介质访问层。所述通信系统被安排成提供具有第一优先级顺序的第一类型服务和具有第二优先级顺序的第二类型服务，在该通信系统中，包括前同步和净荷的消息可以在设备之间传送，每个消息被至少对应于两个消息之间的最小允许时段的时段分隔开。在所述方法中，第一通信设备首先(a)生成(301)属于第一类型服务的物理层消息；(b)侦听(303)无线电信道空闲达至少对应于两个消息之间的最小允许时段的时段；以及(c)传送(305)所述物理层消息，该物理层消息包括指示所述消息所属的服务类型的特定前同步，其中该前同步的内容被安排成由处于通信范围内的第二通信设备检测，而不管所传送的消息的净荷的译码状态如何。

说明书

技术领域

本发明涉及用于通信系统的拥塞控制方法。本发明还涉及对应的计算机程序产品和通信设备。

发明背景

在无线通信网中，为了得到平滑运行的网络，由此为它的用户提供良好的服务质量(QoS)，拥塞控制是一个需要解决的问题。通信网中的“拥塞”通常被理解为是这样一种状况，其中网络由于容量不足或业务量过载而不能递送已供给的负荷。拥塞的结果是服务的QoS的降级，即，较低的吞吐量、较高的端到端分组延迟，或者在某些严重的情形下甚至是分组的丢弃。

已经知道一些通信网，其就安全而言可以提供两种不同类型的服务。第一类服务只包括与安全或保密有关的服务，而另一个服务类型提供其它类型的服务，即，与安全无关的服务。这种系统的例子是打算用于改进驾驶的安全性和舒适性的无线车辆间通信(IVC)系统。通常，由IVC系统提供的服务可分成两种类别，即，安全服务和非安全服务。

在IVC系统中，安全服务预先向驾驶员提供有关危急状况的信息。这种类别的典型应用包括违反交通信号警告、紧急电子刹车灯、预碰撞警告、合作的危险警告传播、车道改变警告等等。由于这些种类的应用与在高速车辆环境下的人身安全紧密相关，所以其被表征为对于可靠度和等待时间(latency)的严格要求，等待时间通常小于100毫秒。另一方面，非安全服务打算用于增强驾驶舒适性和提高运输系统的效率，其与安全服务相比通常被指派以较低的优先级。这一类别的应用，包括交通消息传播、通行费收取、电子地图下载、多媒体应用等等，通常需要更大的带宽。

由于在几百米直到一千米的本地范围内提供具有低等待时间的高速率数据传输的能力，电气和电子工程师协会(IEEE)802.11无线局域网(WLAN)技术被广泛接受作为用于下一代IVC系统的、启用的介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)的技术。IEEE WLAN MAC是基于带有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)，其中每个站遵循先听后说(listen beforetalk)和随机回退(backoff)方案以避免冲突，正如在IEEE 802.11标准中规定的分布式协调功能(DCF)。安全服务的优先级是通过指派相对较短的信道侦听时间和较小的随机回退时隙数生成窗口而被准予的，正如在IEEE 802.11e标准中规定的增强的分布式信道访问(EDCA)功能。然而，在其中信道资源由具有第一顺序优先级的服务(诸如安全应用)和具有第二顺序优先级的服务(诸如非安全应用)共享的系统中，例如IEEE802.11p，安全应用的QoS可能由于由非安全应用所引起的信道拥塞而被损害。在这些其中信道资源由安全和非安全服务共享的系统中，即使已经把更高的优先级指派给安全应用，非安全服务也可能耗尽信道资源。因此，希望避免拥塞，以便防止具有第一顺序优先级的服务的QoS降级。

因此，需要一种改进的拥塞控制方法。

发明概要

按照本发明的第一方面，提供了一种用于通信系统的拥塞控制方法，该通信系统支持用于在至少第一通信设备与第二通信设备之间通信的分层的无线电信道结构，所述分层的结构至少包括物理层和介质访问层，所述通信系统提供具有第一优先级顺序的第一类型服务和具有第二优先级顺序的第二类型服务，在该通信系统中，包括前同步和净荷的消息可以在设备之间传送，每个消息被至少对应于两个消息之间的最小允许时段的时段分隔开，所述方法包括由第一通信设备执行的以下步骤：

-生成属于第一类型服务的物理层消息；

-侦听无线电信道空闲达至少对应于两个消息之间的最小允许时段的时段；以及

-传送所述物理层消息，该物理层消息包括指示所述消息所属的服务类型的特定前同步，其中该前同步的内容被安排成由处于通信范围内的第二通信设备进行检测，而不管所传送的消息的净荷的译码状态如何。

这提供了改进拥塞控制的优点，并且这在提供被指派以不同优先级的两种不同类型服务的网络中是特别有利的。这样的服务的例子是例如安全和非安全应用。在这些情形下，安全服务有利地被给予更高的优先级，并且即使网络拥塞，安全消息仍可以由在该网络中运行的终端来传送以及可靠地接收。

按照本发明的第二方面，提供了一种包括指令的计算机程序产品，用于当被装载到任何通信设备的计算机装置上并在其上运行时，实施按照本发明的第一方面的方法。

按照本发明的第三方面，提供了一种用于通信系统的通信设备，该通信系统支持用于使能在至少所述通信设备与另一个通信设备之间进行通信的分层的无线电信道结构，所述分层的结构至少包括物理层和介质访问层，所述通信系统提供具有第一优先级顺序的第一类型服务和具有第二优先级顺序的第二类型服务，在该通信系统中，包括前同步和净荷的消息可以在设备之间传送，每个消息被至少对应于两个消息之间的最小允许时段的时段分隔开，所述通信设备包括：

-物理层消息生成器，用于生成属于第一类型服务的消息；

-无线电信道检测器，用于侦听无线电信道空闲达至少对应于两个消息之间的最小允许时段的时段；以及

-发射机，用于传送所述物理层消息，该物理层消息包括指示所述消息所属的服务类型的特定前同步，其中该前同步的内容被安排成由处于通信范围内的另外的通信设备进行检测，而不管所传送的消息的净荷的译码状态如何。

附图简述

参照附图，从以下的非限制的示例性实施例的说明中，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：

-图1显示被安排成互相通信的三辆汽车；

-图2显示在图1的汽车之间沿时间线传送的可能消息，当时在汽车B和C之间有正在进行的非安全消息的通信；

-图3是图解按照本发明的实施例的简化流程图；

-图4显示按照本发明的实施例的、在图1的汽车之间沿时间线传送的可能消息；

-图5是图解按照本发明的另一个实施例的简化流程图；

-图6显示对于图5的流程图所示的状况，各个汽车和所传送的消息的关系；以及

-图7是按照本发明的实施例的通信设备的简化框图。

本发明实施例的详细说明

在以下的说明中，本发明的一些非限制的示例性实施例将在CSMA/CA系统中的DCF的上下文中被更详细地描述。然而，应当明白，本发明并不限于这种环境，而是本发明的教导同样可应用于采用其它多路访问方案——诸如频分多址(FDMA)——的通信系统。更具体地，在其中更详细地描述了本发明的一些实施例的CSMA/CA系统是IVC系统，这里物理层和MAC层是按照IEEE 802.11p标准实施的。

IEEE 802.11p现在已成为用于IVC系统的世界范围的WLAN标准。从物理层的角度来看，频道被划分成用于控制和安全服务或非安全服务的几个信道。用于控制和安全用途的信道也可以被称为控制信道(CCH)。DCF作为IEEE 802.11MAC的基本访问机制，通过使用CSMA/CA而在兼容的设备之间达到自动介质共享。在设备开始传输之前，它侦听无线介质以确定它是否为空闲。如果介质表现为空闲，则可以进行传输，否则设备将等待，直至正在进行中的传输结束为止。CSMA/CA机制要求在毗邻的帧传输之间有最小的规定间隔，也称为短的帧间间隔(SIFS)，这是最短的帧间间隔。设备将保证在试图传送之前介质已经空闲达规定的帧间间隔。

分布的帧间间隔(DIFS)被在DCF下运行的设备使用来传送数据帧。使用DCF的设备必须遵循两个介质访问规则：(1)设备仅仅在它的载波侦听机制确定介质已经空闲达至少DIFS时间时才被允许进行传送；以及(2)为了减小在访问介质的多个设备之间的冲突概率，设备将在延期之后或在成功传输后试图传送另一个帧之前选择一随机回退间隔。有数据分组要传送的设备抽取介于0到争用窗口(CW)之间的随机数，该随机数确定以时隙数目计的、回退定时器的持续时间。

图1显示在其中可以应用本发明的教导的环境。在图1中，显示了第一通信设备A、第二通信设备B和第三通信设备C，在本例中，所有的这些设备都是汽车。在此例中，这些汽车被安排成按照IEEE 802.11p标准直接地互相通信。因此，在无线设备之间的通信通过空中进行。

如图1所示，在这种情景下，三辆汽车A、B和C正朝着相同方向行驶。所有的汽车处在互相的通信范围内。现在可以考虑这样一种情形，其中汽车A想要传送警告消息给在它的通信范围内的其它汽车，但在传统的系统中，如果汽车B和C已经有正在进行的通信会话，则这是不可能的。这是由于下面已确认的三个问题：

1)虽然按照802.11MAC协议，安全消息对于访问信道具有更高的优先级，但由于信道当前被从汽车C到汽车B的非安全传输占用，所以在汽车A处生成的警告消息必须等待，直至信道变为空闲达至少对应于点帧间间隔(PIFS)的时段为止。

2)在从汽车C到汽车B的非安全数据帧结束时，按照IEEE 802.11MAC，必须设置网络分配向量(NAV)，直至从汽车B到汽车C的预期的确认(ACK)帧结束。所以，警告消息不能从汽车B所传送的ACK帧夺取信道资源，因为ACK帧通过仅仅对应于SIFS-这是最短的帧间间隔-的时段而与非安全帧分开。

3)按照IEEE 802.11e MAC协议，在ACK帧之后，只要准予汽车C的传送机会(TXOP)没有期满，则汽车C可以在SIFS后继续进行传输，而不用执行回退。TXOP是有界的时间间隔，在此期间，只要传输的持续时间不延伸到TXOP的最大持续时间之外，设备就可以发送尽可能多的帧。如果在汽车B与汽车C之间没有出现传输错误，在汽车A处的警告消息就必须等待直到这个TXOP结束，然后争夺信道访问。

图2显示在上述的情形下传送的消息，其中在汽车A处生成的警告消息由于在汽车B与C之间的正在进行的非安全传输而被延迟。

本发明中建议的解决方案打算通过使用基于中断的方案来从正在进行的、具有低优先级的传输夺取信道资源。在下面描述的例子中，这样的传输是指被预留用于非安全应用的传输。引入了专门设计的物理层会聚过程(PLCP)前同步——在下面的例子中是Warning_preample(警告前同步)，以便即使在来自其它传输的干扰下仍旧检测安全警告消息的出现。并且，提出了Warning_ACK(警告ACK)帧来使得在原始警告消息发射机的范围以外的发射机沉默，以便清理用于警告消息传播的信道资源。

PLCP前同步是被附着到每个IEEE 802.11a/p PLCP帧的开始处的正交频分复用(OFDM)码元图案的特定序列，用于在接收机处的定时获取、频率获取和自动增益控制(AGC)。PLCP前同步的接收不需要解调和译码。所以，即使在恶劣的信号对干扰与噪声比(SINR)的情形下，仍旧可以容易地检测到PLCP前同步。通过引入可容易地区分的PLCP前同步用于警告消息，即使在接收机处由于来自正在进行的非安全传输的干扰而引起警告消息主体的讹误，发射机仍可以指示危险警告消息的存在。

所建议的信道资源夺取方案是基于警告前同步和警告ACK可由以下的特征表征：

1)当在一设备处生成或接收到警告消息时——在以下的说明中该设备被称为“原始警告站”，这个设备将在已侦听到信道空闲达SIFS之后，传送带有警告前同步的警告消息。在信道侦听期间，由正在进行的非安全传输所造成的NAV设置被忽略；

2)已完成非安全分组传输且正期待来自接收机的ACK的任何设备如果在它自己的非安全帧传输后过SIFS检测到警告消息，则必须制止任何进一步的传输，并开始以用于非安全服务的最大争用窗口尺寸进行回退，而不管ACK或警告消息帧主体的译码状态如何；

3)在非安全分组接收期间已检测到警告前同步的任何设备必须在先前的非安全帧接收结束后过SIFS传送带有该警告前同步的警告ACK，而不管非安全和警告消息帧主体的译码状态如何。

接下来，参照图3的流程图和图4来描述本发明的第一实施例。在第一实施例中，如图1所示的三辆汽车处在互相的通信范围内。

首先，在步骤301，在从汽车C到汽车B的非安全传输期间，汽车A生成警告消息。在步骤303，汽车A侦听到该信道空闲达SIFS，然后在步骤304，汽车A忽略NAV设置，并在步骤305无延迟地传送带有警告前同步的警告消息。

由汽车A传送的警告消息可能与来自B的ACK帧冲突。然而，由于该警告消息所使用的警告前同步，汽车C仍旧可以检测到该警告消息的出现。因此，在步骤307，汽车C接收和检测来自汽车A的警告消息。

一旦汽车C检测到警告前同步，它就在步骤309制止进一步的传输，并开始以用于非安全服务的最大争用窗口尺寸进行回退。然后，最终在步骤311，信道被清理，以用于警告消息传播。以上的过程也被图示于图4，图4显示了按照时间线传送的不同消息。

接下来，参照图5的流程图和图6来描述本发明的第二实施例。在该实施例中，原始警告汽车A处在非安全发射机汽车C的通信范围以外，而非安全接收机汽车B处在原始警告汽车A的范围内。

首先，在步骤501，在从汽车C到汽车B的非安全传输期间，汽车A生成警告消息。在步骤503，汽车A侦听该信道空闲达SIFS，然后在步骤504，汽车A在传送清除-发送(CTS)消息时忽略由汽车B设置的NAV，并在步骤505无延迟地传送该带有警告前同步的警告消息。步骤501、503、504和505实际上是与上面解释的步骤301、303、304和305相同的。

由汽车A传送的警告消息可能与汽车B处正在进行的非安全传输冲突。然而，由于该警告消息所使用的警告前同步，汽车B仍旧可以检测到该警告消息的出现。因此，在步骤507，汽车B接收和检测来自汽车A的警告消息。应当指出，由于汽车C处在汽车A的范围以外，所以它不能接收来自汽车A的传输。

即使在汽车B处不能译码帧主体，在步骤509它仍旧能够在非安全帧结束后的SIFS内传送带有警告前同步的警告ACK。一旦汽车C接收到该警告ACK，或在检测到警告前同步后，汽车C在步骤511制止进一步的传输，并开始以用于非安全服务的最大争用窗口尺寸进行回退。然后，最终在步骤513，信道被清理，以用于警告消息传播。以上的过程也被图示于图6，图6显示了沿时间线传送的不同的消息。

在图7中，显示了可以按照上面解释的教导运行的通信设备的简化框图。在图中，显示了包括天线703和RF部件705的发射机/接收机部分701，RF部件705的用途是选择来自天线703的进入信号，并放大所接收的信号。然后，还显示了物理层消息生成器707和MAC层消息生成器709，它们被安排来分别生成警告前同步和警告ACK帧。信道检测器711被使用来检测信道是否空闲或是否被预留用于通信。中央处理器(CP)713被使用来控制通信设备的总体运行。应当指出，在图7中仅仅显示了与本发明的教导有关的某些方框。其它方框在本上下文中被省略，但它们对于本领域技术人员来说是已知的。

本发明同样涉及一种计算机程序产品，当其被装载到以上提到的设备的计算机装置上并在其上运行时，能够实施本发明的实施例的任何的方法步骤。计算机程序可被存储/分布在与其它硬件一起提供的、或作为其它硬件的一部分而提供的适当的介质上，但也可以以其它形式，诸如经由互联网或其它有线的或无线的电信系统而被分发。

本发明同样涉及一种被安排来执行按照本发明的实施例的任何方法步骤的集成电路。

虽然在附图和以上的说明中详细地图解和描述了本发明，但这样的图解和描述被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

在实践所要求保护的本发明时，本领域技术人员通过学习附图、公开内容和所附权利要求，可以获知和实现所公开的实施例的其它变例。在权利要求中。单词“包括”不排除其它单元或步骤，以及不定冠词‘一’或‘一个’(“a”or“an”)不排除多个。单个处理器或其它单元可以完成在权利要求中叙述的几项的功能。仅仅是不同的特征在互相不同的从属权利要求中被叙述的事实，并不表明不能有利地使用这些特征的组合。在权利要求中的任何参考标号不应当被解释为限制本发明的范围。