CN104853385A - 一种基于ofdma技术的wifi***中高效传输信息的动态机制 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OFDMA技术的WIFI***中高效传输信息的方法，包括：在WIFI网络中，为了支持OFDMA技术设计MAC帧字段格式，包括帧类型字段设计以及在标准帧格式中添加一个控制信息域字段，用于承载控制信息以及待传输数据性质信息。控制信息主要包括：任务优先级，待传输数据性质，信道探测信号，信道状态信息，资源分配信息，竞争用户终端信息以及退避窗口信息。传输过程中不同类型的帧在相对应的字段承载信息，接入点获取请求发送的终端数量及信息，并分配终端资源，实现动态传输机制。该方法主要解决了WIFI***传输过程中海量终端集中请求的问题，以及待传输数据的多样性问题，增加了并发接入的用户容量。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体的说，涉及一种基于OFDMA技术的WIFI***中高效传输信息的动态机制。
背景技术
随着无线智能终端和移动互联网的***式增长，WIFI技术正深刻改变着人们的交流、工作和生活方式。越来越多的终端用户(STA)在享受着WIFI带来的高带宽和便利性，火车站、机场、校园宿舍、图书馆等人口密集的地方，每个接入点(AP)需要服务的并发终端用户(用户终端(STA))数量急剧增加。并且随着智能设备的飞速发展，用户传输的数据也更加具有多样性。这使得WIFI网络速率大幅下降，用户上网时延增大，给网络的质量带来严重的影响，同时也给WIFI网络带来了新的挑战。
发明内容
现有的WIFI采用单用户OFDM接入的全宽带复用方式，并且不存在控制信道，各个用户终端(STA)通过载波监听与冲突避免(CSMA/CA)随机接入信道，依靠时域退避完成随机接入操作,最后只有一个用户终端(STA)成功发送。实际上退避也可以发生在频域上，OFDMA是一种基于OFDM物理层的信道接入技术，将整个带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，每个子信道分配给一个用户终端(STA)，一个用户终端(STA)也可以占用多个子信道，允许多用户终端(STA)同时接入，多用户终端(STA)共享传输带宽。与现有协议相比，OFDMA提供了多信道的结构，可以利用多信道结构提高随机接入的性能。更进一步，与OFDM相比，在物理层OFDMA能提供比OFDM更高的频谱利用率。使用OFDM技术的通常都是宽带***，宽带***多径效应明显，频率选择衰落特性明显。这种选择性对于不同的用户终端(STA)是不同的，因为不同用户终端(STA)所处的环境不同。可以利用多用户终端(STA)的频率选择特性，分配合适的频率资源给合适的用户终端(STA)，依靠多用户终端(STA)分集增益提高OFDM***的整体性能。
OFDMA需要协调多用户终端(STA)接入，为了充分利用用户终端(STA)分集优点，接入点(AP)需要获取用户终端(STA)信息。我们主要从提高数据传输效率的角度来应用OFDMA，一方面利用OFDMA实现高效的随机竞争，一方面利用OFDMA获取多用户终端(STA)频率上的信道差异带来的分集增。本专利，针对海量用户终端和传输数据多样性的实际问题提出了解决方案。提出了一种适应于基于OFDMA技术的WIFI***中控制帧的格式设计方法以及动态传输机制，更高效的传输控制信息。
本发明提供了一种WIFI***中MAC层帧格式设计方法。在WIFI中主要有数据帧，请求控制帧，许可控制帧，确认帧，管理帧等5种。将其单独放在一个字段中用4bit来承载，放在帧开始的位置利于解析。在标准帧格式的保留字段中添加一个新的字段域，用于承载控制信息。在WIFI中***中，控制信息主要包括：信道探测信息，数据性质标识信息，任务优先级，资源分配信息，退避窗口信息，竞争成功的用户终端(STA)信息和信道状态信息。此字段长度为不固定长度，不同种类型控制帧承载不同的内容。
本发明提供在WIFI***中大数据量高效传输的一种方法。包括：用户终端(STA)发送请求帧申请资源发送数据。接入点(AP)收到了用户终端(STA)的请求帧，若接入点(AP)允许该用户发送数据，则确定子载波分配信息，并返回许可帧，包含竞争成功的用户终端(STA)信息和资源分配信息以及退避窗口信息。请求资源的用户终端(STA)收到接入点(AP)发送的许可帧并解析，竞争成功的用户终端(STA)则确定了传输所用的资源分配信息，未竞争成功的用户终端(STA)s则解析出退避窗口信息，进入退避过程。对于携带大量数据的用户终端(STA)，解析出资源分配信息后判断分配的资源是否够用，若不够，则再次发送一个承载数据量大小的请求帧，接入点(AP)接到请求帧后裁决是否再分配新的资源，并通知给用户终端(STA)。接下来用户终端(STA)继续发送数据帧，接入点(AP)收到后反馈确认帧。
在WIFI无线接入时采用了随机接入的竞争机制，比较适合宽带数据业务，然而对实时性要求较高的业务存在不足，如语音业务存在的时延问题。本发明提供对于具有不同优先级用户终端的数据传输机制。包括：接入点(AP)收到了用户终端(STA)的请求帧，并解析是否具有任务优先级字段以及字段内容。对于任务优先级高的用户终端(STA)，由接入点(AP)的控制器为用户终端(STA)优先动态分配资源。
本发明提在WIFI网络中海量用户终端(STA)集中请求时数据高效传输的一种方法。包括：接入点(接入点(AP)统计当前请求与接入成功的用户数量，获取用户信息。接入点(AP)的控制器根据用户终端(STA)与子信道数量情况，确定资源的分配方法，为用户终端(STA)动态的选择传输方案。
本发明的有益效果主要表现在以下几个方面：帧的类型只取决于标准中子帧类型(Subtype)字段，将其单独放在一个字段中，有利于解析。在帧中保留字段中添加一个控制信息域字段，承载控制信息，不同类型控制帧提取相应字段内容。针对大数据量用户集中请求时，动态分配资源，在出现信息丢失时，检测丢失帧片段，是否可以不再重传。在海量用户集中请求情况下，动态分配资源，增加用户终端的并发数量。
附图说明
图1是本专利实施的场景示例图。
图2是本专利中提出的一种WIFI***中MAC层帧格式。
图3针对携带数据性质多样的用户终端(STA)，本专利提出了一种高效数据传输机制。
图4针对海量用户终端(STA)集中请求的情况，本专利提出了一种数据动态传输机制。
图5用户终端(STA)采用OFDMA与CDMA结合传输方式。
图6用户终端(STA)采用OFDMA传输方式。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：如图1所示，本发明实施例提供了一种基于OFDMA技术的WIFI***中高效传输信息的动态机制。该机制主要解决了WIFI***传输过程中海量用户终端集中请求的问题，以及待传输数据的多样性问题。
在如下的实施例中，涉及到发射设备和接收设备，在WIFI***中，所述的发射设备和接收设备例如是终端(STA)、接入点(AP)等，本发明中发射设备可以是终端或是接入点，接收设备可以是终端或接入点，数据传输在终端和接入点之间进行，由发射设备将数据发送至接收设备。
下面将参照附图来详细地描述本发明的一些实施方式。
如图1所示，是本发明实施的场景设定，基站(AP)和用户终端(STA)，图中实线表示竞争成功，虚线表示竞争未成功。传统的WIFI***中多个用户终端(STA)竞争信道，依靠时域退避完成随机接入，最终只有一个用户终端(STA)成功发送，在一个时隙利用整个带宽发送数据。实际上退避也可以发生在频域上，本实施方案中引入OFDMA技术，OFDMA是一种基于OFDM物理层的信道接入技术，其将整个带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波。OFDMA提供了多信道的结构，每个子信道分配给一个STA，一个STA也可以占用多个子信道，允许多STA同时接入，共享传输带宽。与现有WIFI相比较，提高随机接入的性能。
在WIFI标准中，整个***没有用于交互控制信令的公共控制信道，控制信息是承载在控制帧中传输的，本方案中要重新设计WIFI网络的传输帧格式，以支持OFDMA。如图2所示，是本发明的一种实施方式的MAC层帧格式示例图。帧类型字段：帧的类型只取决于标准中Subtype(子帧类型)字段。在WIFI中主要有数据帧，请求控制帧，许可控制帧，确认帧，管理帧等5种。将其单独放在一个字段中用4bit来承载，放在帧开始的位置利于解析。
控制信息域字段：在标准帧格式的保留字段中添加一个新的字段域，用于承载控制信息。在WIFI中***中，控制信息主要包括：信道探测信息，数据性质标识信息，任务优先级，资源分配信息，退避窗口信息，竞争成功的STA信息和信道状态信息。此字段长度不固定，不同种类型控制帧承载不同的内容。帧控制域字段：所有控制帧都使用相同的帧控制域字段。
Duration/ID字段:持续时间/标志:2个字节。多数情况下，该字段被用来设定NAV。地址字段：包含不同类型的MAC地址，地址的类型取决于发送帧的类型。这些48位的地址有如下不同的用途：基本服务集标识(BSSID)，来源地址(SA:发送数据包的MAC实体的地址)，目的地址(DA:数据报的最终地址)，接收地址(RA:接收帧的AP地址)，发送地址(TA：发送帧的AP地址)。Sequence Control(顺序控制)：2字节，由4位的片段编号(FragmentNumber)和12位的顺序编号(Sequence Number)组成，用来重组帧片段以及丢弃重复帧。数据域字段：该字段内容封装的是上层的数据单元。
从用户终端(STA)的角度出发，随着智能设备的飞速发展，实际情况中用户传输的数据具有多样性的特点，主要表现为：数据性质多样，数据量大小，数据任务优先级等方面。数据性质多样体现在语音，视频，图片，文字等不同类型的数据。在WIFI***中，控制帧传输时也要和数据帧一样公平竞争信道。在用户请求特别集中的情况下，可能会出现用户终端(STA)暂时竞争不到信道的情况，则无法及时传输数据。
本发明对WIFI***传输过程中的协议做如下假设。
OFDMA接入需要协调多用户终端(STA)同时接入，需要准确的时间同步，从用户之间都是严格同步的,同时从用户与主用户保持适度同步,也可以成为准同步。
控制信道主要用来传输***参数、调度信息、反馈信息等参数。在802.11标准中，整个***没有公共的控制信道用于交互控制信令，控制信息是以承载在控制帧中的方式进行传输，控制信息的交换是通过收发双方的空闲子载波进行交换的。每个从用户节点都可以正确感知到授权频段内的载波空闲状态。
如图3所示，是本发明WIFI***中数据高效传输方法的一种实施例的流程示意图。从用户终端(STA)角度出发，传输的数据具有多样性，用户终端(STA)传输大量数据时具体步骤如下。
步骤1、WIFI中用户终端(STA)发送请求帧申请资源发送数据。如此时某一用户终端发送的请求帧的控制字段域中携带着任务优先级信息以及信道探测信号信息。接入点(AP)收到了STA的请求帧，知道用户有数据要传送，并不知道数据量的多少以及数据的性质。
步骤2、若接入点(AP)允许该用户发送数据，则确定子载波分配信息后，返回许可信息。许可信息中包含竞争成功的STA信息和资源分配信息以及退避窗口信息。许可信息承载在许可帧中传输。请求资源的STA收到AP发送的许可帧并解析，竞争成功的STA则确定了传输所用的资源分配信息，未竞争成功的STA则解析出退避窗口信息，进入退避过程。
步骤3、然而对于携带大量数据的用户终端(STA)，AP分配的资源太少，对于这类用户，解析出资源分配信息后判断分配的资源是否够用，若不够，则再次发送一个承载数据量大小的请求帧，AP接到请求帧后裁决是否再分配新的资源，并通知给STA。接下来STA继续发送数据帧，AP收到后反馈确认帧。
步骤4、STA传送数据帧，AP正确接收后返回ACK帧。
在WIFI无线接入时采用了随机接入的竞争机制，比较适合宽带数据业务，然而对实时性要求较高的业务存在不足，如语音业务存在的时延问题。本发明中定义视频数据以及语音数据的任务级别高于其他任务。对于任务具有优先级的STA传输数据时本发明提供一种高效传输方法，具体步骤如下。
步骤1、WIFI中用户终端(STA)发送请求帧申请资源发送数据。如此时某一用户终端发送的请求帧的控制字段域中携带着任务优先级信息。接入点(AP)收到了STA的请求帧，并解析是否具有任务优先级字段以及字段内容。
步骤2、对于任务优先级高的STA，由接入点(AP)的控制器为用户终端(STA)优先分配资源。AP确定子载波分配信息后，返回许可信息。
步骤3、STA收到AP发送的许可帧并解析，竞争成功的STA则确定了传输所用的资源分配信息，未竞争成功的STA则解析出退避窗口信息，进入退避过程。
步骤4、STA传送数据帧，AP正确接收后返回ACK帧。
如图4所示，是本发明WIFI***中数据高效传输方法的又一种实施例的流程示意图。对于海量用户终端(STA)集中请求的情况，本发明提出了一种数据动态传输机制。具体步骤如下。
步骤1、WIFI中海量用户终端(STA)发送请求帧申请资源发送数据。首先，接入点(AP)具有一个控制器，用于确定资源的分配方法。AP统计当前的请求与接入成功用户数量，获取用户信息。
步骤2、由接入点(AP)的控制器为用户终端(STA)选择适合的传输方案。
在一个时隙中，若STA数量超过子信道数量时，采用OFDMA与CDMA相结合的方式。OFDMA提供了多信道的结构，将整个带宽划分成若干个子信道，每个子信道分配给一个STA，一个STA也可以占用多个子信道。CDMA技术是不同用户终端传输信息时所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分。因此当用户终端数量超过子信道数量时，在频域和时域的基础上，为每个用户分配一个特定的CDMA码片，在每个子信道上的多个用户(STA)采用CDMA方式进行数据传输。具体的动态传输机制实施如图5所示，整个带宽被划分成4个子信道，当前用户分别为ABCDEF，用户数量超过子信道数量，在传输前分别为ABCDEF用户分配一个特定的CDMA码，用户根据AP指定的物理资源在子信道上传输，如用户ABC同时在子信道1上传输数据帧，接收方根据CDMA码再对相应的的发送用户的帧接收并解析。
在一个时隙中，若STA数量未超过子信道数量时，STA采用OFDMA方式传输。在一个OFDMA网络中，按照时域与频域划分资源块，将传输总带宽划分为一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户。数据传输以资源块为基本单位，允许数据帧和确认帧在多个信道上同时发送。如图6所示，可用传输带宽被划分成4个子信道，待传输的用户分别为ABCD，用户数量未超过子信道数量，用户ABCD以资源块为基本单位采用OFDMA方式传输。如在子信道1上传输的有用户B,D,C。
步骤3、竞争成功的用户终端(STA)进行传输数据。
最后说明的是尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种在WIFI***中高效传输信息机制的实施场景，其特征如下：
在WIFI***中，发射设备和接收设备是终端(STA)、接入点(AP)等，发射设备可以是终端或是接入点，接收设备也可以是终端或接入点，数据传输在终端和接入点之间进行，由发射设备将数据发送至接收设备；传统的WIFI***中多个用户竞争信道，最终只有一个STA成功发送；引入OFDMA技术后，将整个带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，每个子信道分配给一个STA，一个STA也可以占用多个子信道，允许多STA同时接入，多STA共享传输带宽，AP协调多个STA同时接入发送数据。
2.从用户终端(STA)角度出发，传输的数据具有多样性，STA传输大量数据的协议流程，其特征和具体步骤如下：
步骤1、WIFI中用户终端(STA)连接后发送请求帧申请资源发送数据，接入点(AP)收到了用户的请求帧，知道用户有数据要传送，并不知道数据量的多少以及数据的性质；
步骤2、若接入点(AP)允许该用户发送数据，确定子载波分配信息后，返回许可信息，许可信息中包含竞争成功的STA信息和资源分配信息以及退避窗口信息，许可信息承载在许可帧中传输，竞争成功的STA收到AP发送的许可帧并解析，确定了资源分配信息；
步骤3、然而对于携带大量数据的用户终端(STA)，AP分配的资源太少，对于这类用户，解析出资源分配信息后判断分配的资源是否够用，若不够，再次发送一个承载数据量大小的请求帧，AP接到请求帧后裁决是否再分配新的资源，并通知给STA，接下来STA继续发送数据帧，AP收到后反馈确认帧；
步骤4、STA传送数据帧，AP正确接收后返回ACK帧。
3.根据权利要求2所述的方法，在标准帧格式的基础上添加一个控制信息域字段，其用于承载控制信息，为不固定长度字段，方便不同类型控制帧提取相应字段内容。所述MAC层帧格式，其特征在于：
帧格式包含以下字段：帧类型字段，控制信息域字段，帧控制域字段，Duration/ID字段，地址字段，Sequence Control(顺序控制)，数据域字段和校验位字段。帧类型字段占4位，用于指定帧的类型，包括控制帧，数据帧和管理帧类型。控制信息域字段承载控制信息，包括：资源分配信息，退避窗口信息，竞争成功的STA信息和信道状态信息。帧控制域字段：所有类型帧都使用相同的帧控制域字段。Duration/ID字段被用来设定NAV。地址字段包含不同类型的MAC地址，地址的类型取决于发送帧的类型。Sequence Control(顺序控制)字段用来重组帧片段以及丢弃重复帧。数据域字段承载封装的上层数据单元。帧的类型只取决于标准中子帧类型字段，将其单独放在一个字段中，利于解析。
4.依据权利要求3所述的方法，对于携带任务优先级别不同的用户终端，其传输机制包括具体以下步骤：
步骤1、WIFI中用户终端(STA)发送请求帧申请资源发送数据，如此时某一用户终端发送的请求帧的控制字段域中携带着任务优先级信息，接入点(AP)收到了STA的请求帧，并解析是否具有任务优先级字段以及字段内容；
步骤2、对于任务优先级高的STA，由接入点(AP)的控制器为用户终端(STA)优先分配资源，AP确定子载波分配信息后，返回许可信息；
步骤3、STA收到AP发送的许可帧并解析，竞争成功的STA则确定了传输所用的资源分配信息，未竞争成功的STA则解析出退避窗口信息，进入退避过程；
步骤4、STA传送数据帧，AP正确接收后返回ACK帧。
5.海量用户集中请求发送数据，STA动态传输机制其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1、待发送数据的用户终端(STA)请求接入时发送请求帧，AP接收到请求帧后统计当前的请求用户数量，并获取请求接入的用户信息；
步骤2、如果，STA数量超过子信道数量时，采用OFDMA与CDMA相结合的传输方式；
步骤3、如果，STA数量未超过子信道数量时，STA采用OFDMA方式传输。
6.根据权利要求5步骤2所述的方法，其特征在于，将WIFI带宽分为多个子信道，并为每个用户分配一个特定的CDMA码片，在每个子信道上协调多个STA数据传输。
7.根据权利要求5步骤3所述的方法，其特征在于，在一个OFDMA网络中，根据时域与频域将频谱资源划分为资源块，数据传输以资源块为基本单位，允许数据帧和确认帧在多个信道上同时传输。
8.根据权利要求5所述方法，针对WIFI***传输过程中海量用户终端集中请求的问题，分配适当的频谱资源，增加了并发接入的STA容量。
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