CN107295567B - 一种基于帧结构的无线资源冲突检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于帧结构的无限资源冲突检测方法，属于无线通信领域。该方法包括以下步骤：S1：将无线帧分成冲突检测区和数据传输区；S2：将冲突检测时隙承载的冲突检测码分成高优先级冲突检测码和低优先级冲突检测码；将冲突检测码在冲突检测时隙上发送；S3：设备检测出冲突检测时隙里所有的冲突检测码，通过检测冲突检测码的数量评估数据传输区存在的冲突严重程度，并以此确定设备的退避时间；如果没有发现其他设备发送冲突检测码，则设备使用数据传输区的无线资源。本发明解决了在帧同步条件下的传输资源竞争使用问题；另外，将冲突检测码分成了不同的优先级，适应不同优先级竞争使用传输资源的场景。

Description

一种基于帧结构的无线资源冲突检测方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于帧结构的无线资源冲突检测方法。

背景技术

采用分布式控制方法，附接总线的各个结点通过竞争的方式，获得总线的使用权。只有获得使用权的结点才可以向总线发送信息帧，该信息帧将被附接总线的所有结点感知。包括以下三个要点：第一：载波侦听，发送结点在发送信息帧之前，必须侦听媒体是否处于空闲状态；第二：多路访问，具有两种含义，既表示多个结点可以同时访问媒体，也表示一个结点发送的信息帧可以被多个结点接收；第三：冲突检测，发送结点在发出信息帧的同时，还必须监听媒体，判断是否发生冲突(同一时刻，有无其他结点也在发送信息帧)。目前有两种方式可供使用，载波监听多路访问/冲突检测机制(简称：CSMA/CD，Carrier SenseMultiple Access/Collision Detect)和载波监听多址接入/避免冲撞(简称：CSMA/CA)方式。

CSMA/CD方式，即载波监听多路访问/冲突检测机制。当有线以太网上的多个网络设备需要同时进行数据传输时，采用这个协议就能检测到网络上出现的冲突并进行相应处理。其工作原理可以总结为先听后说，边听边说；一旦冲突，立即停说；等待时机，然后再说。但其并不适合无线局域网，在无线局域网中，无线电波传输距离受限，并不是所有的节点都能够监听到信号；况且因为无线网卡工作在半双工模式下，所以设备无法在接收数据信号的同时传送数据信号。另一方面，无线带宽本就不高，一旦发生碰撞，数据就会重新发送，吞吐量也会因此降低。

CSMA/CD进行了一些修改，采用了新的协议CSMA/CA，CSMA/CA工作原理如下：

(1)首先检测信道是否被站点(简称：STA)使用，如果检测出信道空闲，则等待分布协调功能帧间间隔(简称：DIFS)时间后，送出数据。

(2)目的STA如果正确收到此帧，则经过短帧间间隔(简称：SIFS)时间后，向源STA发送确认帧ACK。

(3)源STA收到ACK帧，确定数据传输正确，在经历DIFS时间间隔后，会出现一段空闲时间，叫做争用窗口，表明会出现各STA争用信道的情况。

如果检测信道时发现信道被占用，STA会使用CSMA/CA协议的退避算法，冻结退避计时器。只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时。当退避计时器减少到零时，STA就发送数据帧并等待确认。如果发送数据帧后没有收到ACK帧，则必须重传此帧。

在目前CSMA/CD或是CSMA/CA中存在一个问题，当多个站点请求发送数据时候会发生冲突，因为不知道冲突的严重程度，所有的站点只能根据相同的机制进行退避，再次参与下一轮的冲突竞争。这种方式在实际部署应用中存在明显缺陷：

第一：当多个站点同时请求发送数据的时候会发生冲突，但每个站点只知道有其他站点也在请求发送数据，却不知道具体有多少站点在请求发送，所以无法对冲突的严重程度进行评估。

第二：站点发送数据产生冲突的时候，不能客观评估冲突程度，所以没有办法给出合理的退避时间，只能在一个时间内随机选择一个退避时间。

第三：站点的发送数据存在不同的优先级，但根据目前实现方式没有办法提高高优先级发送数据的概率。也就是在实际应用中，例如信令可以设定为高优先级，并且在冲突竞争中有优先发送权利。

所以目前的CSMA/CD或是CSMA/CA在实际的使用中存在一定的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线通信***中竞争使用无线资源的方式，其原理是采用无线帧方式对无线资源进行管理和使用，首先将无线帧分成冲突检测区和数据传输区，一个冲突检测区和一个数据传输区构成一个传输单元。冲突检测区用于协调多个设备竞争使用数据传输区，由多个冲突检测时隙构成。数据传输区用于设备传输高优先级或是低优先级的数据，数据传输区可以由多个数据传输帧构成。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于帧结构的无线资源冲突检测方法，该方法包括以下步骤：

S1：将无线帧分成冲突检测区和数据传输区，一个冲突检测区和一个数据传输区构成一个传输单元；冲突检测区由多个冲突检测时隙构成，用于协调多个设备竞争使用数据传输区，数据传输区由多个数据传输帧构成，用于设备传输高优先级或是低优先级的数据；

S2：将冲突检测时隙承载的冲突检测码分成高优先级冲突检测码和低优先级冲突检测码；如果设备发送高优先级数据则从高优先级冲突检测码中随机选择一个，如果设备发送低优先级数据则从低优先级冲突检测码中随机选择一个；将冲突检测码在冲突检测时隙上发送；

S3：设备检测出冲突检测时隙里所有的冲突检测码，通过检测冲突检测码的数量评估数据传输区存在的冲突严重程度，并以此确定设备的退避时间；如果没有发现其他设备发送冲突检测码，则设备使用数据传输区的无线资源。

进一步，在所述步骤S3中：

如果设备未发现其他设备发送的冲突检测码，则确定本设备拥有数据传输区的使用权限；

如果设备发现了其他设备发送的冲突检测码，并且所有的冲突检测码优先级都低于本设备的冲突检测码优先级，则该设备拥有数据传输区的使用权；

如果设备发现其他设备发送的冲突检测码的优先级与本设备相同或是比本设备高，则该设备将选择一个合理的退避时间，再次参与传输单元即无线资源的竞争。

进一步，在所述步骤S3中：

设备检测到高优先级冲突检测码有t个，其中t≥0，低优先级冲突检测码s个，其中s≥0；在设备检测t+s≠0时；如果设备发送高优先级数据，则设备在后续的传输单元0～t中随机选择一个传输单元竞争使用无线资源；如果设备发送低优先级数据，则设备在后续的传输单元 t～t+s中随机选择一个传输单元参与无线资源的竞争；

进一步描述，在冲突场景中，设备选择使用后续的传输单元编号从0开始，退避为0的传输单元即为冲突的本传输单元；

设备等待随机选择出的传输单元时间到来，传输单元时间到达时，设备重新选择冲突检测码，再一次参与竞争使用数据传输区的过程。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明解决了在帧同步条件下的传输资源竞争使用问题。在现有的帧同步方式下，传输资源进行统一分配使用，不存在竞争使用场景，但随着业务以及场景的增加，虽然不同设备之间有相同的帧同步，但是也存在竞争使用传输资源场景。

(2)本发明使用正交冲突检测码的方式，在设备检测到冲突时获得冲突的严重程度，确定了竞争使用相同的传输资源的设备数量。

(3)本发明将冲突检测码分成了不同的优先级，能够适应不同优先级竞争使用传输资源的场景。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为基于帧结构的无线资源冲突检测示意图；

图2为基于帧结构的无线资源协调过程图；

图3为无线传输冲突中的退避机制；

图4为常规CP模式下的冲突解决机制；

图5为扩展CP模式下的冲突解决机制；

图6为LTE帧模式下的冲突解决机制；

图7为LTE帧模式下的冲突退避机制；

图8为小小区和移动终端竞争使用多个传输单元场景示意图；

图9为LTE帧模式下的多信道冲突退避机制。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明采用无线帧方式对无线资源进行管理和使用，首先将无线帧分成冲突检测区和数据传输区，一个冲突检测区和一个数据传输区构成一个传输单元。冲突检测区用于协调多个设备竞争使用数据传输区，由多个冲突检测时隙构成。数据传输区用于设备传输高优先级或是低优先级的数据，数据传输区可以由多个数据传输帧构成。

每个冲突检测区中的冲突检测时隙可能承载多个具有正交性质的冲突检测码，冲突检测码分成两组，高优先级冲突检测码和低优先级冲突检测码，如果设备发送高优先级数据则从高优先级冲突检测码中随机选择一个，如果是低优先级数据，则从低优先级冲突检测码中随机选择一个，并且将冲突检测码在冲突检测时隙上发送。

设备在进行冲突检测的时候，首先检测出冲突检测时隙里所有的冲突检测码，并且通过检测冲突检测码的数量评估数据传输区存在的冲突严重程度，并以此确定设备的退避时间。如果没有发现其他设备发送冲突检测码，则设备可以使用数据传输区的无线资源。

下面具体描述本发明提供的基于帧结构的无线资源协调过程，如图2所示。

步骤1：设备使用的所有冲突检测码的各个码字之间具有正交性，所有设备使用相同方法将冲突检测码分成两个组，即高优先级和低优先级冲突检测码。如图2中1步。

步骤2：如果设备请求发送的是高优先级数据，那么从高优先级冲突检测码中随机选择一个码，如果是低优先级数据，那么从低优先级冲突检测码中随机选择一个码，并在后续的冲突检测时隙上发送出去。如图2中2，3，4，5步。

步骤3：设备在后续的冲突检测时隙中随机选择一个冲突检测时隙后，本设备停止在该冲突检测时隙上发送冲突检测码，并且检测出其他设备在冲突检测时隙上发送的冲突检测码。如图2中6步。

步骤4：如果在步骤3中，设备未发现其他设备发送的冲突检测码，则确定本设备拥有数据传输区的使用权限。如图2中7，8步。

步骤5：如果在步骤3中，设备发现了其他设备发送的冲突检测码，并且所有的冲突检测码优先级都低于本设备的冲突检测码优先级，则该设备拥有数据传输区的使用权。

步骤6：如果在步骤3中，设备发现其他设备冲突检测码的优先级与本设备相同或是比本设备高，则设备将选择一个合理的退避时间，再次参与传输单元即无线资源的竞争。如图 2中9，10，11步。

下面具体描述本发明提供的基于帧结构的无线资源冲突协调时的退避过程，如图3所示。

步骤1：设备在即将到来的冲突检测区中随机选择一个冲突检测时隙，即在如图1中的冲突检测区1～M中随机选择一个冲突检测时隙。如图3中1步。

步骤2：设备在随机选择的冲突检测时隙中会检测出所有冲突检测码，假设设备检测到高优先级冲突检测码有t个(t大于或等于0)，低优先级冲突检测码s个(s大于或等于0)。如果设备未发现高优先级冲突检测码和低优先级冲突检测码，则本设备拥有在数据传输区内无线资源的使用权限。如图3中2，3，4，5步。

步骤3：如果在第2步骤中，设备检测t+s不等于0，并且如果设备发送高优先级数据，则设备在后续的传输单元0～t中随机选择一个传输单元竞争使用无线资源，其中随机选择的后续的传输单元为0，则表示选择本冲突传输单元进行数据传输。如果设备发送低优先级数据，则设备在后续的传输单元t～t+s中随机选择一个传输单元参与无线资源的竞争。如图3 中6，7，8步。

步骤4：设备等待随机选择出的传输单元时间到来。当传输单元时间到达时，设备重新选择冲突检测码，再一次参与竞争使用数据传输区的过程。如图3中9步。

下面对两个应用场景进行举例说明，首先是LTE小小区竞争使用无线资源的场景，其次是LTE移动终端进行直通通信的场景。

具体实施例1：

在未来LTE小小区的部署应用，即插即用是一个发展的方向，可以类似WiFi热点进行部署，但是小小区的即插即用功能对于无线资源的规划和使用将带来很大的冲击，主要是因为不同的小小区之间没有办法及时地协调无线资源的使用，所以小小区竞争使用无线资源将不可避免。本发明提供了一种解决这种冲突的方法。

为了清楚地说明本发明的使用细节，下文将从两个角度进行说明，首先是多个LTE终端竞争使用同一个传输单元的方法，然后是多个LTE终端竞争使用多个传输单元的方法。

多个小小区和LTE终端进行数据传输前，需要竞争使用同一个传输单元，在描述具体操作方式之前先介绍基本概念：

第一：时隙资源划分：继续沿用目前的LTE帧结构，如果是正常CP模式，那么一个子帧分成了14个正交频分复用(简称：OFDM)符号,其中前7个OFDM符号用于冲突检测区，每个符号定义为一个冲突检测时隙，如图4所示。如果是扩展CP模式，则一个子帧有12个 OFDM符号，其中前3个OFDM符号定为冲突检测区，如图5所示。在实际的使用中，冲突检测时隙数目(在该实施例中即OFDM个数)，可以根据不同***而不同。为了方便说明，在该实施例子中，将采用正常CP模式，即有7个冲突检测时隙(7个OFDM时间)来说明该发明的具体实施。

第二：传输单元的定义：根据本发明的要求，传输单元由冲突检测区和数据传输区构成，在本实施例中，假定数据传输区是由发送数据区1和发送数据区2构成，发送数据区可以是 1个或是多个子帧无线资源。为了方便说明，发送数据区2由两个1ms长度的子帧构成。

第三：传输数据优先级：在数据传输区发送的数据分成两种类型，信令数据和业务数据。其中信令数据定义为本发明中的高优先级数据，业务数据定义为本发明中的低优先级数据。

第四：冲突检测码：在本实施例子中，冲突检测码采用ZC序列，ZC序列中不同的ZC序列码之间相互正交。

下面具体介绍小小区和移动终端之间的数据传输，主要是介绍协调冲突并使用传输资源的操作流程。具体如图6所示。

步骤1：小小区基站上电之后，首先搜索附近的宏基站，如果没有收到到宏基站，则继续搜索附近小小区基站，该过程的目的是保证一个区域中所有的小小区都保持同步状态，也就是具有频率和帧定时同步。如图6中1步。

步骤2：小小区基站发送下行数据到移动终端的时候，或是小小区收到移动终端请求需要发送上行数据的时候，即小小区和移动终端之间数据传输需要占用无线资源。如图6中2， 3步。

步骤3：小小区基站首先确定需要发送的数据类型，如果是信令数据，则定义为高优先级数据，如果是业务数据，则定义为低优先级数据。如果是高优先级数据，则随机选择一个高优先级的正交冲突检测码，如果是低优先级数据，则随机选择一个低优先级的正交冲突检测码。如图6中4，5，6步。

步骤4：小小区将等待下一个传输单元时间到来，具体计算方式是SFN％T_Schedule＝ T_Offset,其中SFN表示所有小小区都保持相同的***帧号(单位为无线帧)，T_Schedule表示传输单元的长度，即表示多少个无线帧。T_Offset表示偏移量。T_Schedule和T_Offset为预先设定，所有的小小区都使用相同的参数，在该实施例子中T_Schedule＝3，T_Offset＝0。如图6中7步。

步骤5：小小区在一个传输单元到来的时候，会在传输单元的冲突检测时隙上发送正交冲突检测码，除了自己需要检测的冲突检测时隙，在传输单元剩余的每个冲突检测时隙都需要发送。如图6中8步。

步骤6：小小区在传输单元的所有冲突检测时隙中随机选择一个冲突检测时隙。检测是否存在其他小小区需要发送数据，如果存在正交冲突检测码，表示有其他小小区也在请求使用该传输单元，否则表示没有其他小小区请求使用该传输单元。如图6中9步。

步骤7：如果小小区在冲突检测时隙中检测到正交冲突检测码，则小小区将启动本发明中的冲突退避机制，否则表示小小区和移动终端之间可以使用该传输单元进行数据传输。如图6中10步。

下面具体介绍LTE终端请求使用传输资源冲突时的退避机制。具体如图7所示。

步骤1：小小区随机选择一个冲突检测时隙，在这个冲突检测时隙中停止发送本小小区的正交冲突检测码。如图7中1步。

步骤2：小小区接收选定的冲突检测时隙上的数据，并检测出所有的正交冲突检测码。假定检测出高优先级的正交冲突检测码有t个，低优先级的正交冲突检测码有s个。如图7 中2步。

步骤3：检测到正交冲突检测码有t+s个，如果t+s＝0，则表明没有其他小小区竞争使用该传输单元，本小小区可以使用传输单元上的数据传输区资源。如图7中3，4步。

步骤4：如果t+s不等于0，则表明其他小小区也在竞争使用该传输单元的数据传输区资源，如果小小区和移动终端之间发送的是信令数据，则小小区会在[1,t](表示在1和t之间，包括1和t)个传输单元中随机选择一个传输单元，并在该传输单元上再次参与冲突时传输资源的竞争。如果小小区和移动终端之间发送的是业务数据，则小小区在[(t+1),(t+s)](表示在 t+1和t+s之间，包括t+1和t+s)个传输单元中随机选择一个传输单元，在该传输单元上再次参与冲突时传输资源的竞争。

如图7中5，6，7步。

步骤5：随机选定传输单元之后，小小区重新选择对应的正交冲突检测码，等待选定的传输单元到来，然后再次参与传输单元的冲突检测来完成竞争传输资源的过程。如图7中8， 9步。

上面给出了多个小小区和终端之间竞争使用一个传输单元的场景，在实际的应用中，小小区和移动终端可以竞争使用不同频点提供的传输单元。下面具体介绍使用本发明解决多个小小区和移动终端竞争使用多个传输单元的方法。

多个小小区和移动终端竞争使用多个传输单元场景，具体如图8所示。假定小小区和移动终端之间可以使用K个传输单元。每个信道之间相互独立，每个信道的传输单元也是从 SFN％T_Schedule＝T_Offset位置开始，每个传输单元有自己的冲突检测区和数据发送区。

下面具体介绍多个小小区和LTE终端使用多套传输资源请求数据传输并冲突时的处理流程。具体如图9所示。

步骤1：小小区首先确定该区域中可以使用的传输资源，即确定可用的传输信道，假定存在K条独立的传输信道。如图9中1步。

步骤2：需要发送或是接收数据的小小区从信道编号1到k中随机选择一个信道，假定随机选择的信道编号为z，其中z属于1到k之间整数(可以包括1和k)。如图9中2步。小小区首先竞争使用信道k上的传输单元。

步骤3：小小区根据多个小小区和移动终端冲突使用传输资源的方式，竞争使用信道k 上的传输单元资源。如图9中3步。

具体实施例2：

为了更好说明本发明能在实际中运用，下文将继续进行举证。在无任何基站覆盖的环境中LTE终端之间需要相互通信，特别是在应急或是救灾场景中，由于LTE基站不能使用，所以支持LTE终端之间的通信非常必要。由于在同一区域中，可能存在很多对LTE终端都需要进行相互通信，但是它们之间没有办法进行无线资源协调使用，需要采用冲突竞争方式。该场景为设备到设备(简称：D2D)场景，所以本发明也可以应用于D2D传输资源的竞争使用过程中。

在LTE***D2D中，使用无线资源的方式有两种，一种是由基站调度确定D2D终端的无线资源，也就是基站调度D2D终端发送使用的时频资源。另外一种方式是由网络配置一组无线资源或是由终端默认一组无线资源，然后D2D终端随机选择一组无线资源使用。在第二种情况中，由于D2D终端之间没有基站进行无线资源协调，所以存在D2D终端竞争使用无线资源的情况。在D2D终端直通场景下，利用本发明专利能够很好地解决无基站调度时因无线资源产生的冲突。

结合上面具体实施例1中的描述，解决D2D终端直通通信的具体方法如下。

步骤1：D2D终端开机上电，首先搜索基站信号，如果没有搜索到基站信号，则搜索附近D2D终端发送的同步信号，保证通信中的D2D终端参考相同的LTE无线帧时隙和相同的***帧号。

步骤2：根据目前3GPP标准的定义，D2D终端直通使用的无线资源来自***消息广播、连接模式配置以及终端默认配置。其中***消息广播和连接模式配置，必须是终端处于基站信号覆盖范围内，则网络可以配置无线资源，让发出请求的D2D终端自己随机选择使用。如果D2D处于无基站覆盖区域，则D2D终端只能随机选择默认的无线资源使用。

步骤3：如果D2D终端需要发送信令数据，则D2D终端从高优先级正交冲突检测码中随机选择一个，如果D2D终端发送业务数据，则D2D终端从低优先级正交冲突检测码中随机选择一个。

步骤4：D2D终端在无线资源组中随机选择一组使用。并且根据SFN％T_Schedule＝T_Offset来确定进行冲突检测的传输单元。

步骤5：D2D终端在传输单元的冲突检测区中的冲突检测时隙上发送选定的正交冲突检测码，并且在随机选择的一个冲突检测时隙到来时，D2D停止发送自己的冲突检测码，同时检测其他D2D终端是否发送了冲突检测码。

步骤6：如果D2D终端在冲突检测时隙上检测到其他D2D终端发送的冲突检测码，则D2D终端启用本发明专利中的退避机制进行处理。

步骤7：如果D2D终端在冲突检测时隙上未检测到其他D2D终端发送的冲突检测码，则该D2D终端拥有在传输单元上发送数据的权限。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种基于帧结构的无线资源冲突检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：所有冲突检测码的各个码字之间具有正交性；将无线帧分成冲突检测区和数据传输区，一个冲突检测区和一个数据传输区构成一个传输单元；冲突检测区由多个冲突检测时隙构成，用于协调多个设备竞争使用数据传输区，数据传输区由多个数据传输帧构成，用于设备传输高优先级或是低优先级的数据；

S2：将冲突检测时隙承载的冲突检测码分成高优先级冲突检测码和低优先级冲突检测码；如果设备发送高优先级数据则从高优先级冲突检测码中随机选择一个，如果设备发送低优先级数据则从低优先级冲突检测码中随机选择一个；将冲突检测码在冲突检测时隙上发送；

S3：设备检测出冲突检测时隙里所有的冲突检测码，通过检测冲突检测码的数量评估数据传输区存在的冲突严重程度，并以此确定设备的退避时间；如果没有发现其他设备发送冲突检测码，则设备使用数据传输区的无线资源；

在所述步骤S3中：

如果设备未发现其他设备发送的冲突检测码，则确定本设备拥有数据传输区的使用权限；

如果设备发现了其他设备发送的冲突检测码，并且所有的冲突检测码优先级都低于本设备的冲突检测码优先级，则该设备拥有数据传输区的使用权；

如果设备发现其他设备发送的冲突检测码的优先级与本设备相同或是比本设备高，则该设备将选择一个合理的退避时间，再次参与传输单元即无线资源的竞争；

在所述步骤S3中：

设备检测到高优先级冲突检测码有t个，其中t≥0，低优先级冲突检测码s个，其中s≥0；在设备检测t+s≠0时；如果设备发送高优先级数据，则设备在后续的传输单元0～t中随机选择一个传输单元竞争使用无线资源，其中随机选择的后续的传输单元为0，则表示选择本冲突传输单元进行数据传输；如果设备发送低优先级数据，则设备在后续的传输单元t～t+s中随机选择一个传输单元参与无线资源的竞争；

设备等待随机选择出的传输单元时间到来，传输单元时间到达时，设备重新选择冲突检测码，再一次参与竞争使用数据传输区的过程。

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