在基於csma/ca協議的通信網中的擁塞控制的製作方法

2023-08-11 17:51:11 1

專利名稱：在基於csma/ca協議的通信網中的擁塞控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於通信系統的擁塞控制方法。本發明還涉及對應的電腦程式產品 和通信設備。
背景技術：
在無線通信網中，為了得到平滑運行的網絡，由此為它的用戶提供良好的服務質 量(QoS)，擁塞控制是一個需要解決的問題。通信網中的「擁塞」通常被理解為是這樣一種 狀況，其中網絡由於容量不足或業務量過載而不能遞送已供給的負荷。擁塞的結果是服務 的QoS的降級，S卩，較低的吞吐量、較高的端到端分組延遲，或者在某些嚴重的情形下甚至 是分組的丟棄。已經知道一些通信網，其就安全而言可以提供兩種不同類型的服務。第一類服務 只包括與安全或保密有關的服務，而另一個服務類型提供其它類型的服務，即，與安全無關 的服務。這種系統的例子是打算用於改進駕駛的安全性和舒適性的無線車輛間通信(IVC) 系統。通常，由IVC系統提供的服務可分成兩種類別，S卩，安全服務和非安全服務。在IVC系統中，安全服務預先向駕駛員提供有關危急狀況的信息。這種類別的典 型應用包括違反交通信號警告、緊急電子剎車燈、預碰撞警告、合作的危險警告傳播、車道 改變警告等等。由於這些種類的應用與在高速車輛環境下的人身安全緊密相關，所以其被 表徵為對於可靠度和等待時間(latency)的嚴格要求，等待時間通常小於100毫秒。另一 方面，非安全服務打算用於增強駕駛舒適性和提高運輸系統的效率，其與安全服務相比通 常被指派以較低的優先級。這一類別的應用，包括交通消息傳播、通行費收取、電子地圖下 載、多媒體應用等等，通常需要更大的帶寬。由於在幾百米直到一千米的本地範圍內提供具有低等待時間的高速率數據傳輸 的能力，電氣和電子工程師協會(IEEE)802. 11無線區域網(WLAN)技術被廣泛接受作為用 於下一代IVC系統的、啟用的介質訪問控制(MAC)和物理層(PHY)的技術。IEEE WLAN MAC 是基於帶有衝突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)，其中每個站遵循先聽後說(listen beforetalk)和隨機回退(backoff)方案以避免衝突，正如在IEEE 802. 11標準中規定的 分布式協調功能(DCF)。安全服務的優先級是通過指派相對較短的信道偵聽時間和較小的 隨機回退時隙數生成窗口而被準予的，正如在IEEE 802. Ile標準中規定的增強的分布式 信道訪問(EDCA)功能。然而，在其中信道資源由具有第一順序優先級的服務(諸如安全應 用)和具有第二順序優先級的服務(諸如非安全應用)共享的系統中，例如IEEE802. llp，安 全應用的QoS可能由於由非安全應用所引起的信道擁塞而被損害。在這些其中信道資源由安 全和非安全服務共享的系統中，即使已經把更高的優先級指派給安全應用，非安全服務也可 能耗盡信道資源。因此，希望避免擁塞，以便防止具有第一順序優先級的服務的QoS降級。因此，需要一種改進的擁塞控制方法。
發明概要按照本發明的第一方面，提供了一種用於通信系統的擁塞控制方法，該通信系統支持用於在至少第一通信設備與第二通信設備之間通信的分層的無線電信道結構，所述分 層的結構至少包括物理層和介質訪問層，所述通信系統提供具有第一優先級順序的第一類 型服務和具有第二優先級順序的第二類型服務，在該通信系統中，包括前同步和淨荷的消 息可以在設備之間傳送，每個消息被至少對應於兩個消息之間的最小允許時段的時段分隔 開，所述方法包括由第一通信設備執行的以下步驟-生成屬於第一類型服務的物理層消息；-偵聽無線電信道空閒達至少對應於兩個消息之間的最小允許時段的時段；以及-傳送所述物理層消息，該物理層消息包括指示所述消息所屬的服務類型的特定 前同步，其中該前同步的內容被安排成由處於通信範圍內的第二通信設備進行檢測，而不 管所傳送的消息的淨荷的解碼狀態如何。這提供了改進擁塞控制的優點，並且這在提供被指派以不同優先級的兩種不同類 型服務的網絡中是特別有利的。這樣的服務的例子是例如安全和非安全應用。在這些情形 下，安全服務有利地被給予更高的優先級，並且即使網絡擁塞，安全消息仍可以由在該網絡 中運行的終端來傳送以及可靠地接收。按照本發明的第二方面，提供了一種包括指令的電腦程式產品，用於當被裝載 到任何通信設備的計算機裝置上並在其上運行時，實施按照本發明的第一方面的方法。按照本發明的第三方面，提供了一種用於通信系統的通信設備，該通信系統支持 用於使能在至少所述通信設備與另一個通信設備之間進行通信的分層的無線電信道結構， 所述分層的結構至少包括物理層和介質訪問層，所述通信系統提供具有第一優先級順序的 第一類型服務和具有第二優先級順序的第二類型服務，在該通信系統中，包括前同步和淨 荷的消息可以在設備之間傳送，每個消息被至少對應於兩個消息之間的最小允許時段的時 段分隔開，所述通信設備包括_物理層消息生成器，用於生成屬於第一類型服務的消息；-無線電信道檢測器，用於偵聽無線電信道空閒達至少對應於兩個消息之間的最 小允許時段的時段；以及-發射機，用於傳送所述物理層消息，該物理層消息包括指示所述消息所屬的服務 類型的特定前同步，其中該前同步的內容被安排成由處於通信範圍內的另外的通信設備進 行檢測，而不管所傳送的消息的淨荷的解碼狀態如何。附圖簡述參照附圖，從以下的非限制的示例性實施例的說明中，本發明的其它特徵和優點 將變得明顯，其中-

圖1顯示被安排成互相通信的三輛汽車；-圖2顯示在圖1的汽車之間沿時間線傳送的可能消息，當時在汽車B和C之間有 正在進行的非安全消息的通信；-圖3是圖解按照本發明的實施例的簡化流程圖；-圖4顯示按照本發明的實施例的、在圖1的汽車之間沿時間線傳送的可能消息；-圖5是圖解按照本發明的另一個實施例的簡化流程圖；-圖6顯示對於圖5的流程圖所示的狀況，各個汽車和所傳送的消息的關係；以及-圖7是按照本發明的實施例的通信設備的簡化框圖。
本發明實施例的詳細說明在以下的說明中，本發明的一些非限制的示例性實施例將在CSMA/CA系統中的 DCF的上下文中被更詳細地描述。然而，應當明白，本發明並不限於這種環境，而是本發明的 教導同樣可應用於採用其它多路訪問方案——諸如頻分多址(FDMA)——的通信系統。更具 體地，在其中更詳細地描述了本發明的一些實施例的CSMA/CA系統是IVC系統，這裡物理層 和MAC層是按照IEEE 802. Ilp標準實施的。IEEE 802. Ilp現在已成為用於IVC系統的世界範圍的WLAN標準。從物理層的角 度來看，頻道被劃分成用於控制和安全服務或非安全服務的幾個信道。用於控制和安全用 途的信道也可以被稱為控制信道(CCH)。DCF作為IEEE 802. IlMAC的基本訪問機制，通過 使用CSMA/CA而在兼容的設備之間達到自動介質共享。在設備開始傳輸之前，它偵聽無線 介質以確定它是否為空閒。如果介質表現為空閒，則可以進行傳輸，否則設備將等待，直至 正在進行中的傳輸結束為止。CSMA/CA機制要求在毗鄰的幀傳輸之間有最小的規定間隔，也 稱為短的幀間間隔(SIFS)，這是最短的幀間間隔。設備將保證在試圖傳送之前介質已經空 閒達規定的幀間間隔。分布的幀間間隔(DIFS)被在DCF下運行的設備使用來傳送數據幀。使用DCF的 設備必須遵循兩個介質訪問規則(1)設備僅僅在它的載波偵聽機制確定介質已經空閒達 至少DIFS時間時才被允許進行傳送；以及(2)為了減小在訪問介質的多個設備之間的衝突 概率，設備將在延期之後或在成功傳輸後試圖傳送另一個幀之前選擇一隨機回退間隔。有 數據分組要傳送的設備抽取介於0到爭用窗口(CW)之間的隨機數，該隨機數確定以時隙數 目計的、回退定時器的持續時間。圖1顯示在其中可以應用本發明的教導的環境。在圖1中，顯示了第一通信設備 A、第二通信設備B和第三通信設備C，在本例中，所有的這些設備都是汽車。在此例中，這些 汽車被安排成按照IEEE 802. Ilp標準直接地互相通信。因此，在無線設備之間的通信通過 空中進行。如圖1所示，在這種情景下，三輛汽車A、B和C正朝著相同方向行駛。所有的汽車 處在互相的通信範圍內。現在可以考慮這樣一種情形，其中汽車A想要傳送警告消息給在 它的通信範圍內的其它汽車，但在傳統的系統中，如果汽車B和C已經有正在進行的通信會 話，則這是不可能的。這是由於下面已確認的三個問題1)雖然按照802. IlMAC協議，安全消息對於訪問信道具有更高的優先級，但由於 信道當前被從汽車C到汽車B的非安全傳輸佔用，所以在汽車A處生成的警告消息必須等 待，直至信道變為空閒達至少對應於點幀間間隔(PIFS)的時段為止。2)在從汽車C到汽車B的非安全數據幀結束時，按照IEEE 802. 11MAC,必須設置 網絡分配向量(NAV)，直至從汽車B到汽車C的預期的確認(ACK)幀結束。所以，警告消息 不能從汽車B所傳送的ACK幀奪取信道資源，因為ACK幀通過僅僅對應於SIFS-這是最短 的幀間間隔_的時段而與非安全幀分開。3)按照IEEE 802. lie MAC協議，在ACK幀之後，只要準予汽車C的傳送機會 (TXOP)沒有期滿，則汽車C可以在SIFS後繼續進行傳輸，而不用執行回退。TXOP是有界的 時間間隔，在此期間，只要傳輸的持續時間不延伸到TXOP的最大持續時間之外，設備就可 以發送儘可能多的幀。如果在汽車B與汽車C之間沒有出現傳輸錯誤，在汽車A處的警告消息就必須等待直到這個TXOP結束，然後爭奪信道訪問。圖2顯示在上述的情形下傳送的消息，其中在汽車A處生成的警告消息由於在汽 車B與C之間的正在進行的非安全傳輸而被延遲。本發明中建議的解決方案打算通過使用基於中斷的方案來從正在進行的、具有 低優先級的傳輸奪取信道資源。在下面描述的例子中，這樣的傳輸是指被預留用於非安 全應用的傳輸。引入了專門設計的物理層會聚過程(PLCP)前同步——在下面的例子中是 Warning_preample (警告前同步)，以便即使在來自其它傳輸的幹擾下仍舊檢測安全警告 消息的出現。並且，提出了 Warning_ACK(警告ACK)幀來使得在原始警告消息發射機的範 圍以外的發射機沉默，以便清理用於警告消息傳播的信道資源。PLCP前同步是被附著到每個IEEE 802. lla/p PLCP幀的開始處的正交頻分復 用(OFDM)碼元圖案的特定序列，用於在接收機處的定時獲取、頻率獲取和自動增益控制 (AGC)。PLCP前同步的接收不需要解調和解碼。所以，即使在惡劣的信號對幹擾與噪聲比 (SINR)的情形下，仍舊可以容易地檢測到PLCP前同步。通過引入可容易地區分的PLCP前 同步用於警告消息，即使在接收機處由於來自正在進行的非安全傳輸的幹擾而引起警告消 息主體的訛誤，發射機仍可以指示危險警告消息的存在。所建議的信道資源奪取方案是基於警告前同步和警告ACK可由以下的特徵表徵1)當在一設備處生成或接收到警告消息時——在以下的說明中該設備被稱為「原 始警告站」，這個設備將在已偵聽到信道空閒達SIFS之後，傳送帶有警告前同步的警告消 息。在信道偵聽期間，由正在進行的非安全傳輸所造成的NAV設置被忽略；2)已完成非安全分組傳輸且正期待來自接收機的ACK的任何設備如果在它自己 的非安全幀傳輸後過SIFS檢測到警告消息，則必須制止任何進一步的傳輸，並開始以用於 非安全服務的最大爭用窗口尺寸進行回退，而不管ACK或警告消息幀主體的解碼狀態如 何；3)在非安全分組接收期間已檢測到警告前同步的任何設備必須在先前的非安全 幀接收結束後過SIFS傳送帶有該警告前同步的警告ACK，而不管非安全和警告消息幀主體 的解碼狀態如何。接下來，參照圖3的流程圖和圖4來描述本發明的第一實施例。在第一實施例中， 如圖1所示的三輛汽車處在互相的通信範圍內。首先，在步驟301，在從汽車C到汽車B的非安全傳輸期間，汽車A生成警告消息。 在步驟303，汽車A偵聽到該信道空閒達SIFS，然後在步驟304，汽車A忽略NAV設置，並在 步驟305無延遲地傳送帶有警告前同步的警告消息。由汽車A傳送的警告消息可能與來自B的ACK幀衝突。然而，由於該警告消息所 使用的警告前同步，汽車C仍舊可以檢測到該警告消息的出現。因此，在步驟307，汽車C接 收和檢測來自汽車A的警告消息。—旦汽車C檢測到警告前同步，它就在步驟309制止進一步的傳輸，並開始以用於 非安全服務的最大爭用窗口尺寸進行回退。然後，最終在步驟311，信道被清理，以用於警告 消息傳播。以上的過程也被圖示於圖4，圖4顯示了按照時間線傳送的不同消息。接下來，參照圖5的流程圖和圖6來描述本發明的第二實施例。在該實施例中，原 始警告汽車A處在非安全發射機汽車C的通信範圍以外，而非安全接收機汽車B處在原始警告汽車A的範圍內。首先，在步驟501，在從汽車C到汽車B的非安全傳輸期間，汽車A生成警告消息。 在步驟503，汽車A偵聽該信道空閒達SIFS，然後在步驟504，汽車A在傳送清除-發送 (CTS)消息時忽略由汽車B設置的NAV，並在步驟505無延遲地傳送該帶有警告前同步的警 告消息。步驟501、503、504和505實際上是與上面解釋的步驟301、303、304和305相同的。由汽車A傳送的警告消息可能與汽車B處正在進行的非安全傳輸衝突。然而，由 於該警告消息所使用的警告前同步，汽車B仍舊可以檢測到該警告消息的出現。因此，在步 驟507，汽車B接收和檢測來自汽車A的警告消息。應當指出，由於汽車C處在汽車A的範 圍以外，所以它不能接收來自汽車A的傳輸。即使在汽車B處不能解碼幀主體，在步驟509它仍舊能夠在非安全幀結束後的 SIFS內傳送帶有警告前同步的警告ACK。一旦汽車C接收到該警告ACK，或在檢測到警告前 同步後，汽車C在步驟511制止進一步的傳輸，並開始以用於非安全服務的最大爭用窗口尺 寸進行回退。然後，最終在步驟513，信道被清理，以用於警告消息傳播。以上的過程也被圖 示於圖6，圖6顯示了沿時間線傳送的不同的消息。在圖7中，顯示了可以按照上面解釋的教導運行的通信設備的簡化框圖。在圖中， 顯示了包括天線703和RF部件705的發射機/接收機部分701，RF部件705的用途是選擇 來自天線703的進入信號，並放大所接收的信號。然後，還顯示了物理層消息生成器707和 MAC層消息生成器709，它們被安排來分別生成警告前同步和警告ACK幀。信道檢測器711 被使用來檢測信道是否空閒或是否被預留用於通信。中央處理器(CP) 713被使用來控制通 信設備的總體運行。應當指出，在圖7中僅僅顯示了與本發明的教導有關的某些方框。其 它方框在本上下文中被省略，但它們對於本領域技術人員來說是已知的。本發明同樣涉及一種電腦程式產品，當其被裝載到以上提到的設備的計算機裝 置上並在其上運行時，能夠實施本發明的實施例的任何的方法步驟。電腦程式可被存儲 /分布在與其它硬體一起提供的、或作為其它硬體的一部分而提供的適當的介質上，但也可 以以其它形式，諸如經由網際網路或其它有線的或無線的電信系統而被分發。本發明同樣涉及一種被安排來執行按照本發明的實施例的任何方法步驟的集成 電路。雖然在附圖和以上的說明中詳細地圖解和描述了本發明，但這樣的圖解和描述被 認為是說明性或示例性的，而不是限制性的；本發明不限於所公開的實施例。在實踐所要求保護的本發明時，本領域技術人員通過學習附圖、公開內容和所附 權利要求，可以獲知和實現所公開的實施例的其它變例。在權利要求中。單詞「包括」不排 除其它單元或步驟，以及不定冠詞『一』或『一個』(「a」or "an")不排除多個。單個處理 器或其它單元可以完成在權利要求中敘述的幾項的功能。僅僅是不同的特徵在互相不同的 從屬權利要求中被敘述的事實，並不表明不能有利地使用這些特徵的組合。在權利要求中 的任何參考標號不應當被解釋為限制本發明的範圍。
權利要求
用於通信系統的擁塞控制方法，該通信系統支持用於在至少第一通信設備(A)與第二通信設備(B；C)之間通信的分層的無線電信道結構，所述分層的結構至少包括物理層和介質訪問層，所述通信系統提供具有第一優先級順序的第一類型服務和具有第二優先級順序的第二類型服務，在該通信系統中，包括前同步和淨荷的消息能在設備之間傳送，每個消息被至少對應於兩個消息之間的最小允許時段的時段分隔開，所述方法包括由第一通信設備(A)執行的以下步驟 生成(301；501)屬於第一類型服務的物理層消息； 偵聽(303；503)無線電信道空閒達至少對應於兩個消息之間的最小允許時段的時段；以及 傳送(305；505)所述物理層消息，所述物理層消息包括指示所述消息所屬的服務類型的特定前同步，其中該前同步的內容被安排成由處於通信範圍內的第二通信設備(B；C)檢測，而不管所傳送消息的淨荷的解碼狀態如何。
2.按照權利要求1的方法，還包括忽略(304；504)由第二通信設備(B ；C)設置的網絡 分配向量。
3.按照前述權利要求的任一項的方法，其中所述前同步還包括給第二通信設備(B;C) 的指示，指示其制止屬於第二類型服務的消息的任何傳輸，並開始以最大爭用窗口尺寸回 退。
4.按照前述權利要求的任一項的方法，其中所述前同步還包括對第二通信設備(B)的 指示，指示其傳送警告消息到第三通信設備(C)，以便阻止第三通信設備(C)傳送屬於第二 類型的消息，其中該警告消息是介質訪問控制層消息。
5.按照前述權利要求的任一項的方法，其中屬於第一類型服務的消息是與安全有關的 消息，而屬於第二類型服務的消息是非安全有關的消息。
6.包括用於實施按照權利要求1到5中任一項方法的步驟的指令的電腦程式產品， 當其被裝載到所述通信設備中任何通信的計算機裝置上並在其上運行時，實施所述步驟。
7.用於通信系統的通信設備(A)，該通信系統支持用於使能在至少所述通信設備與另 一個通信設備(B ；C)之間進行通信的分層的無線電信道結構，所述分層的結構至少包括物 理層和介質訪問層，所述通信系統提供具有第一優先級順序的第一類型服務和具有第二優 先級順序的第二類型服務，在該通信系統中，包括前同步和淨荷的消息能在設備之間傳送， 每個消息被至少對應於兩個消息之間的最小允許時段的時段分隔開，所述通信設備(A)包 括-物理層消息生成器(707)，用於生成屬於第一類型服務的物理層消息；-無線電信道檢測器(717)，用於偵聽(303 ；503)無線電信道空閒達至少對應於兩個消 息之間的最小允許時段的時段；以及_發射機(701)，用於傳送(305 ；505)所述物理層消息，所述物理層消息包括指示所述 消息所屬的服務類型的特定前同步，其中該前同步的內容被安排成由處於通信範圍內的另 外的通信設備(B ；C)進行檢測，而不管所傳送的物理層消息的淨荷的解碼狀態如何。
8.按照權利要求7的通信設備，還包括介質訪問控制消息生成器(709)，用於在接收到 屬於第一類型服務的消息後生成警告消息。
全文摘要
本發明涉及用於通信系統的擁塞控制方法，該通信系統支持用於在至少第一通信設備與第二通信設備之間通信的分層的無線電信道結構，所述分層的結構至少包括物理層和介質訪問層。所述通信系統被安排成提供具有第一優先級順序的第一類型服務和具有第二優先級順序的第二類型服務，在該通信系統中，包括前同步和淨荷的消息可以在設備之間傳送，每個消息被至少對應於兩個消息之間的最小允許時段的時段分隔開。在所述方法中，第一通信設備首先(a)生成(301)屬於第一類型服務的物理層消息；(b)偵聽(303)無線電信道空閒達至少對應於兩個消息之間的最小允許時段的時段；以及(c)傳送(305)所述物理層消息，該物理層消息包括指示所述消息所屬的服務類型的特定前同步，其中該前同步的內容被安排成由處於通信範圍內的第二通信設備檢測，而不管所傳送的消息的淨荷的解碼狀態如何。
文檔編號H04B7/26GK101897154SQ200880120095
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月9日 優先權日2007年12月10日
發明者B·沃爾克, G·R·希爾茨, G·S·馬克斯, H-J·魯默曼, L·斯蒂博爾, Y·張 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司