Wlan差錯控制的製作方法
2023-09-22 20:27:40 2
專利名稱：Wlan差錯控制的製作方法
技術領域：
本發明一般而言涉及一種數據傳輸協議，尤其涉及用這種數據傳輸協議減少由於加擾器種子值傳輸錯誤而產生的錯誤傳播，其中在該協議中的高層上將差錯控制代碼增加到消息中，同時在該協議中的較低層上執行在傳輸之前的消息加擾，並且被用來啟動加擾器的種子在傳輸之前被添加到加擾消息中。
背景技術：
數據通信系統經常用術語「協議棧」來描述，該協議棧將操作該系統所需的任務序列分為邏輯上相關的被稱為「層」的組。在概念上，較高層具有較高層次的抽象；例如用戶應用在最高層，而在最低層上電路負責例如通過空中接口或通過銅線傳輸數據。
這種協議棧的一個例子是如在
圖1中以簡化形式表示的802.11無線LAN(WLAN)標準。802.11協議棧被分為MAC(媒體訪問控制)層和PHY(物理)層。在發送時，MAC層從上層獲得消息，添加尋址和檢差錯消息，檢查無線媒體是空閒的，以及將擴展的消息傳遞給PHY層。PHY層將數據格式化以用於傳輸，增加PHY特定的信息(例如前同步和傳輸速率信息)，對數據進行調製並將其發送到天線上。在接收機處，PHY層接收傳輸的數據，利用PHY特定的信息，並將MAC層消息傳遞給MAC層。這裡，檢查所接收的消息中的差差錯，並且如果該消息被尋址到所考慮的設備，則數據被向上傳遞給較高層。
這種分成單獨層的邏輯組織的一個優點是在能夠增加或增強各個層特定的功能，同時保持與系統中其它層的兼容性，並且能夠實現不同的物理層。例如，最初的802.11 WLAN標準定義通過無線電或紅外線鏈路工作的物理層，而增強802.11標準的802.11a在無線電鏈路上提供了更高速率的數據傳輸(高達54Mbp/s)。在MAC層，802.11e草案標準提供了對基本的802.11 MAC協議的許多改進，以支持更好的吞吐量、對數據傳送更好的調度以及防止傳輸差錯的增強保護。
雖然分離成協議層在邏輯結果和可擴展性方面具有很大的優點時，但是，由於不同層中的功能之間的交互作用可能出現某些缺點和問題。這樣的一個例子出現在對利用802.11a高速率PHY的鏈路應用802.11e MAC層前向差錯控制時。
常規的802.11 MAC層為消息序列預先考慮包含尋址和控制信息的32個八位字節的MAC報頭，並且將4個八位字節的「幀檢驗序列」添加到消息中，該「幀檢驗序列」是能被用於檢測傳輸數據中幾乎所有可能的差錯的32比特循環冗餘檢驗值。在圖2略述了該結構。
在802.11e草案標準中使用的前向差錯控制(FEC)系統基於裡德-所羅門(Reed Solomon)編碼，其將所傳輸的消息分成208個或更少的八位字節的塊，為每個塊添加16個八位字節的差錯控制代碼。這通過以下方式來完成，即對不知道802.11e的設備來說產生的幀作為常規的802.11 MAC幀出現所有的FEC信息包含在幀主體中，並且像針對標準802.11一樣預先考慮並添加MAC報頭和FCS，這允許解釋地址信息和為正確的傳輸進行檢驗。在幀主體中，增加了16個八位字節FEC欄位以保護MAC報頭，同時數據被分成208個八位字節的塊，其由16個八位字節的FEC欄位保護。通過MAC報頭和消息計算出來的幀檢驗序列被添加到數據的最後一個塊。這內部的「FEC FCS」能被用於最後確認差錯糾正能成功地糾正傳輸中引入的差錯。所使用的編碼能夠糾正每個224個八位字節的數據和FEC塊中高達8個八位字節，並因此提供相當強的防止傳輸差錯的保護。
802.11a高速率PHY層提供在5GHz無線電波段中工作的高達54Mbps的數據率。802.11g草案PHY標準在2.4GHz無線電波段使用基本上相同的調製格式，因而這裡所討論的問題在設法受益於MAC層FEC時適用於大多數新的IEEE 802.11 WLAN設備。
802.11a PHY層獲取MAC層幀，並且執行數據的加擾以便使所傳輸的調製序列的特性獨立於正被傳輸的消息。在802.11a標準中規定的加擾器電路在圖3中示出了並且由線性反饋移位寄存器(LFSR)構成，該線性反饋移位寄存器的輸出與輸入數據進行異或運算。所產生的序列由延遲單元D1-D7的初始狀態唯一地定義，該初始狀態被稱為加擾器的種子值。該標準定義了針對所傳輸的每個消息該種子值應被設定為偽隨機非零狀態。
在接收機處，必須將相同的種子值載入延遲單元。於是相同的序列能夠在接收機處產生並且與輸入數據流進行異或運算，從而恢復出原始數據。為了使這成為可能，為消息預先考慮7個零比特的序列(接著有9比特，預留這9個比特以用於標準將來的補充)。預先考慮的整個16比特欄位被稱為服務欄位。由於已知原始數據初始的7比特為零，所以可以從所傳輸的序列中推斷出加擾器的初始狀態。
明顯地，設計的糾正功能取決於成功地接收這7個比特以便能夠正確地初始化加擾器。如果加擾器沒有被正確地初始化，則由於將產生差錯的序列而隨後的整個消息將被破壞。在制定最初的802.11a標準時，沒有建議在MAC層中進行糾錯，所以這種差錯的傳播是不重要的任何差錯都將意味著該消息將被丟棄。然而，當嘗試實現MAC層糾錯時，該差錯傳播嚴重限制了糾錯水平，該糾錯水平可以是中等直至高的信噪比。根本地，幀必須被丟棄的概率變成由在7比特加擾器初始化序列中有一個或更多比特差錯的概率來支配，而不是由在不能被糾正的數據中具有差錯的概率來支配。
在圖4中用圖形示出了這些差別，其中連續的線示出了在假設比特差錯相互獨立的情況下對於給定的基礎(underlying)誤比特率在一個給定224塊中出現多於8個八位字節差錯的概率(即FEC故障概率)。虛線示出了在加擾器初始化欄位中出現一個或更多差錯的概率(加擾器故障概率)。顯而易見，在基礎誤比特率高於約10-2.7時，FEC故障(在任意給定的224個八位字節FEC塊中多於8個八位字節差錯)的可能性大於在7比特加擾器差錯中有一個差錯的概率。然而，當基礎誤比特率降低時，理論上利用FEC產生的分組差錯率應迅速地變得很小，當由於解解擾器的差錯傳播問題，這不會發生。
在典型的期望MAC層前向糾錯的應用中，例如音頻和視頻數據流分配中，可容忍的誤比特率通常很低。FEC系統的理論性能和由加擾器差錯傳播引起的限制之間的差異意味著必須接受更高的發射功率或更小的範圍以在這些情況下保持給定水平的性能。
為了在802.11e MAC層草案標準的範圍內有效，該問題的任何解決方案必須與實現802.11a PHY標準的其它設備完全兼容。不知道802.11e的設備能夠解釋802.11 MAC報頭和FCS欄位也是我們所期望的，802.11 MAC報頭和FCS欄位是在目前802.11e FEC MAC幀結構中所保持的特性。
一種已知的解決方案是利用在PHY服務欄位的預留部分中傳輸的比特、根據加擾器初始化比特計算差錯控制比特(例如通過利用[11，7]漢明碼(Hamming code)增加4比特)。
第二種解決方案是以較低數據率發射較不易受差錯影響的服務欄位(加擾器初始化數據)，而為分組的消息部分切換到較高數據率。
然而有一些與上述解決方案相關的問題。
第一種解決方案需要使用一些比特，其被規定作為802.11a PHY層標準中預留的比特，從而需要改變標準。
第二種解決方案也需要改變802.11a PHY層標準，因為其目前不支持以不同的傳輸速度傳送服務欄位。
因此，需要一種在現有標準中有效的、用於減少或限制由於不正確地傳輸種子值而產生的傳輸差錯的方法。
發明概述上述問題能夠通過在發射機和接收機中使用約定的加擾器種子產生算法而大大減緩。由於所傳輸的消息可能被破壞或丟失，所以必須能夠使接收機中的種子產生過程和發射機中的種子產生過程同步。這種要求能夠通過使用一種算法來滿足，在該算法中來自種子產生算法的下一個值由當前值(例如通過使用具有發生器本原多項式的7比特LFSR偽隨機序列發生器)和/或從消息內容唯一地確定，然後允許從正確接收的分組中確定當前值。該種子產生方法與802.11a標準完全兼容。
本發明是一種無線通信網或系統中的方法或設備，通過該方法或設備，由於加擾器種子值的不正確傳輸而產生的差錯能夠被極大地減少。該方法不需要改變802.11a PHY層標準或802.11e FEC MAC幀結構，如此處所描述的。通過在發射方和接收方採用已知的偽隨機種子產生算法，能夠消除在單個發射方/接收方傳輸對之間的加擾器種子傳輸差錯，除非兩個連續的幀都沒有正確接收。該方法被擴展以涵蓋多個不同的發射機能與單個接收機進行通信的情況，並且給出了在802.11e接入點和終端適配器中實現該方法的實例。
本發明的主要優點是本發明大大減緩了由於利用MAC層前向糾錯傳輸加擾器種子值而產生的問題，同時不需要改變PHY層並且保持與裝備有舊的802.11 MAC的設備的兼容性。種子值搜尋的可能複雜度對移動終端而言明顯低於對接入點而言的複雜度，這是期望的特性，因為與接入點相比移動終端具有更嚴厲的功率和成本限制。搜尋的種子值的數量被限制於利用MAC層FEC發射的設備數與所使用的接收機地址的總數的乘積，而不是被限制於系統中發射機的總數。
與需要對數據進行預編碼和後編碼(postcoding)的解決方案相比，第二個優點是該方法的實現和其實現的程度可以是可選的。而且，利用該方法在複雜度和性能之間可以有很大程度的平衡。
附圖簡述下面將參考附圖更詳細地描述本發明，其中圖1示出了802.11 WLAN協議棧的一個示意性的實例。
圖2示出了802.11和802.11e FEC MAC幀格式。
圖3示出了一個示意性的802.11a PHY加擾器。
圖4示出了由於加擾器故障和FEC故障的分組差錯概率。
圖5示出了根據本發明在單個發射裝置和單個接收裝置之間的通信鏈路的一個實施例的示意性結構。
圖6示出了根據本發明在通信鏈路中的方法的示意性流程圖。
圖7示出了802.11 WLAN小區(BSS)的一個實例。
圖8示出了根據本發明的通信系統的一個實施例的示意性結構。
圖9示出了根據本發明的通信系統中的方法的示意性流程圖。
發明描述圖5示出了一種用於實現本發明的可能的實施例。該實施例涉及一個發射裝置1和一個接收裝置2的通信鏈路的情況。在發射裝置1處，由種子發生器為在Tx數據上發送的每個新消息產生一個新的加擾器種子值，並且該種子值被用於初始化發射裝置1的PHY層中的加擾器種子值。在接收裝置2處，在Rx數據上接收消息，並且Rx種子被設置為在接收機PHY中推斷出來的加擾器種子的值。然後根據圖6中的示意性流程圖進行在接收裝置2的Rx MAC層內執行的算法。
根據本發明方法的第一步驟是檢查所接收數據中不可糾正的差錯、即沒有被FEC糾正的差錯。進行檢查的一種方法是利用所謂的外部FCS值檢查初始差錯，嘗試利用裡德-所羅門FEC信息糾正任意的差錯，並且通過利用內部FEC FCS值檢查是否保持了任意的差錯。
如果沒有差錯，或差錯能夠被糾正，則接收到的種子值可以被看作是正確的。於是，在接收裝置2處的本地種子值可以被設置為接收到的種子值，並且可以產生在接收裝置2處的序列中的下一個本地種子值。
如果有不可糾正的差錯，則這些差錯是由接收到的種子值中的差錯引起的和/或由超過裡德-所羅門編碼的糾錯能力負荷的隨機傳輸差錯引起的(意味著不管加擾器種子值是否正確都不能恢復分組)。
在嘗試從Rx種子中的差錯恢復時，接收裝置2假設當前保持的本地加擾器種子值與發射裝置1正確地同步。從Rx種子產生的加擾序列和由本地種子值產生的加擾序列之間產生差異，並且該差異與數據序列進行異或運算。假設本地種子值是正確的，這產生糾正由Rx種子中的差錯引入的差錯的更新序列。
然後接收裝置2的MAC層可以例如利用與用於檢測原始接收數據的方法相同的方法檢查該更新數據值是不是沒有不可糾正的差錯。如果結果沒有差錯，則本地種子值可以被看作是正確的並且可以在接收裝置2處產生種子值序列中的下一個本地種子值。
如果第二階段的結果不正確，則該消息由隨機傳輸差錯所破壞，或者本地種子值喪失與發射裝置1的同步(這只可能發生在從發射裝置1沒有接收到消息時，或者來自發射裝置1的直接在前的消息被丟失或破壞)。
該系統可以根據2狀態的馬爾可夫鏈過程進行建模，因為給定消息中的差錯概率只取決於前一個消息是否出錯(從而導致在接收機處的本地加擾器種子值無效)。這種分析表明所建議的方法提供了與FEC系統沒有加擾器傳播差錯的理想性能具有可以忽略的差別的性能。
在許多實際的通信系統或網絡中，接收裝置1必須處理來自多於一個發射裝置2的傳輸的可能性。而且，發射裝置1必須處理髮射到多個接收裝置2和/或與每個接收裝置2有關的多個接收地址的可能性。這種通信系統的一個典型實例是如圖7所示的802.11 WLAN系統。在一個WLAN小區(被稱為基本服務組或BSS)中，許多移動終端保持與中央接入點或AP的接觸，並且所有的業務從接入點發送或由接入點接收，該接入點擔當用於使消息從一個移動終端到另一個移動終端的路由器。802.11e草案建議通過允許側鏈路(sidelink)而對這進行擴展，其中移動終端能夠請求接入點許可直接建立到另一個移動終端的通信。
在這種更一般的情況下，必須與每個進行通信的終端保持同步的種子產生算法。
在下述情況下，這是可能的，即，如果在發射裝置1處單獨的種子產生過程與數據被發送到的每個接收地址相關，並且在每個接收裝置2處和對於與該接收裝置2相關的每個接收地址而言，單獨的種子產生過程與每個發射地址相關。在接收裝置2處必須克服的困難是在已正確地接收消息(包括報頭信息)之前可能不知道發射地址。在這種情況下，必須在接收裝置2處把可得到的本地種子值都仔細搜尋一遍，直到找到一個允許正確地解擾碼消息的種子值或者搜尋已窮盡。
另一種可能實現本發明的實施例在圖8中示出。該實施例涉及一種無線通信系統，其包括具有相關的發射地址的至少一個發射裝置1和具有至少一個相關的接收地址的至少一個接收裝置2。
在發射裝置1處，如此為每個被發射的消息提供或存儲所謂的狀態信息，使得發射裝置1可以產生與每個接收地址相關的種子值序列。同樣，在接收裝置2處，如此為每個所接收的消息提供狀態信息，使得接收裝置2可以產生種子值序列，其中每個這樣的序列與發射地址和接收地址的唯一組合相關。
在從發射裝置1發射消息以前，檢測所存儲的狀態信息、例如接收地址/種子值對，以查看是否存在與目的地接收裝置2相關的加擾器種子值。如果存在這種狀態信息，則利用該種子值為即將到來的傳輸初始化發射地址的PHY層中的加擾器種子值。如果不存在錄入項，則可以利用任何兼容PHY層的值。在接收裝置2處，在Rx數據上接收消息，並且將Rx種子設置為在接收裝置2的PHY層中推斷出的加擾器種子值。然後根據圖9中的流程圖進行在接收裝置2的Rx MAC中執行的算法。
像以前一樣，在接收裝置2處的第一步驟是檢查接收到的數據或消息中的不可糾正的差錯。如果沒有差錯，或差錯能夠被糾正，則接收到的種子值能夠被看作是正確的。接收到的消息的MAC報頭包含發射裝置1的地址和消息計劃到達的接收裝置2的地址。如果消息打算供與接收裝置2的MAC層相關的接收地址之一使用，並且是利用FEC發送的，則可以由接收裝置2中的本地種子發生器產生新的種子值，並且將該新的種子值寫入狀態信息存儲器，其中該狀態信息與發射地址和接收地址相關。如果不打算由接收裝置2的MAC層接收消息，則可以丟棄該消息，而無需進一步的動作。
如果有差錯，則假設是解擾差錯並且嘗試檢索以前存儲的解擾器種子值，該種子值允許正確地接收數據。如果檢索到這種種子值，則該種子值能夠被看作是正確的，並且能夠從消息中的MAC報頭讀取發射和接收地址。如果消息不打算供與該接收裝置2的MAC層相關的接收地址之一使用，則可以丟棄該消息並且不採取進一步的動作。如果消息是利用FEC發送的，並且打算供接收裝置2的MAC層使用，則在接收裝置2處通過本地種子發生器產生新的種子值，並且發射裝置1的地址和接收地址被用於將該新的種子值寫入狀態信息存儲器。通過使本地存儲的種子值與這些地址相關聯，可以保持多個發射裝置1和由每個接收裝置2的MAC層實現的多個接收地址(例如用於單播和廣播業務的地址)的同步。
如果在接收裝置2處的狀態信息存儲器中的所有種子值都被窮舉，或因不能接收到消息的另一原因(例如時間不夠)而必須停止搜尋，則丟棄該消息。
其中執行對種子值存儲器的窮舉搜尋，該方法具有與只考慮單個發射機和接收機情況下相同的分組差錯概率。然而，在實際系統中由於時間或能被專門用於搜尋的處理資源數量的限制可能不能進行窮舉搜尋。通過首先嘗試糾正MAC報頭中的差錯可以使處理工作最小化，並且丟棄任何接收地址與該接收機的地址不匹配的消息。一種更智能的搜尋策略還可以通過利用系統的知識和包含在MAC層中的信息以及通過首先嘗試與所接收的種子值具有最小非零逐位差的所存儲的種子值來制定。
這裡將考慮兩種這樣的搜尋策略，一種策略針對WLAN小區中的接入點，以及一種策略針對移動終端。
在常規的802.11 WLAN小區中，傳輸的調度主要通過在發射之前進行監聽並且在每個終端處利用隨機退避來執行。這意味著接入點(AP)必須能夠從任何移動終端接收傳輸，該移動終端是小區中在接入點處註冊的(和接入點相關的)。在802.11e草案標準中，除了引入MAC層糾錯之外，定義了更先進的中央控制的調度機制，其中對於所有業務中的一部分，由AP給予發射的機會(所謂的TXOP)。該中央調度的業務對音頻和視頻傳輸來說最感興趣，該音頻和視頻傳輸是MAC層FEC所瞄準的應用。
在TXOP期間，AP知道任何接收的目的地為它的傳輸(上行鏈路)將來自已被給予TXOP的移動終端，因此能夠檢索與已知發射機地址有關的合適的種子值。對於隨機訪問(基於爭用的)業務，AP不了解發射機，如果AP沒有參加識別發射機的幀交換序列(例如當已出現「請求發送」/「清除發送」交換時)，就必須執行基於種子值的搜尋。
當根據802.11e草案標準操作時的附加幫助是不總是必需發送確認幀(對利用FEC的音頻/視頻流來說尤其普通)，以及在其他情況下可以安排延遲確認。這意味著對搜尋的定時限制由允許的消息傳送率的抖動(jitter)所限定，而不是由基本802.11中的短的確認時間周期所限定。
對於移動終端而言，識別正確的種子值的任務明顯較容易，因為大多數接收的業務來自接入點(下行鏈路)在基本802.11標準中所有發送給BSS小區中的移動終端的業務都來自接入點。
802.11e草案標準引入在移動終端之間進行直接通信(所謂的側鏈路)的可能性。這意味著在移動終端處的接收機必須考慮不同於AP的發射機地址的可能性。然而，側鏈路的數量可能比BSS中站的總數少很多，並且大多數利用FEC的側鏈路將在AP調度的TXOP環境中被發射，這允許接收移動終端提取識別出發射機地址。
當在AP調度的TXOP之外接收到消息時，智能的搜尋策略將首先嘗試與AP發射地址有關的種子值，或者根據在不同鏈路上接收到的FEC業務的比例應用某些形式的加權。
所建議的方法可應用於任何無線數據通信系統，其中在由發射裝置進行加擾之前應用前向差錯控制，其中加擾種子值中的傳輸差錯引起接收裝置2中的解擾器破壞所傳輸的消息並且超過前向差錯控制系統的糾錯能力的負荷。
權利要求
1.一種用於限制無線通信網中由於加擾器種子值傳輸差錯而產生的差錯傳輸的方法，所述無線通信網包括至少一個發射裝置1和至少一個接收裝置2，其中每個發射裝置1具有相關的發射地址並且每個接收裝置2具有至少一個相關的接收地址，其中每個發射裝置1對所發射的消息應用前向糾錯編碼，之後對所述消息加擾，並且從種子值產生加擾，並且用這樣一種方式來構造每個發射消息，使得在接收到的消息無差錯的情況下能夠在接收裝置2處推斷出所述種子值，其特徵在於以下步驟-在發射裝置1處用這樣一種方式給從所述發射裝置1處發射的每個消息提供狀態信息，使得所述發射裝置1能產生與每個接收地址相關的種子值序列，-在接收裝置2處用這樣一種方式給每個接收到的消息提供狀態信息，使得所述接收裝置2能產生種子值序列，每個序列與發射地址和接收地址的唯一組合相關，-所述發射裝置1嘗試檢索關於與所述接收設備2相關的接收地址的狀態信息，-如果所述發射裝置1不能檢索到狀態信息，則通過任意的方法產生這種狀態信息，以便為待發射的消息產生一個新的種子值，-如果可由所述發射裝置1檢索到狀態信息，則所述信息被用來初始化第一種子產生算法以便為待發射的消息產生一個新的種子值，並且由所述算法更新所述信息，-將由所述新的種子值初始化的加擾算法應用於所述待發射的消息，從而創建加擾的消息，-從所述發射裝置1發射所述加擾的消息，-在所述接收裝置2處接收所述加擾的信息並根據從所接收的消息中推斷出來的種子值對其解擾，-檢查所接收的解擾後的消息中沒有被前向糾錯編碼糾正的差錯，-利用接收到的沒有差錯的消息使所述接收裝置2中的第二種子產生算法與所述發射裝置1中的所述第一種子產生算法同步，-利用所述接收裝置2中的當前本地種子值嘗試糾正解擾後的消息中由未正確接收的種子所引起的差錯。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述接收裝置2執行在所述接收裝置2處的每個種子序列的一些或全部當前本地種子值的搜尋，並且利用每個這種來自所述搜尋的種子值來嘗試正確地接收消息。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，如果在嘗試糾正解擾後消息中由未正確接收的種子所引起的差錯之後消息無差錯，則利用所述接收裝置2中的所述當前本地種子值使所述接收裝置2中的所述第二種子產生算法與所述發射裝置1中的所述第一種子產生算法同步。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，當正確地被同步時，在所述發射裝置1處的所述第一種子產生算法與所述接收裝置2處的所述第二種子產生算法產生相同的種子值序列。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述發射裝置1處至少從當前種子值確定所述種子值序列中的下一個種子值。
6.如上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，使在所述發射裝置1處的所述第一種子產生算法移動到在所述發射裝置1處的所述種子值序列中的下一個種子值，並且針對每個發射消息的所述接收地址更新狀態信息。
7.如上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，使在所述接收裝置2處的所述第二種子產生算法移動到在所述接收裝置2處的所述種子值序列中的下一個種子值，並且針對每個被正確接收的消息的所述發射和接收地址更新狀態信息。
全文摘要
本發明是一種無線通信網中的方法，通過它可以極大地減少由於不正確傳輸的加擾器種子值而產生的差錯。這通過以下方式來實現，即在至少一個具有相關的發射地址的發射裝置1處和至少一個具有至少一個相關的接收地址的接收裝置2處都利用已知的偽隨機種子產生算法，可以減少由於不正確傳輸的加擾器種子值而產生的差錯。
文檔編號H04L12/28GK1675883SQ03815658
公開日2005年9月28日 申請日期2003年5月23日 優先權日2002年7月4日
發明者M·路易斯 申請人:因芬尼昂技術股份公司