專利名稱：正交頻分復用802.11網絡物理幀和mac幀新的構造方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，特別涉及正交頻分復用(OFDM)無線局域網系統。
背景技術：
隨著社會生活越來越廣泛的對于信息的需求，網絡己經越來越成為人們R常生活不可缺 少的一部分。無線局域網因其接入靈活、不需要布線等優點，具有廣闊的發展前景。
IEEE802.il工作組針對無線局域網的應用需求提出了其無線局域網的解決方案，這就是 802.11無線局域網標準。到目前為止，802.11無線局域網物理層的標準主要有四個，即802.11， 802.11b， 802.11g和802.11a，媒體接入(MAC)層的標準主要有802.11和802.11e。在物理層標 準方面，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，使其物理層最高數據速率達到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的基礎上，加入了 OFDM工 作方式，物理層最高數據速率可達54Mbps， 802.11g和802.11b均工作在2.4G頻段；802.11a 標準工作在5G頻段，采用OFDM工作方式，物理層最高數據速率為54Mbps; 802.11g的OFDM 工作方式與802.11a采用了完全相同的實現方式，差別只在于工作頻段不同。在MAC層標準 方面，802.11定義了 802.11網絡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網絡的 用戶質量問題而提出的解決方案，提出了 HCF工作方式來實現局域網通信中的用戶質量。
現行802.11-OFDM(含802.11a和802.1 lg的OFDM方式)網絡的物理層采用約定的調制-編碼方式進行工作，不利于發射-接收站點克服室內信道的惡劣環境和提高物理層的數據速 率。在室內環境下，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制-編碼方式進行物理層的 數據傳輸，以提高無線局域網數據傳輸的效率。目前，北京新岸線公司已經提出了其家庭無 線局域網的解決方案，在其物理層的數據傳輸中，允許不同站點間采用私用的調制-編碼方式。
DCF是802.11網絡的基本工作方式，在DCF方式下，無線局域網內的各個站點通過隨
機競爭占用信道。在通過隨機競用力式分配信道的802.11網絡中，站點之間必須采用約定的 調制-編碼方式中的一種在物理層進行數據傳輸，使網絡內的所有接收站點都能檢測出當前傳 輸的MAC幀，而不能在物理層采用私用的丁作方式，如私用的調制、編碼方式等。這是 因為，在802.11系統MAC幀的幀頭中包含了一個Duration域，由802.11站點發送的MAC 幀通過該數據域向網絡內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該Duration值來設置自己的NAV(網絡分配向量)參數，使其自身在 該段時間內不占用信道。當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 讀到關于該次通信的Duradon信息，因而，在當甜通信存在隱藏節點時，數據包的碰撞就會 不可避免地產生。
本發明對802.11-OFDM網絡提出了一種新的物理幀和MAC幀的構造方法，使得該網絡 內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據，而不影響網絡MAC層的正 常運行。并且，在現行802.11-OFDM網絡中采用該新構造的物理幀和MAC幀，也可使得網 絡的MAC層工作得更可靠。
發明內容
對于802.11-OFDM網絡，提出了一種新的物理幀和MAC幀的構造方法，使得當局域網 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前通信尚需的信 道占用時間的信息。由于當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送給未參與通信的鄰近站點，當其用于現行802.11-OFDM網絡時，可 使得網絡的MAC層工作得更可靠。
802.11-OFDM網絡物理幀的幀結構如圖1所示，其包含了 Preamble, SIGNAL和數據體 三部分。Preamble用于實現當前物理幀的幀同歩、載波同歩、定時同歩和信道估計等功能。 SIGNAL設覽了數據體部分信號調制方式、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。數據體承載了 MAC幀數據，其采用SIGNAL中定義的 調制和編碼方式。
802.11-OFDM網絡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、解碼，在獲得了關于數據體的調制方式、編碼碼率和MAC幀幀長等信息后再對數 據體部分的數據進行解調、解碼。
在802.11-OFDM網絡中，SIGNAL符號采用BPSK調制、1/2碼率的巻積碼(由于存在6 個置尾0，實際碼率為3/8)，以保證該段數據達到最大的傳輸可靠性。圖2所示為SIGNAL
符號的結構，它包含24個數據比特，由RATE域、LENGTH域、Parhy域、保留位和置尾O(Signal Tail)五個部分構成，其中，6個字節長的置尾0用于巻積解碼，Parity域用于奇偶校驗。RATE 域定義了當前物理幀的數據速率，由于每種物理層數據速率對應于一種特定的調制-編碼組 合，因此，其等價地定義了數據體的調制、編碼方式。LENGTH域放置了關于當前物理幀所 承載的MAC幀幀長(單位為字節)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網絡MAC幀可一般性地表示為圖3所示的幀結構。不同類型的MAC幀包含不同 的數據域，但所有的MAC幀均包含Frame 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域表示的是當前站點在與AP進行關聯 時的關聯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信息的設置與數據幀的傳送方式相關。根 據802.11協議，由不同的數據幀傳送方式設置Duration信息的方法如表1所示。
表1不同數據幀傳送方式下Duration信息的設置方法
數據幀傳送方式設置方法
PCF T作方式設置為固定值32768
DCF，廣播、多播幀設置為O
DCF,單播，Data幀或Management幀 未采用分片方式傳輸當前數據包傳輸完畢到 本次通信結束之間的時間(F)
DCF，單播，Data幀或Management幀采用分 片方式傳輸，當甜分片存在后續分片當稱數據包傳輸完畢到完成 對下-一個分片的應答之間的時間Ois)
DCF，單播，Data幀或Management幀采用分 片方式傳輸，當前分片不存在后續分片當稱數據包傳輸完畢到本次通信結束 (即完成對當前分片的應答)之間的時間Ois)
本發明將802.11MAC幀中的Duration信息置入其物理幀的SIGNAL符號中，從而使局 域網內的所有站點僅利用物理幀中的SIGNAL符號即可獲知當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據體的解碼。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，當接收站點接收到當前物理幀后，就可根據其MAC幀幀頭中的幀長信息對當前 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網絡內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據，而不影響網絡 MAC層的正常工作。在允許物理層采用私用工作方式來數據傳輸的802.11網絡中，當接收 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，它就會知道當前 的MAC幀不是發給它的，并依據SIGNAL符號提供的本次通信尚需的信道占用時間的信息 在相應的一段時間內不競用信道
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，即使局域網不允許 其站點按照私用的工作方式傳輸數據，也能使網絡的MAC層工作得更可靠。這是因為當 局域網內的任一發射站點選ffl協議規定的一種調制-編碼/j式在物理層傳輸數據時，與該站點 距離不同的站點對由其發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網絡MAC層工作的 隱患。由于SIGNAL符號采用低階調制和低碼率，是802.11-OFDM系統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網絡的MAC層能夠工作得更可靠。
圖1 802.11-OFDM網絡物理幀的幀結構
圖2 802.11-OFDM網絡物理幀SIGNAL符號的結構
圖3 802.11網絡MAC幀的幀結構
圖4本發明構造的SIGNAL符號的結構
圖5本發明構造的MAC幀的幀結構(非PS-Poll幀)
圖6本發明構造的PS-Poll MAC幀的幀結構
具體實施例方式
802.11-OFDM網絡物理幀的結構包含了 Preamble、 SIGNAL和數據體三部分(見圖1)。 Preamble用于實現當前物理幀的幀同歩、載波同歩、定時同歩和信道估計等功能。SIGNAL 中設置了數據體部分的信號調制方式、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。數據體承載了 MAC幀數據，采用SIGNAL符號中定義的調制 和編碼方式。
進一步地，SIGNAL符號通過采用BPSK調制、1/2碼率的巻積碼(由于存在6個置尾0，
實際碼率為3/8)構造成一個OFDM符號，其包含了 24個數據比特。SIGNAL符號的結構如
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域定義了當前物理 幀中數據體的數據速率，實際上是等價地定義了物理幀數據體的調制、編碼方式。LENGTH 域放置了關于當前物理幀所承載的MAC幀的幀長信息(單位為字節)。
新構造的SIGNAL符號的結構如圖4所示，圖中，新定義的數據域己經用黑體標出。新 構造的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。當前數據幀為PS-Poll幀時，該域用特定的保留值進行表 示。
802.11協議規定的MAC幀最大幀長為2346字節。首先考慮DCF工作方式下發送單播 數據幀的情況。在不采用分片傳輸情況下，該種通信所需要表示的最大Duration值應當是在 RTS-CTS-DATA-ACK方式的通信中DATA幀采用最大幀長(2346字節)、各數據幀均采用 6Mbps數據速率(BPSK調制、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MAC層采用分片傳輸時，該種通信所需要表示的最大Duration 值應當是在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)、各數據幀均采用6Mbps數據速率(BPSK調制、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域可設置為0。在PCF工作方式下，DURATION 域可放入一個固定的保留值。當非AP站點向AP發送PS-Poll幀時，按802.11協議的規定， 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 保留值向局域網內的站點標明這是一個PS-Poll幀即可。注意到，在802.11-OFDM系統中， 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工作方式下的數據幀用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工作方式下的數據幀4095
802.11MAC幀的幀結構如圖3所示。不同類型的MAC幀所包含的數據域有所不同，但 所有的MAC幀均包含Frame 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域表示的是當前站點在與AP進行關聯時的關聯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 時可以知道其結束位置。為此，我們在802.11的MAC幀中設置一個Length域，將原來放在 物理層SIGNAL符號中的LENGTH信息(12比特)放入此數據域中。該Length域的長度設為 2字節，與原Duration域的長度相同。
對于非PS-Poll類型的數據幀，本發明新構造的MAC幀幀結構如圖5所示，圖中，新定 義的數據域已經用黑體標出。該幀結構與802.11協議的原MAC幀幀結構的差別是將幀頭中 原來的Duration域置換成了 Length域。
對于PS-Poll幀，新構造的MAC幀幀結構如圖6所示，圖中，新定義的數據域已經用黑 體標出。該幀結構與802.11協議的原PS-Poll幀幀結構的差別在于在其幀頭中增加了一個 Length域。
權利要求
1.一種正交頻分復用802.11網絡物理幀和MAC幀新的構造方法，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幀幀頭中包含了當前MAC幀幀長的信息；通過采用該物理幀和MAC幀的構造方法，可使得802.11網絡能夠允許其站點間在物理層采用私用的工作方式——如私用的調制、編碼方式——傳輸數據，而不影響網絡MAC層的正常運行。
2. 根據權利要求1所述的JH交頻分復用802.11網絡物理幀和MAC幀新的構造方法，其特征 在于，未對物理幀作新的構造之能的物理層是802.11a協議定義的物理層，或者是802.11g 協議定義的OFDM物理層。
3. 根據權利要求]所述的JH交頻分復用802.11網絡物理幀和MAC幀新的構造方法，其特征 在于，未對MAC幀作新的構造之前的MAC層為802.11協議定義的MAC層。
4. 根據權利要求1所述的IF.交頻分復用802.11網絡物理幀新的構造方法，其特征在于，其 SIGNAL符號的構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. 根據權利要求1所述的lH交頻分復用802.11網絡MAC幀新的構造方法，其特征在T，其 MAC幀幀頭的構造方法該幀頭中存在一個Length域，放置了正交頻分復用802.11網絡SIGNAL符號中LENGTH 域的信息，即關于MAC幀幀長的信息； 該幀頭中不包含原MAC幀幀頭中的Duration域。
6. 根據權利要求4所述的TE交頻分復用802.11網絡物理幀和MAC幀新的構造方法，其特征 在于SIGNAL符號的構造方法，其DURATION域的構造方法它由12比特構成；其在DCF工作方式下的設置方法為(1) 本次通信傳輸的是廣播、多播幀，其值設置為O，(2) 本次通信傳輸的是單播幀，且未采用分片方式傳輸時，其值設置為從當前數據包傳輸完畢到本次通信結束之間的時間，單位為微秒，(3) 本次通信傳輸的是單播幀且采用分片方式傳輸、當前通信傳輸的分片存在后續分片時， 其值設置為從當甜數據包傳輸完畢到完成對下一個分片的應答之間的時間，單位為微 秒，(4) 本次通信傳輸的是單播幀且采用分片方式傳輸、當前通信傳輸的分片為最后一個分片 時，其值設置為從當前數據包傳輸完畢到本次通信結束之間的時間，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.根據權利要求5所述的iH交頻分復用802.11網絡物理幀和MAC幀新的構造方法，其特征 在于MAC幀幀頭的構造方法，其Length域的構造方法 它由2個字節構成；其數值表示當前MAC幀的幀長，單位為字節。
全文摘要
一種正交頻分復用802.11網絡物理幀和MAC幀的新的構造方法，屬于無線通信技術的領域。在新構造的物理幀的SIGNAL符號中包含了當前通信尚需的信道占用時間的信息，在新構造的MAC幀幀頭中包含了MAC幀幀長的信息。通過采用該構造方法，可使得802.11網絡能夠允許其站點間在物理層采用私用的工作方式傳輸數據，也可使得802.11網絡的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 優先權日2006年10月20日
發明者劉謙雷, 鮑東山 申請人:鮑東山