無線分組網絡媒質接入控制系統和方法

2023-07-29 17:47:51

專利名稱：無線分組網絡媒質接入控制系統和方法
技術領域：
本發明涉及無線通信網絡領域，尤其涉及一種通過數據鏈路層和物理層協同實現的無線分組網絡媒質接入控制系統和方法，用於解決無線ad hoc網絡中暴露終端問題，提 高通信並發度和網絡容量。
背景技術：
隨著無線通信技術的發展和無線通信應用的普及，由地位平等的無線通信設備構成的自組織無線分組網絡，以及聯繫物理環境和計算環境的無線傳感器網絡得到越來越廣 泛的應用。這種被稱作無線Ad hoc的網絡中，媒質接入控制協議在很大程度上決定網絡的 實際性能和資源利用效率。無線Ad hoc網絡中，媒質接入控制層廣泛使用的載波偵聽(Carrier Sensing)技術受困於隱藏終端問題和暴露終端問題。已成為標準的IEEE 802. 11協議中規定的分布式 協同機制(DCF)，採用發送請求/發送確認(RTS/CTS)幀以及控制握手規則來解決上述問 題。該方法通過引入虛擬載波偵聽和網絡分配向量，在一定程度上彌補了物理載波偵聽的 不足，可以解決隱藏終端問題。但是，這種方法未能有效解決暴露終端問題。如附圖1所示，終端D偵聽到A發出的RTS控制幀，並且可以偵聽到A發送數據時 的載波信號，因而受到抑制，不能向終端F發送數據。但是，D向F發送實際上並不會干擾A 和B之間的會話。在此情形中，D稱為會話AB的暴露終端，暴露終端引起的通信抑制稱為 暴露終端問題。為提高無線Ad hoc網絡的吞吐率，國內外在改進RTS/CTS控制信令、提高並發通信密度，即空間復用度方面進行了許多研究。這些研究工作以802. 11握手機制為基礎，通 過適當改變控制信令和控制機制，設法識別並允許不會造成幹擾的隱藏和/或暴露終端發 起並發會話。根據控制幀與並發數據幀之間幹擾的處理方式，這些方法可分為三類1.取消法，為避免控制幀幹擾數據幀，在協議中去掉一些控制幀。例如，MACA協議取消了物理監聽，這樣直接避免產生暴露終端問題，同時接收終端不再發送接收確認幀 ACK，避免了 ACK對正在進行的數據接收的幹擾。此類方法的主要缺點是ACK的缺失引起的 上層(如TCP)的性能惡化，並不適合無線網絡，並且，此類方法還會惡化隱藏終端問題。2.同步法，即設法使並發會話同時結束，這樣接收終端發送ACK就不會干擾另一會話的數據接收，例如對MACA的改進協議MACA-P和CTMAC協議。同步法的最大缺點是信 令握手過於複雜，並且為實現並發會話的同步，終端在發送時等待時間長。
3.規避法，即通過控制信令所交互的信息，僅從網絡中選取不會造成相互幹擾的暴露終端或隱藏終端執行並發通信，例如進取型MAC協議和包偵聽多路接入/衝突避免 (PSMA/CA)技術。此類方法的實質是強化了允許並發通信發生的條件，缺點是不能充分實現 並發通信和空間復用。

發明內容
本發明的目的在於避免上述已有技術的缺點，在現有IEEE 802. 11標準的基礎 上，提出一種無線分組網絡媒質接入控制系統和方法，通過無線通信終端中的數據鏈路層 和物理層協同，實現幀接收過程中的預期幀檢測與消除，解決暴露終端問題，提高無線通信 網絡的通信容量。本發明的技術方案是這樣實現的一、術語說明MAC層媒質接入控制層，ISO規定的網絡分層結構中，鏈路層中負責物理媒質獲 取和使用的子層；幀鏈路層和物理層協議單元；分組與幀對應，稱鏈路層以上層協議單元為分組；數據幀承載用戶數據業務內容的鏈路層協議單元；控制幀承載信令信息，用於實現控制管理等任務的MAC層協議單元；RTS/CTS/ACK 三種用於實現802. 11無線網絡媒質接入控制握手協議的控制幀， 分別對應為發送請求幀、發送允許幀和接收確認幀，控制幀有固定的幀長和幀格式；終端以對等方式構成無線網絡的無線設備，終端間通過無線鏈路互相發送或接 收數據/控制幀；會話或通信稱終端間的一次數據幀收發為會話。若A向B發送數據幀，則稱之為 AB會話；暴露終端由於載波偵聽，處在發送終端信號覆蓋範圍內的相鄰終端不能發起會 話。如果該相鄰終端發起的會話不會干擾原有會話，則該相鄰終端即成為暴露終端。暴露 終端會造成不必要的並發通信損失；發送持續時間欄位在幀中，有專門的欄位用以明確記錄將要進行的數據幀發送 所需的時間。利用該欄位對應的數值和當前時刻，終端可以預期本次會話後續的幀(例如 ACK)的發送時間；物理載波偵聽終端接收機根據實際接收信號功率判斷信道是否繁忙稱為物理載 波偵聽；虛擬載波偵聽終端從接收到的相鄰終端所發出的幀中的發送持續時間欄位，可 判斷出相鄰終端在一段時間內是否正在接收(或者發送)數據，這種偵聽方式稱為虛擬載 波偵聽；虛擬載波偵聽通過NAV定時器來實現信道忙閒狀態管理；NAV定時器NAV為英文網絡分配向量的縮寫。終端在監聽到控制幀後，根據幀中 的類型欄位和發送持續時間欄位設置發送和/或接收NAV定時器。若發送NAV定時器正在 計時，表示本終端的相鄰終端中有數據正在發送；接收NAV定時器正在計時，表示相鄰終端 中有數據正在接收；預期幀指終端根據先前監聽到的控制幀的內容，可以提前預測出在當前時刻之後的某個特定時刻將要出現的幀；預期幀檢測終端接收到的無線信號可看作是一個或多個發送終端發出的信號經 無線信道傳播之後與噪聲信號的疊加，從中檢測並判斷預期幀是否存在的操作稱為預期幀 檢測；
預期幀消除一旦判斷出預期幀存在，接收機可以根據已知的幀內容和信道估計 參數生成一個接收到的預期幀信號的副本，並將其從接收到的無線信號中減去，從而使剩 餘信號能被正確接收，此操作稱為預期幀消除。二、本發明的無線分組網絡媒質接入控制系統，包括媒質接入控模製塊、接收信號解析模塊、天線、射頻前端模塊、模數轉換器、數模轉換器、MAC層幀提取模塊、物理層幀形 成模塊、調製/編碼模塊和物理信道管理模塊，其中所述的媒質接入控制模塊，包括上層協議接口，用於從上層協議中接收數據分組，將其組裝成MAC層幀後發送給 發送協同單元，並從接收協同單元中收取接收到的MAC層幀，提取其中的數據分組發送給 上層協議；幀發送協同單元，用於根據媒質接入控制協議和其它功能單元的指令，實現MAC 層幀發送時所必需的握手控制機制，控制幀發送單元在適當的時間發出適當的控制幀和數 據幀，並根據發出的RTS幀內容指示預期幀檢測和消除單元設置或預期幀檢測；幀發送單元，用於在幀發送協同單元、幀接收協同單元的控制下發送MAC層幀給 外部的物理層幀形成模塊；接收協同單元，用於根據媒質接入控制協議和其它功能單元的指令，實現MAC層 幀發送時所必需的握手控制機制，根據接收到的幀類型確定響應幀的類型和內容後發送給 幀發送單元及時發出；幀接收單元，用於從外部MAC層幀提取模塊接收MAC層幀後及時提交給接收協同單 元，根據接收到的幀的類型和發送持續時間欄位通知信道管理單元更改接收和發送NAV定時 器，並根據接收到的RTS幀和CTS幀指示預期幀檢測和消除單元設置或執行預期幀檢測；信道管理單元，用於接收來自外部的射頻前端模塊的接收信號起始、信號功率等 級等指示，以及來自幀接收單元的NAV定時器更新指令，實現信道的狀態管理；退避管理單元，用於在發送不成功時執行退避，當退避定時器計時停止時通知發 送協同單元再次發送相應幀；預期幀檢測與消除控制單元，用於按照發送協同單元和接收單元的指示，根據當 前發送的RTS幀或者當前接收到的RTS/CTS幀預期將要出現的ACK幀的內容和到達時間， 通知和控制外部的接收信號解析模塊執行預期幀檢測和消除，並將結果反饋給幀發送協同 單元或幀接收單元。所述的接收信號解析模塊，包括數位訊號緩存器，用於接收並緩存經模數轉換之後的數字中頻信號，並按照不同 需求分別提供給預期幀檢測單元、預期幀消除單元和解調/解碼單元使用；預期幀檢測單元，用於根據外部媒質接入控制模塊的指令，從接收到的數位訊號 序列中檢測出特定的預期幀，並將結果返回給外部媒質接入控制模塊；預期幀消除單元，用於根據外部媒質接入控制模塊或者預期幀消除模塊的指令， 從接收到的數位訊號序列中消除相應的預期幀信號，並將消除預期幀後的信號發送給解調 /解碼單元；解調/解碼單元，用於接收來自數位訊號緩存器或者預期幀消除單元的數字中頻 信號，對其進行解調/解碼操作，從中獲得數字基帶信號並發送給外部的MAC層幀提取模塊。三、本發明的無線分組網絡媒質接入控制方法，包括如下步驟(1)在終端有數據幀需要發送時，根據當前是否有被載波監聽抑制確定數據幀的發送，如果該終端沒有被抑制，或者被抑制但是屬於暴露終端抑制，則發送RTS，並等待接收 終端響應CTS ；否則，執行退避，直至終端發出RTS ；(2)接收終端收到RTS後，如果沒有被抑制，則響應CTS並等待接收數據幀；否則不響應；(3)相鄰終端根據監聽到的幀的類型和發送持續時間欄位，分別設置接收和發送NAV定時器，以確定自己屬於何種狀態；(4)若終端根據剛發送出或者接收到的幀的類型、地址和持續時間欄位能夠完整準確預期出將來某時刻將出現一個ACK幀，則設置在預期ACK幀出現的時刻，執行預期幀檢 測和消除，否則不需要設置預期幀；(5)終端在接收到無線信號後，若所接收到的信號與提前設置的預期幀時間重疊，則根據預期的幀起始時間、幀前導序列和幀定界序列、以及幀內容欄位，採用序列相關法進 行預期幀的檢測，根據預期幀檢測獲得的精確時間和信道參數估計，產生一個預期幀經信 道傳輸後的接收信號副本，將該預期幀副本從接收信號中消除，並對消除預期幀之後的信 號進行解調解碼和幀提取；(6)發送終端接收到CTS，握手成功，設置預期ACK幀接收，並發出數據幀，等待接收 ACK;(7)接收終端成功接收到數據幀後，發出ACK幀確認，否則接收失敗；(8)發送終端成功接收到ACK幀，數據發送成功；否則發送失敗，返回步驟(1)。本發明通過所述的媒質接入控制模塊和接收信號解析模塊，增加了預期幀檢測和 消除功能，使終端設備成為暴露終端時，也能夠發出RTS幀和數據幀；本發明採用預期幀檢 測，使終端在受到幹擾的情況下也能夠正確接收到預期的ACK幀；本發明採用預期幀消除， 可將產生幹擾的預期ACK幀從接收信號中消除，使剩餘信號可以被正確接收。本發明與現 有三類支持並發通信的媒質接入控制方法相比，不僅能增加無線網絡通信並發度和網絡容 量，而且可避免這些方法所引起的上層協議性能惡化、發送等待時間過長、協議過於複雜、 不能充分實現空間復用以及不兼容802. 11標準的缺點。


圖1為無線網絡中的隱藏和暴露終端示意圖；圖2為本發明的系統結構框圖；圖3為本發明系統中的媒質接入控制模塊結構示意圖；圖4為本發明系統中的接收信號解析模塊結構示意圖；圖5為本發明媒質接入控制總流程圖；圖6為本發明媒質接入控制中根據RTS和CTS預期ACK幀示意圖；圖7為本發明的預期幀檢測子流程圖；圖8為本發明的預期幀消除子流程圖。
具體實施例方式為使本發明目的、技術方案以及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。參照圖2，本發明無線終端系統包括媒質接入控制模塊10、接收信號解析模塊 20、模數轉換器30、MAC層幀提取模塊40、物理層幀形成模塊50、調製/編碼模塊60、數模 轉換器70、射頻前端模塊80、物理層信道管理模塊90和天線。其中媒質接入控制模塊10、物理層幀形成模塊50、調製/編碼模塊60、數模轉換器70 與射頻前端模塊80依次單向連接，構成數據發送通道；射頻前端模塊80、模數轉換器30、接 收信號解析模塊20、MAC層幀提取模塊40與媒質接入控制模塊10依次單向連接，構成數據 接收通道。射頻前端模塊80與物理信道管理模塊90雙向連接傳遞控制與通知消息；物理 信道管理模塊90與媒質接入控制模塊10單向連接，向該媒質接入控制模塊通知信道狀態； 媒質接入控制模塊10與接收信號解析模塊20雙向連接，傳遞接收信號解析所需的控制指 令和相關信息；射頻前端模塊80與天線雙向連接接收和發送無線信號。當媒質接入控制模塊10發送數據幀時，首先將上層數據分組組裝成MAC層幀發給 物理層幀形成模塊50，在該物理層幀形成模塊中添加物理層傳輸所需欄位，包括前導序列 和幀定位序列，構成物理層幀；然後將物理層幀傳遞給調製/編碼模塊60 ；調製/編碼模塊 60執行編碼、擴頻和調製功能，將物理層幀轉變為適合在無線信道中傳輸的中頻數位訊號， 並傳給數模轉換器70轉換為中頻模擬信號；數模轉換器70在物理信道管理模塊90的配合 下，將該信號傳給射頻前端模塊80，經過變頻、濾波和放大操作後轉變為射頻無線信號；最 後將射頻無線信號通過天線發出。當射頻前端模塊80接收到來自天線的微弱無線高頻信號，經過放大、濾波和變頻 之後，轉變為無線中頻信號，傳送給模數轉換器30，將該無線中頻信號轉換為中頻數字信 號；同時，射頻前端模塊80將檢測到的無線射頻信號的起止時間和功率大小信息通知給物 理信道管理模塊90 ；該物理信道管理模塊將起止時間和功率大小信息轉變為物理載波偵 聽消息，並傳達給媒質接入控制模塊10 ；經模數轉換之後的中頻數位訊號由模數轉換器30 傳遞給接收信號解析模塊20 ；接收信號解析模塊20在媒質接入控制模塊10的控制下對中 頻數位訊號進行預期幀檢測、預期幀消除與解調/解碼，並將必要的中間結果通知給媒質 接入控制模塊10 ；經接收信號解析模塊20解調解碼後的信號發送給MAC層幀提取模塊40， 從中提取出MAC層數據幀或控制幀，提交給媒質接入控制模塊10。參照圖3，本發明所述媒質接入控制模塊包括上層協議接口 101、發送協同單元 102、幀發送單元103、接收協同單元104、幀接收單元105、信道管理單元106、退避管理單元 107和預期幀檢測與消除控制單元108。其中上層協議接口 101單向連接到發送協同單元 102，發送協同單元102單向連接到幀發送單元103，103單向連接到模塊外部的物理層幀形 成模塊50，形成來自上層協議的數據幀的發送通道。幀接收單元105與外部MAC層幀提取 模塊40單向連接，並單向連接到接收協同單元104，該接收協同單元單向連接到上層協議 接口 101，構成去往上層協議的數據幀接收通道。接收協同單元104與幀發送單元103單向 連接，根據接收到的幀類型通知103發出相應的控制幀。退避管理單元107單向連接到發 送協同單元102和信道管理單元106，根據退避算法執行退避以及更改信道狀態管理信息。 幀接收單元105單向連接到信道管理單元106，根據接收到的幀中發送持續時長欄位和類型設置106中的相應NAV定時器。信道管理單元106同時與外部的物理信道管理模塊90單向連接，接收來自該物理信道管理模塊的物理載波偵聽結果。預期幀檢測與消除控制單 元108與物理信道管理模塊90單向連接，接收來自該物理信道管理模塊的接收信號起止時 間、信號強度和信道估計參數消息；同時預期幀檢測與消除控制單元108分別與接收信號 解析模塊20、發送協同單元102和幀接收單元105雙向連接，控制接收信號解析模塊執行檢 測與消除並接收執行的結果，接收來自發送協同單元和幀接收單元的預期幀檢測與消除請 求，並將執行結果返回給發送協同單元和幀接收單元。參照圖4，本發明所述接收信號解析模塊包括數位訊號緩存201、預期幀檢測單 元202、預期幀消除單元203和解調/解碼單元204，其中數位訊號緩存器201與外部模數 轉換模塊30單向連接，接收並緩存經轉換之後的數字中頻信號；同時數位訊號緩存器分別 與預期幀檢測單元202、預期幀消除單元203和解調/解碼單元204單向連接，傳送需要進 行檢測或消除的數位訊號給預期幀檢測單元和預期幀消除單元，傳送可直接進行解調/解 碼的數字中頻信號給解調/解碼單元。解調/解碼單元204與預期幀消除單元203之間單 向連接，接收經預期幀消除之後的數字中頻信號；解調/解碼之後的數據發給外部MAC層幀 提取模塊40，用於提取完整的MAC層幀；同時，解調/解碼單元204與預期幀消除單元203 雙向連接，該解調/解碼單元204與媒質接入控制模塊10中的預期幀檢測與消除控制單元 108單向連接，均用以輔助實現預期幀消除。預期幀檢測單元202與外部媒質接入控制模塊 10中的預期檢測與消除控制單元108雙向連接，接收預期幀檢測請求並能夠返回檢測結果 和相關信息；預期幀消除單元203與預期幀檢測單元202之間雙向連接，用於在直接檢測不 成功時先進行預期幀消除再進行檢測；預期幀消除單元203同時與外部媒質接入控制模塊 10中的預期檢測與消除控制單元108單向連接，接受來自108的預期幀消除請求。參照圖5，本發明的無線分組網絡媒質接入控制方法實現方法，包括如下步驟步驟1，終端收到來自上層的數據分組，將其組裝成MAC層數據幀，並根據其目的 地址，數據長度等產生相應的RTS幀準備發送。步驟2，發送終端判斷自身當前是否被物理載波偵聽和虛擬載波偵聽抑制，若終端 物理和虛擬載波偵聽結果均顯示信道閒，或者雖然物理載波偵聽為忙但是虛擬載波偵聽發 現該終端屬於暴露終端，則執行步驟3 ；否則，執行退避，直至終端發出RTS。步驟3，發送終端發出RTS，並等待接收來自目的終端的CTS。步驟4，接收終端收到RTS後，如果根據載波偵聽判斷可以接收，則響應CTS並等待 接收數據幀；否則不響應。步驟5，與接收和發送終端相鄰的終端，根據監聽到的幀的類型和發送持續時間字 段，設置或者更新接收NAV定時器或發送NAV定時器。步驟6，若終端根據已知的剛發送出或者接收到的幀的類型、地址和持續時間欄位 能夠完整準確預期出將來某時刻將出現一個ACK巾貞，則設置在預期ACK幀出現的時刻，執行 預期幀檢測和消除，否則不需要設置預期幀；參照圖6，其中根據已知幀獲得預期ACK幀出現時間和幀內容的具體情況分為如 下三種情況第一種情況是如果終端剛發出或者接收到RTS幀，則預期ACK幀的目的地址為 RTS幀的源地址；預期ACK幀的出現時間T = t+D-tsfs-tACK，其中t為當前時間，Dets為RTS幀中的發送持續時間，tsfs為最短幀間隔，tM為ACK幀傳送所需時間；第二種情況是如果終端接收到的幀為CTS，則預期ACK幀的目的地址即為CTS幀的目的地址；預期ACK幀的出現時間T = t+D-tsfs-tACK，其中t為當前時間，Dcts為CTS幀中 的發送持續時間，tsfs為最短幀間隔，tM為ACK幀傳送所需時間；第三種情況是如果終端接收到的幀是其他類型的幀，不進行預期幀設置；在以上第一種和第二種情況中，預期ACK幀中的幀控制字為已知固定格式，發送持續時間欄位為0，幀校驗序列根據幀控制字、發送持續時間和目的地址欄位的內容重新計 笪弁。步驟7，終端在接收到無線信號後，若所接收到的信號與提前設置的預期幀時間重疊，則根據預期的幀起始時間、幀前導序列和幀定界序列，以及幀內容欄位，採用序列相關 法進行預期幀的檢測。參照圖7，本步驟的具體實現如下7. 1，預期幀檢測單元接收經數位化後的中頻無線信號，以及預置的預期幀起始時 刻和幀格式內容信息；7. 2，在預期幀起始時刻附近，用已知的幀前導序列與接收信號進行滑動相乘運 算，在預期幀起始位置附近，若滑動相乘的積明顯大於此位置之前和此位置之後的乘積，則 認為出現顯著相關峰值，執行步驟7.3 ；否則認為不存在預期幀，檢測失敗，返回預期幀檢 測失敗消息；7. 3，從相關峰指示的確切位置開始，按照信道估計的參數對完整預期幀進行滑動 相乘計算，若從此位置開始的滑動相乘積遠大於此位置之前和此位置之後的乘積，則認為 預期幀檢測成功，返回預期幀檢測成功消息，由檢測獲得的幀確切起始位置和信道參數估 計等信息給預期幀檢測與消除控制單元；否則執行步驟7. 4 ；7. 4，發送前導序列相關峰確切位置、信道和發送機參數估計、預期幀格式內容給 預期幀消除單元請求嘗試消除；7. 5，若預期幀消除成功，則預期檢測成功，返回預期幀檢測成功消息、前導序列相關峰確切位置和信道參數估計信息給預期幀檢測與消除控制單元；否則，預期幀檢測失敗， 返回預期幀檢測失敗消息。步驟8，根據預期幀檢測獲得的精確時間和信道參數估計，產生一個預期幀經信道傳輸後的接收信號副本，將該預期幀副本從接收信號中消除，並對消除預期幀之後的信號 進行解調解碼和幀提取。參照圖8，本步驟的具體實現如下8. 1，預期幀消除單元接收必要信息，包括預期幀消除請求、需要從中消除預期幀的無線數位訊號、預期幀確切起始位置、預期幀格式內容、信道估計參數和發送機估計參 數；8. 2，根據預期幀的格式內容和802. 11標準中規定的物理層幀結構，添加前導序列和幀定位序列，組裝出完整的物理層幀；8. 3，根據802. 11標準中對物理層規定的調製編碼方法，對物理層幀進行逐比特編碼和調製，獲得經編碼和調製之後的數位訊號序列；8. 4，根據信道和發送機估計參數，增加對調製和編碼後的數位訊號的頻率、相位和幅度的畸變，所得到的數位訊號序列即為經信道傳輸之後的預期幀信號副本；8. 5，從需要進行預期幀消除的數位訊號中，從前導序列相關峰出現的確切位置開始，減去生成的預期幀信號副本，並將所餘信號提交給解調解碼單元；8. 6，解調解碼單元對剩餘信號進行解調和解碼，並將解調和解碼之後的比特序列 提交給MAC層幀提取模塊；8. 7,MAC層幀提取模塊對接收到的比特序列進行MAC層幀定界，並使用802. 11標 準中規定的校驗多項式對該幀進行循環冗餘校驗，如果得到的校驗和與幀中的一致，則預 期幀消除成功，將獲得的MAC層幀提交給媒質接入控制模塊；否則執行步驟8. 8 ；8. 8，選擇是否重新嘗試，若重試次數未超過上限，則調整信道和發送機估計參數， 生成新的預期幀信號副本，執行步驟8. 5 ；否則，返回消除失敗消息，預期幀消除終止。步驟9，發送終端接收到CTS，握手成功，設置預期ACK幀接收，並發出數據幀，等待 接收ACK ；否則執行退避後重新執行步驟1。步驟10，接收終端成功接收到數據幀後，發出ACK幀確認，否則接收失敗。步驟11，發送終端成功接收到ACK幀，數據發送成功；否則發送失敗，執行退避後 返回步驟1。
權利要求
一種無線分組網絡媒質接入控制系統，包括媒質接入控模製塊、接收信號解析模塊、天線、射頻前端模塊、模數轉換器、數模轉換器、MAC層幀提取模塊、物理層幀形成模塊、調製/編碼模塊和物理信道管理模塊，其特徵在於所述的媒質接入控制模塊，包括上層協議接口，用於從上層協議中接收數據分組，將其組裝成MAC層幀後發送給發送協同單元，並從接收協同單元中收取接收到的MAC層幀，提取其中的數據分組發送給上層協議；幀發送協同單元，用於根據媒質接入控制協議和其它功能單元的指令，實現MAC層幀發送時所必需的握手控制機制，控制幀發送單元在適當的時間發出適當的控制幀和數據幀，並根據發出的RTS幀內容指示預期幀檢測和消除單元設置或預期幀檢測；幀發送單元，用於在幀發送協同單元、幀接收協同單元的控制下發送MAC層幀給外部的物理層幀形成模塊；接收協同單元，用於根據媒質接入控制協議和其它功能單元的指令，實現MAC層幀發送時所必需的握手控制機制，根據接收到的幀類型確定響應幀的類型和內容後發送給幀發送單元及時發出；幀接收單元，用於從外部MAC層幀提取模塊接收MAC層幀後及時提交給接收協同單元，根據接收到的幀的類型和發送持續時間欄位通知信道管理單元更改接收和發送NAV定時器，並根據接收到的RTS幀和CTS幀指示預期幀檢測和消除單元設置或執行預期幀檢測；信道管理單元，用於接收來自外部的射頻前端模塊的接收信號起始、信號功率等級指示，以及來自幀接收單元的NAV定時器更新指令，實現信道狀態管理；退避管理單元，用於在發送不成功時執行退避，當退避定時器計時停止時通知發送協同單元再次發送相應幀；預期幀檢測與消除控制單元，用於按照發送協同單元和接收單元的指示，根據當前發送的RTS幀或者當前接收到的RTS/CTS幀預期將要出現的ACK幀的內容和到達時間，通知和控制外部的接收信號解析模塊執行預期幀檢測和消除，並將結果反饋給幀發送協同單元或幀接收單元。所述的接收信號解析模塊，包括數位訊號緩存器，用於接收並緩存經模數轉換之後的數字中頻信號，並按照不同需求分別提供給預期幀檢測單元、預期幀消除單元和解調/解碼單元使用；預期幀檢測單元，用於根據外部媒質接入控制模塊的指令，從接收到的數位訊號序列中檢測出特定的預期幀，並將結果返回給外部媒質接入控制模塊；預期幀消除單元，用於根據外部媒質接入控制模塊或者預期幀消除模塊的指令，從接收到的數位訊號序列中消除相應的預期幀信號，並將消除預期幀後的信號發送給解調/解碼單元；解調/解碼單元，用於接收來自數位訊號緩存器或者預期幀消除單元的數字中頻信號，對其進行解調/解碼操作，從中獲得數字基帶信號並發送給外部的MAC層幀提取模塊。
2.一種無線分組網絡媒質接入控制方法，包括如下步驟(1)在終端有數據幀需要發送時，根據當前是否有被載波監聽抑制確定數據幀的發送， 如果該終端沒有被抑制，或者被抑制但是屬於暴露終端抑制，則發送RTS，並等待接收終端響應CTS ；否則，執行退避，直至終端發出RTS ；(2)接收終端收到RTS後，如果沒有被抑制，則響應CTS並等待接收數據幀；否則不響應；(3)相鄰終端根據監聽到的幀的類型和發送持續時間欄位，分別設置接收和發送NAV 定時器，以確定自己屬於何種狀態；(4)若終端根據剛發送出或者接收到的幀的類型、地址和持續時間欄位能夠完整準確 預期出將來某時刻將出現一個ACK巾貞，則設置在預期ACK幀出現的時刻，執行預期幀檢測和 消除，否則不需要設置預期幀；(5)終端在接收到無線信號後，若所接收到的信號與提前設置的預期幀時間重疊，則根 據預期的幀起始時間、幀前導序列和幀定界序列、以及幀內容欄位，採用序列相關法進行預 期幀的檢測，根據預期幀檢測獲得的精確時間和信道參數估計，產生一個預期幀經信道傳 輸後的接收信號副本，將該預期幀副本從接收信號中消除，並對消除預期幀之後的信號進 行解調解碼和幀提取；(6)發送終端接收到CTS，握手成功，設置預期ACK幀接收，並發出數據幀，等待接收ACK ；(7)接收終端成功接收到數據幀後，發出ACK幀確認，否則接收失敗；(8)發送終端成功接收到ACK幀，數據發送成功；否則發送失敗，返回步驟(1)。
3.根據權利要求2所述的無線分組網絡媒質接入控制方法，其中步驟(4)所述的根據 已知幀預期將來某時刻將出現的ACK巾貞，分為三種情況第一種情況是如果終端剛發出或者接收到RTS幀，則預期ACK幀的目的地址為RTS幀 的源地址，ACK中的預期時間欄位為0，預期ACK幀的出現時間T = t+D-tsfs-tACK，其中t為 當前時間，D為RTS幀中的發送持續時間，tsfs為最短幀間隔，tM為ACK幀傳送所需時間； 第二種情況是如果終端接收到的幀為CTS，則預期ACK幀的目的地址即為CTS幀的目 的地址，ACK中的預期時間欄位為0，預期ACK幀的出現時間T = t+D-tsfs-tACK，其中t為當 前時間，D為CTS幀中的發送持續時間，tsfs為最短幀間隔，tM為ACK幀傳送所需時間； 第三種情況是如果終端接收到的幀是其他類型的幀，不進行預期幀設置。
4.根據權利要求2所述的無線分組網絡媒質接入控制方法，其中步驟(5)所述的根據 預期的幀起始時間、幀前導序列和幀定界序列、以及幀內容欄位，採用序列相關法進行預期 幀的檢測，包括如下步驟(4a)預期幀檢測單元接收經數位化後的中頻無線信號，以及預置的預期幀起始時刻和 幀格式內容信息；(4b)在預期幀起始時刻附近，用已知的幀前導序列與接收信號進行滑動相乘運算，若 在誤差允許範圍內，在預期幀起始位置附近，滑動相乘的積明顯大於此位置之前和此位置 之後的乘積，則認為出現顯著相關峰值，執行步驟4c ；否則認為不存在預期幀，檢測失敗；(4c)從相關峰指示的確切位置開始，按照信道估計的參數對完整預期幀進行滑動相乘 計算，若在此位置開始的滑動相乘的積遠大於此位置之前和此位置之後的乘積，則認為預 期幀檢測成功；否則執行步驟4d ；(4d)發送前導序列相關峰確切位置、信道和發送機參數估計、預期幀格式內容給預期 幀消除單元請求消除；(4e)若預期幀消除成功，則預期檢測成功；否則，預期幀檢測失敗。
5.根據權利要求2所述的無線分組網絡媒質接入控制方法，其中步驟(5)所述的根據 預期幀檢測獲得的精確時間和信道參數估計，產生一個預期幀經信道傳輸後的接收信號副 本，按如下步驟進行(5a)預期幀消除單元接收消除請求，以及需要從中消除預期幀的無線數位訊號、預期 幀確切起始位置、信道和發送機估計參數和預期幀格式內容這些必要信息；(5b)根據預期幀的格式內容和802. 11標準中規定的物理層幀結構，添加前導序列和 幀定位序列，組裝出完整的物理層幀；(5c)根據物理層規定的調製編碼方法，對物理層幀進行逐比特編碼和調製，獲得經編 碼和調製之後的數位訊號序列；(5d)根據信道和發送機估計參數，增加對調製和編碼後的數位訊號的頻率、相位和幅 度的畸變，所得到的數位訊號序列即為經信道傳輸之後的預期幀信號副本。
6.根據權利要求2所述的無線分組網絡媒質接入控制方法，其中步驟(6)所述的將預 期幀副本從接收信號中消除，並對消除預期幀之後的信號進行解調解碼和幀提取，按如下 步驟進行(6a)從需要進行預期幀消除的數位訊號中，根據前導序列相關峰出現的確切位置開 始，減去生成的預期幀信號副本，並將所餘信號提交給解調解碼單元；(6b)解調解碼單元對剩餘信號進行解調和解碼，並將解調和解碼之後的比特序列提交 給MAC層幀提取模塊；(6c)MAC幀提取模塊對接收到的比特序列進行MAC層幀定界，並使用802. 11標準中規 定的校驗多項式對該幀進行循環冗餘校驗，如果得到的校驗和與幀中的幀校驗序列一致， 則預期幀消除成功，將獲得的MAC層幀提交給媒質接入控制模塊；否則執行6d ；(6d)選擇是否重新嘗試，若重試次數未超過上限，則調整信道和發送機估計參數，生成 新的預期幀信號副本，執行6a ；否則，返回消除失敗消息，預期幀消除終止。
全文摘要
本發明公開了一種無線分組網絡媒質接入控制系統和方法，主要解決現有技術中暴露終端無法並發通信的問題，該系統包括媒質接入控制模塊、接收信號解析模塊、天線、射頻前端、數模轉換器、調製/編碼模塊、物理層幀形成模塊、模數轉換器、MAC幀提取模塊以及物理信道管理模塊。媒質接入控制模塊在發送時判斷信道是否空閒及終端是否屬於暴露終端，若是則發送RTS幀，並根據已知幀設置預期ACK幀檢測；接收信號解析模塊執行預期幀檢測判定ACK是否收到，並執行預期幀消除排除幀間幹擾；MAC層幀提取模塊從消除預期幀之後的信號中提取MAC層幀。本發明具有實現簡單，通信並發度高和網絡容量大，與現有IEEE 802.11標準兼容的優點，可用於實現大規模無線自組織通信網絡。
文檔編號H04W84/18GK101801109SQ20101010718
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者劉煥峰, 史琰, 姚明旿, 邱智亮, 鮑民權 申請人:西安電子科技大學