專利名稱：正交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)物理幀和mac幀新的構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及正交頻分復(fù)用(OFDM)無線局域網(wǎng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著社會生活越來越廣泛的對于信息的需求，網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)越來越成為人們R常生活不可缺 少的一部分。無線局域網(wǎng)因其接入靈活、不需要布線等優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景。
IEEE802.il工作組針對無線局域網(wǎng)的應(yīng)用需求提出了其無線局域網(wǎng)的解決方案，這就是 802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，802.11無線局域網(wǎng)物理層的標(biāo)準(zhǔn)主要有四個，即802.11， 802.11b， 802.11g和802.11a，媒體接入(MAC)層的標(biāo)準(zhǔn)主要有802.11和802.11e。在物理層標(biāo) 準(zhǔn)方面，802.11定義了跳頻擴頻、直接序列擴頻和紅外三種工作方式；802.11b對802.11的直 接序列擴頻工作方式進行擴展，使其物理層最高數(shù)據(jù)速率達到11Mbps (甜者只能達到 2Mbps); 802.11g則對802.11b作進一歩的擴展，在兼容802.11b的基礎(chǔ)上，加入了 OFDM工 作方式，物理層最高數(shù)據(jù)速率可達54Mbps， 802.11g和802.11b均工作在2.4G頻段；802.11a 標(biāo)準(zhǔn)工作在5G頻段，采用OFDM工作方式，物理層最高數(shù)據(jù)速率為54Mbps; 802.11g的OFDM 工作方式與802.11a采用了完全相同的實現(xiàn)方式，差別只在于工作頻段不同。在MAC層標(biāo)準(zhǔn) 方面，802.11定義了 802.11網(wǎng)絡(luò)中工作站點占用信道的方式，即通過隨機競爭占用信道(DCF) 和AP(AccessPoint)通過中央控制占用信道(PCF)兩種方式，802.11e主要是針對802.11網(wǎng)絡(luò)的 用戶質(zhì)量問題而提出的解決方案，提出了 HCF工作方式來實現(xiàn)局域網(wǎng)通信中的用戶質(zhì)量。
現(xiàn)行802.11-OFDM(含802.11a和802.1 lg的OFDM方式)網(wǎng)絡(luò)的物理層采用約定的調(diào)制-編碼方式進行工作，不利于發(fā)射-接收站點克服室內(nèi)信道的惡劣環(huán)境和提高物理層的數(shù)據(jù)速 率。在室內(nèi)環(huán)境下，物理信號的傳輸存在著墻壁穿透、物體遮擋、墻壁反射等問題，不同的 發(fā)射-接收站點間更適宜于通過它們之間基十信道狀況而確定的調(diào)制-編碼方式進行物理層的 數(shù)據(jù)傳輸，以提高無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。目前，北京新岸線公司已經(jīng)提出了其家庭無 線局域網(wǎng)的解決方案，在其物理層的數(shù)據(jù)傳輸中，允許不同站點間采用私用的調(diào)制-編碼方式。
DCF是802.11網(wǎng)絡(luò)的基本工作方式，在DCF方式下，無線局域網(wǎng)內(nèi)的各個站點通過隨
機競爭占用信道。在通過隨機競用力式分配信道的802.11網(wǎng)絡(luò)中，站點之間必須采用約定的 調(diào)制-編碼方式中的一種在物理層進行數(shù)據(jù)傳輸，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有接收站點都能檢測出當(dāng)前傳 輸?shù)腗AC幀，而不能在物理層采用私用的丁作方式，如私用的調(diào)制、編碼方式等。這是 因為，在802.11系統(tǒng)MAC幀的幀頭中包含了一個Duration域，由802.11站點發(fā)送的MAC 幀通過該數(shù)據(jù)域向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它站點傳送本次通信尚需的信道占用時間的信息，未參加本次 通信的各個站點必須根據(jù)該Duration值來設(shè)置自己的NAV(網(wǎng)絡(luò)分配向量)參數(shù)，使其自身在 該段時間內(nèi)不占用信道。當(dāng)本次通信的兩個站點間采用私用的工作方式時，其它站點就不能 讀到關(guān)于該次通信的Duradon信息，因而，在當(dāng)甜通信存在隱藏節(jié)點時，數(shù)據(jù)包的碰撞就會 不可避免地產(chǎn)生。
本發(fā)明對802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)提出了一種新的物理幀和MAC幀的構(gòu)造方法，使得該網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)的任意一對站點均可采用私用的工作方式在物理層傳輸數(shù)據(jù)，而不影響網(wǎng)絡(luò)MAC層的正 常運行。并且，在現(xiàn)行802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)中采用該新構(gòu)造的物理幀和MAC幀，也可使得網(wǎng) 絡(luò)的MAC層工作得更可靠。

發(fā)明內(nèi)容
對于802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新的物理幀和MAC幀的構(gòu)造方法，使得當(dāng)局域網(wǎng) 中的任一對站點間釆用私用方式工作進行通信時、其它各個站點也能獲知當(dāng)前通信尚需的信 道占用時間的信息。由于當(dāng)前通信尚需的信道占用時間的信息能夠通過物理幀中的SIGNAL 符號以最可靠的方式發(fā)送給未參與通信的鄰近站點，當(dāng)其用于現(xiàn)行802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)時，可 使得網(wǎng)絡(luò)的MAC層工作得更可靠。
802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)物理幀的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包含了 Preamble, SIGNAL和數(shù)據(jù)體 三部分。Preamble用于實現(xiàn)當(dāng)前物理幀的幀同歩、載波同歩、定時同歩和信道估計等功能。 SIGNAL設(shè)覽了數(shù)據(jù)體部分信號調(diào)制方式、糾錯編碼方式和所承載的MAC幀的幀長等的信 息，它通過一個OFDM符號來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)體承載了 MAC幀數(shù)據(jù)，其采用SIGNAL中定義的 調(diào)制和編碼方式。
802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)中的所有接收站點在接收到一個物理幀后，均首先對SIGNAL符號進 行解調(diào)、解碼，在獲得了關(guān)于數(shù)據(jù)體的調(diào)制方式、編碼碼率和MAC幀幀長等信息后再對數(shù) 據(jù)體部分的數(shù)據(jù)進行解調(diào)、解碼。
在802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)中，SIGNAL符號采用BPSK調(diào)制、1/2碼率的巻積碼(由于存在6 個置尾0，實際碼率為3/8)，以保證該段數(shù)據(jù)達到最大的傳輸可靠性。圖2所示為SIGNAL
符號的結(jié)構(gòu)，它包含24個數(shù)據(jù)比特，由RATE域、LENGTH域、Parhy域、保留位和置尾O(Signal Tail)五個部分構(gòu)成，其中，6個字節(jié)長的置尾0用于巻積解碼，Parity域用于奇偶校驗。RATE 域定義了當(dāng)前物理幀的數(shù)據(jù)速率，由于每種物理層數(shù)據(jù)速率對應(yīng)于一種特定的調(diào)制-編碼組 合，因此，其等價地定義了數(shù)據(jù)體的調(diào)制、編碼方式。LENGTH域放置了關(guān)于當(dāng)前物理幀所 承載的MAC幀幀長(單位為字節(jié))的信息。顯然地，LENGTH域的信息是用于接收站點的MAC 幀解碼的，其它站點由于不需要對MAC幀進行完整的解碼，通常并不需要此信息。
802.11網(wǎng)絡(luò)MAC幀可一般性地表示為圖3所示的幀結(jié)構(gòu)。不同類型的MAC幀包含不同 的數(shù)據(jù)域，但所有的MAC幀均包含F(xiàn)rame Control域、Duration/ID域、FCS域和至少一個地 址域。在MAC幀的類型為PS-Poll時，其Duration/ID域表示的是當(dāng)前站點在與AP進行關(guān)聯(lián) 時的關(guān)聯(lián)ID信息。在其它所有類型的MAC幀中，Duration/ID域均表示Duration信息，即: 本次通信尚需的信道占用時間的信息。該Duration信息的設(shè)置與數(shù)據(jù)幀的傳送方式相關(guān)。根 據(jù)802.11協(xié)議，由不同的數(shù)據(jù)幀傳送方式設(shè)置Duration信息的方法如表1所示。
表1不同數(shù)據(jù)幀傳送方式下Duration信息的設(shè)置方法
數(shù)據(jù)幀傳送方式設(shè)置方法
PCF T作方式設(shè)置為固定值32768
DCF，廣播、多播幀設(shè)置為O
DCF,單播，Data幀或Management幀 未采用分片方式傳輸當(dāng)前數(shù)據(jù)包傳輸完畢到 本次通信結(jié)束之間的時間(F)
DCF，單播，Data幀或Management幀采用分 片方式傳輸，當(dāng)甜分片存在后續(xù)分片當(dāng)稱數(shù)據(jù)包傳輸完畢到完成 對下-一個分片的應(yīng)答之間的時間Ois)
DCF，單播，Data幀或Management幀采用分 片方式傳輸，當(dāng)前分片不存在后續(xù)分片當(dāng)稱數(shù)據(jù)包傳輸完畢到本次通信結(jié)束 (即完成對當(dāng)前分片的應(yīng)答)之間的時間Ois)
本發(fā)明將802.11MAC幀中的Duration信息置入其物理幀的SIGNAL符號中，從而使局 域網(wǎng)內(nèi)的所有站點僅利用物理幀中的SIGNAL符號即可獲知當(dāng)前通信尚需的信道占用時間的 信息，而不依賴于對物理幀數(shù)據(jù)體的解碼。在將本次通信尚需的信道占用時間的信息放入 SIGNAL符號后，SIGNAL符號中原來放置的MAC幀幀長的信息則須放入到MAC幀的幀頭 中。這樣，當(dāng)接收站點接收到當(dāng)前物理幀后，就可根據(jù)其MAC幀幀頭中的幀長信息對當(dāng)前 MAC幀進行解碼。
通過將原來放在802.11MAC幀的Duration信息置入其物理幀的SIGNAL符號，可以使 得802.11網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意一對站點均可采用私用的工作方式在物理層傳輸數(shù)據(jù)，而不影響網(wǎng)絡(luò) MAC層的正常工作。在允許物理層采用私用工作方式來數(shù)據(jù)傳輸?shù)?02.11網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)接收 站點對物理幀進行解碼而不能獲得正確的MAC幀或不能通過FCS檢驗時，它就會知道當(dāng)前 的MAC幀不是發(fā)給它的，并依據(jù)SIGNAL符號提供的本次通信尚需的信道占用時間的信息 在相應(yīng)的一段時間內(nèi)不競用信道
把尚需的信道占用時間的信息置入SIGNAL符號中的另一個好處是，即使局域網(wǎng)不允許 其站點按照私用的工作方式傳輸數(shù)據(jù)，也能使網(wǎng)絡(luò)的MAC層工作得更可靠。這是因為當(dāng) 局域網(wǎng)內(nèi)的任一發(fā)射站點選ffl協(xié)議規(guī)定的一種調(diào)制-編碼/j式在物理層傳輸數(shù)據(jù)時，與該站點 距離不同的站點對由其發(fā)送出的物理幀的解碼能力是不問的。那些距離較遠的站點因為不能 正確地解碼，仍然無法獲知本次通信的Duration信息，從而成為802.11網(wǎng)絡(luò)MAC層工作的 隱患。由于SIGNAL符號采用低階調(diào)制和低碼率，是802.11-OFDM系統(tǒng)的物理幀中傳輸信息 最為可靠的部分，把尚需的信道占用時間信息放入SIGNAL符號中，可以使盡可能多的接收 站點獲得該信息，從而使802.11網(wǎng)絡(luò)的MAC層能夠工作得更可靠。


圖1 802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)物理幀的幀結(jié)構(gòu)
圖2 802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)物理幀SIGNAL符號的結(jié)構(gòu)
圖3 802.11網(wǎng)絡(luò)MAC幀的幀結(jié)構(gòu)
圖4本發(fā)明構(gòu)造的SIGNAL符號的結(jié)構(gòu)
圖5本發(fā)明構(gòu)造的MAC幀的幀結(jié)構(gòu)(非PS-Poll幀)
圖6本發(fā)明構(gòu)造的PS-Poll MAC幀的幀結(jié)構(gòu)
具體實施例方式
802.11-OFDM網(wǎng)絡(luò)物理幀的結(jié)構(gòu)包含了 Preamble、 SIGNAL和數(shù)據(jù)體三部分(見圖1)。 Preamble用于實現(xiàn)當(dāng)前物理幀的幀同歩、載波同歩、定時同歩和信道估計等功能。SIGNAL 中設(shè)置了數(shù)據(jù)體部分的信號調(diào)制方式、糾錯編碼方式和所承載的MAC幀幀長等的信息，它 通過一個OFDM符號來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)體承載了 MAC幀數(shù)據(jù)，采用SIGNAL符號中定義的調(diào)制 和編碼方式。
進一步地，SIGNAL符號通過采用BPSK調(diào)制、1/2碼率的巻積碼(由于存在6個置尾0，
實際碼率為3/8)構(gòu)造成一個OFDM符號，其包含了 24個數(shù)據(jù)比特。SIGNAL符號的結(jié)構(gòu)如
圖2所示，其由RATE域、LENGTH域、Parity域、保留位和置尾O(Signal Tail)五個部分構(gòu)成， 其中，6個比特長的置尾0用于巻積解碼，Parity域用于奇偶校驗。RATE域定義了當(dāng)前物理 幀中數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)速率，實際上是等價地定義了物理幀數(shù)據(jù)體的調(diào)制、編碼方式。LENGTH 域放置了關(guān)于當(dāng)前物理幀所承載的MAC幀的幀長信息(單位為字節(jié))。
新構(gòu)造的SIGNAL符號的結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中，新定義的數(shù)據(jù)域己經(jīng)用黑體標(biāo)出。新 構(gòu)造的SIGNAL符號與原SIGNAL符號的主要差別是其使用了 一個DURATION域來表示表 1所示的本次通信的Duration信息。當(dāng)前數(shù)據(jù)幀為PS-Poll幀時，該域用特定的保留值進行表 示。
802.11協(xié)議規(guī)定的MAC幀最大幀長為2346字節(jié)。首先考慮DCF工作方式下發(fā)送單播 數(shù)據(jù)幀的情況。在不采用分片傳輸情況下，該種通信所需要表示的最大Duration值應(yīng)當(dāng)是在 RTS-CTS-DATA-ACK方式的通信中DATA幀采用最大幀長(2346字節(jié))、各數(shù)據(jù)幀均采用 6Mbps數(shù)據(jù)速率(BPSK調(diào)制、1/2巻積碼碼率)工作時RTS幀的Duration值，可以計算得到， 該最大Duration值為328^s。當(dāng)MAC層采用分片傳輸時，該種通信所需要表示的最大Duration 值應(yīng)當(dāng)是在DATA n - CTS -DATA n+1 - ACK方式的通信中DATA n+1幀采用最大幀長(2346 字節(jié))、各數(shù)據(jù)幀均采用6Mbps數(shù)據(jù)速率(BPSK調(diào)制、1/2巻積碼碼率)工作時DATA ti幀的 Duration值，可以計算得到，該最大Duration值也為3288ps。由于DURATION域為12位， 可表示的最大時長為4095ps，可滿足802.11-OFDM系統(tǒng)表示單播通信下Duration信息的要 求。在廣播或多播通信情況下，DURATION域可設(shè)置為0。在PCF工作方式下，DURATION 域可放入一個固定的保留值。當(dāng)非AP站點向AP發(fā)送PS-Poll幀時，按802.11協(xié)議的規(guī)定， 不需要在該MAC幀中放置信道占用時間的信息，因此，可在DURATION域放置一個特定的 保留值向局域網(wǎng)內(nèi)的站點標(biāo)明這是一個PS-Poll幀即可。注意到，在802.11-OFDM系統(tǒng)中， 物理幀的最短時長為20^is，所以，在新定義的DURATION域中，1 19可用作保留值。另夕卜， 4095也可用作保留值。
通過將單播或廣播多播方式下的Duration值(定義見表l)賦值給SIGNAL符號的 DURATION域，并通過對PCF工作方式和PS-Poll幀設(shè)置特定的保留值，可以得到表2所示 的SIGNAL符號中DURATION域的定義方法。在表中，PCF工作方式下的數(shù)據(jù)幀用4095來 表示，PS-Poll幀用l來表示。 一般性地，也可以選用其它的保留值來進行這種表示。
表2 SIGNAL符號DURATION域的定義方法
用法DURATION域數(shù)值
廣播多播幀0
PS-Poll幀1
保留2 19
單播方式下的Duration信息(ps)0,20 4094
PCF工作方式下的數(shù)據(jù)幀4095
802.11MAC幀的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。不同類型的MAC幀所包含的數(shù)據(jù)域有所不同，但 所有的MAC幀均包含F(xiàn)rame Control域、Duration/ID域、FCS域和至少一個地址域。在MAC 幀的類型為PS-Poll時，其Duration/ID域表示的是當(dāng)前站點在與AP進行關(guān)聯(lián)時的關(guān)聯(lián)ID信 息。在其它所有類型的MAC幀中，Dumtion/ID域均表示Duration信息，即本次通信尚需的
占用信道的時間，定義見表l。
由于SIGNAL符號中原來放置MAC幀幀長信息的位置已經(jīng)放置了原MAC幀中的 Duration信息，需要將MAC幀幀長信息放入MAC幀的幀頭，使接收站點在對MAC幀解碼 時可以知道其結(jié)束位置。為此，我們在802.11的MAC幀中設(shè)置一個Length域，將原來放在 物理層SIGNAL符號中的LENGTH信息(12比特)放入此數(shù)據(jù)域中。該Length域的長度設(shè)為 2字節(jié)，與原Duration域的長度相同。
對于非PS-Poll類型的數(shù)據(jù)幀，本發(fā)明新構(gòu)造的MAC幀幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中，新定 義的數(shù)據(jù)域已經(jīng)用黑體標(biāo)出。該幀結(jié)構(gòu)與802.11協(xié)議的原MAC幀幀結(jié)構(gòu)的差別是將幀頭中 原來的Duration域置換成了 Length域。
對于PS-Poll幀，新構(gòu)造的MAC幀幀結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖中，新定義的數(shù)據(jù)域已經(jīng)用黑 體標(biāo)出。該幀結(jié)構(gòu)與802.11協(xié)議的原PS-Poll幀幀結(jié)構(gòu)的差別在于在其幀頭中增加了一個 Length域。
權(quán)利要求
1.一種正交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)物理幀和MAC幀新的構(gòu)造方法，其特征在于在其物理幀的SIGNAL符號中包含了本次通信尚需的信道占用時間的信息；在其MAC幀幀頭中包含了當(dāng)前MAC幀幀長的信息；通過采用該物理幀和MAC幀的構(gòu)造方法，可使得802.11網(wǎng)絡(luò)能夠允許其站點間在物理層采用私用的工作方式——如私用的調(diào)制、編碼方式——傳輸數(shù)據(jù)，而不影響網(wǎng)絡(luò)MAC層的正常運行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的JH交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)物理幀和MAC幀新的構(gòu)造方法，其特征 在于，未對物理幀作新的構(gòu)造之能的物理層是802.11a協(xié)議定義的物理層，或者是802.11g 協(xié)議定義的OFDM物理層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求]所述的JH交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)物理幀和MAC幀新的構(gòu)造方法，其特征 在于，未對MAC幀作新的構(gòu)造之前的MAC層為802.11協(xié)議定義的MAC層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IF.交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)物理幀新的構(gòu)造方法，其特征在于，其 SIGNAL符號的構(gòu)造方法該符號的長度為1個OFDM符號；該符號中存在一個DURATION域，放置了 802.11 MAC幀中Duration域的信息，即關(guān)于本次通信尚需的信道占用時間的信息；該符號中不包含原SIGNAL符號中的LENGTH域。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的lH交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)MAC幀新的構(gòu)造方法，其特征在T，其 MAC幀幀頭的構(gòu)造方法該幀頭中存在一個Length域，放置了正交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)SIGNAL符號中LENGTH 域的信息，即關(guān)于MAC幀幀長的信息； 該幀頭中不包含原MAC幀幀頭中的Duration域。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的TE交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)物理幀和MAC幀新的構(gòu)造方法，其特征 在于SIGNAL符號的構(gòu)造方法，其DURATION域的構(gòu)造方法它由12比特構(gòu)成；其在DCF工作方式下的設(shè)置方法為(1) 本次通信傳輸?shù)氖菑V播、多播幀，其值設(shè)置為O，(2) 本次通信傳輸?shù)氖菃尾椅床捎梅制绞絺鬏敃r，其值設(shè)置為從當(dāng)前數(shù)據(jù)包傳輸完畢到本次通信結(jié)束之間的時間，單位為微秒，(3) 本次通信傳輸?shù)氖菃尾也捎梅制绞絺鬏?、?dāng)前通信傳輸?shù)姆制嬖诤罄m(xù)分片時， 其值設(shè)置為從當(dāng)甜數(shù)據(jù)包傳輸完畢到完成對下一個分片的應(yīng)答之間的時間，單位為微 秒，(4) 本次通信傳輸?shù)氖菃尾也捎梅制绞絺鬏?、?dāng)前通信傳輸?shù)姆制瑸樽詈笠粋€分片 時，其值設(shè)置為從當(dāng)前數(shù)據(jù)包傳輸完畢到本次通信結(jié)束之間的時間，單位為微秒；用特定的保留值表示PCF工作方式；用特定的保留值表示PS-Poll幀。 7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的iH交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)物理幀和MAC幀新的構(gòu)造方法，其特征 在于MAC幀幀頭的構(gòu)造方法，其Length域的構(gòu)造方法 它由2個字節(jié)構(gòu)成；其數(shù)值表示當(dāng)前MAC幀的幀長，單位為字節(jié)。
全文摘要
一種正交頻分復(fù)用802.11網(wǎng)絡(luò)物理幀和MAC幀的新的構(gòu)造方法，屬于無線通信技術(shù)的領(lǐng)域。在新構(gòu)造的物理幀的SIGNAL符號中包含了當(dāng)前通信尚需的信道占用時間的信息，在新構(gòu)造的MAC幀幀頭中包含了MAC幀幀長的信息。通過采用該構(gòu)造方法，可使得802.11網(wǎng)絡(luò)能夠允許其站點間在物理層采用私用的工作方式傳輸數(shù)據(jù)，也可使得802.11網(wǎng)絡(luò)的MAC層工作得更可靠。
文檔編號H04L29/06GK101166187SQ20061015058
公開日2008年4月23日 申請日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者劉謙雷, 鮑東山 申請人:鮑東山