TWI478556B - 擁塞控制 - Google Patents

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Description

擁塞控制
本發明係關於一種用於一通信系統之擁塞控制方法。本發明亦係關於一種對應電腦程式產品及通信裝置。
在無線通信網路中，擁塞控制係一問題，其需得以解決以具有一平穩運作之網路，從而為其使用者提供良好之服務品質(QoS)。通信網路中之"擁塞"通常被理解為這樣一種情形，其中由於容量不足或訊務超負載而使網路不能夠遞送所提供之負載。擁塞之結果係服務之QoS降級，即，較低通量、較高端對端封包延遲，或甚至在某些嚴重情形中摒棄封包。
已知通信網路就安全而言可提供兩種不同類型之服務。第一級服務僅包含關於安全或安保之服務，然而其他服務類型提供其他類型之服務，即無關安全之服務。此種系統之一實例係一無線車輛間通信(IVC)系統，其旨在改良駕駛之安全性及舒適性。一般地，由IVC系統所提供之服務歸屬於兩個種類，亦即安全服務及非安全服務。
在IVC系統中，安全服務為司機預先提供關於危急情形之資訊。此種類之典型應用包含交通信號違背警告、緊急情況電子刹車燈、碰撞預警、合作危險警告傳播、車道變換警告等等。由於此等種類之應用在高速車環境中與人類之安全密切相關，故其特徵在於對可靠性及通常情況下延時小於100毫秒之嚴格要求。另一方面，因旨在提高駕駛之舒適性及改良運輸系統之效率，非安全服務與安全服務相比通常指派有較低優先級。包含交通訊息傳播、通行費徵收、電子地圖下載、多媒體應用等等之此種類之應用通常需要較多頻寬。
由於電子與電氣工程師學會(IEEE)802.11無線區域網路(WLAN)技術能夠在數百米達一千米之一區域範圍內提供具有低延時之高速率資料傳輸，因此其被廣泛認為係下一代IVC系統之媒體存取控制(MAC)及實體層(PHY)之使能技術。如IEEE 802.11標準中所規定之分佈式協調功能(DCF)，IEEE WLAN MAC係基於具有碰撞避免之載波感測多重存取(CSMA/CA)，其中每一站皆遵循一先聽候送及隨機退後方案以避免碰撞。如在IEEE 802.11e標準中所規定之增強型分佈式頻道存取(EDCA)功能，藉由指派一相對較短頻道感測時間及較小隨機退後時槽編號產生窗來授權安全服務之優先級。然而，在其中頻道資源由具有一第一次序之優先級之服務(例如安全應用)及具有一第二次序之優先級之服務(例如非安全應用，例如IEEE 802.11p)共享之系統中，由於非安全應用所造成之頻道擁塞，安全應用之QoS可受到損害。在此等系統中，其中頻道資源由安全及非安全資源共享，儘管已將一較高優先級指派給安全應用，但非安全應用可耗盡頻道資源。因此，期望避免擁塞以防止具有一第一次序優先級之服務之QoS降級。
因此，需要一種經改良之擁塞控制方法。
根據本發明之一第一態樣，提供一種用於一通信系統之擁塞控制方法，該通信系統支援用於至少一第一通信裝置與一第二通信裝置之間之通信之分層無線電頻道結構，該分層結構包括至少一實體層及一媒體存取層，該通信系統提供一具有一第一優先級次序之第一類型之服務及一具有一第二優先級次序之第二類型之服務，在該通信系統中，包括一前置項及一有效負載之訊息可在裝置之間傳輸，每一訊息由至少一對應於在兩個訊息之間的一最小可允許週期之週期分開，該方法包括由第一通信裝置執行之以下步驟：
-產生一與該第一類型之服務相關之實體層訊息；
-感測無線電頻道在對應於兩個訊息之間之最小可允許週期之至少一週期內閒置；及
-傳輸包括一指示與訊息相關之服務類型之特殊前置項之實體層訊息，其中不管所傳輸訊息之有效負載之解碼狀態如何，該前置項之內容皆經配置以由在一通信範圍內之第二通信裝置偵測。
此提供擁塞控制得以改良之優點，且此在提供指派不同優先級之兩種不同類型服務之網路中係特別有利。舉例而言，此等服務之實例係用於安全及非安全應用。在此等情況下，有利地給予安全服務較高的優先級，且儘管網路被擁塞，安全訊息亦可由在網路中運作之終端機傳輸及可靠地接收。
根據本發明之第二態樣，提供一電腦程式產品，其包括當裝載且運行於該等通信裝置中之任一者之電腦構件上時用於根據本發明之第一態樣實施該方法之指令。
根據本發明之一第三態樣，提供一種用於一通信系統之通信裝置，該通信系統支援用於使得至少該通信裝置與另一通信裝置之間能夠通信之分層無線電頻道結構，該分層結構包括至少一實體層及一媒體存取層，該通信系統提供一具有一第一優先級次序之第一類型之服務及具有一第二優先級次序之第二類型之服務，在通信系統中，包括一前置項及一有效負載之訊息可在裝置之間傳輸，每一訊息由對應於在兩個訊息之間之一最小可允許週期之至少一週期分開，該通信裝置包括：
-一實體層訊息產生器，其用於產生一與第一類型之服務相關之訊息；
-一無線電頻道偵測器，其用於感測無線電頻道在對應於兩個訊息之間之最小可允許週期之至少一週期內閒置；及
-一傳輸器，其用於傳輸包括一指示與訊息相關之服務類型之特殊前置項之實體層訊息，其中不管所傳輸訊息之有效負載之解碼狀態如何，該前置項之內容皆經配置以由在一通信範圍內之其他通信裝置偵測。
在以下闡述中，將在一CSMA/CA系統中之DCF之上下文中更詳細地闡述本發明之某些非限定性例示性實施例。然而，應瞭解，本發明並不限於此環境，但是本發明之教示同樣可適用於採用其他多重存取方案(例如分頻多重存取(FDMA))之通信系統中。更具體而言，CSMA/CA系統(其中本發明之某些實施例得以更詳細闡述)係一IVC系統，其中實體及MAC層根據IEEE 802.11p標準實施。
IEEE 802.11p現已成為IVC系統之一世界性WLAN標準。自實體層之觀點看，將頻率頻道劃分為用於控制及安全服務或非安全服務之若干頻道。用於控制及安全使用之頻道亦可稱為一控制頻道(CCH)。作為IEEE 802.11 MAC之基本存取機制，該DCF藉由使用CSMA/CA達成在相容裝置之間共享之自動媒體。裝置在開始傳輸之前感測無線媒體以確定其是否係閒置。若媒體看似閒置，則傳輸可進行，否則該裝置將一直等到正在進行之傳輸結束。該CSMA/CA機制需要一在毗鄰訊框傳輸之間的最小規定間距，亦稱為一短訊框間間距(SIFS)，其係最短的訊框間間距。一裝置將確保在試圖傳輸之前媒體在規定訊框間間隔內係閒置的。
分散式訊框間間距(DIFS)由在DCF下運作以傳輸資料訊框之裝置使用。一使用DCF之裝置必須遵循兩條媒體存取規則：(1)只有該裝置之載波感測機制確定媒體在至少DIFS時間內閒置才允許其傳輸；且(2)為減少存取媒體之多個裝置中間之碰撞可能性，該裝置將在延期之後或在一成功傳輸之後試圖傳輸另一訊框之前選擇一隨機退後間隔。具有一欲傳輸之資料包之裝置在零與競爭窗(CW)之間選取一隨機號碼，其以時槽之數目確定退後定時器之持續時間。
圖1顯示一環境，其中可應用本發明之教示。在圖1中顯示一第一通信裝置A、一第二通信裝置B及一第三通信裝置C，所有該等通信裝置皆係此實例中之車輛。在此實例中，此等車輛經佈置以根據IEEE 802.11p標準彼此直接通信。因而，無線裝置之間的通信藉由無線電而發生。
如圖1所顯示，在此情景中三部車輛A、B及C正朝向同一方向行駛。所有車輛皆處於彼此通信範圍之內。現在可考量一情形，其中車輛A想要在其通信範圍內向其他車輛傳輸一警告訊息，但是在習用系統中，若車輛B與C業已具有一正在進行之通信對話，則此係不可能。此歸因於以下所識別之三個問題：
1)　雖然根據802.11 MAC協定安全訊息具有用於存取頻道之較高優先級，但是在車輛A處所產生之警告訊息必須一直等到頻道變為閒置達對應於一點訊框間間距(PIFS)之至少一週期，此乃因頻道當前由自車輛C至車輛B之非安全傳輸所佔據。
2)　根據IEEE 802.11 MAC，在自車輛C至車輛B之非安全資料訊框結束時，必須設定一網路分配向量(NAV)直至自車輛B至車輛C之期望確認(ACK)訊框結束。因此，警告訊息不能自由車輛B傳輸之ACK訊框奪取頻道資源，此乃因ACK訊框僅與非安全訊框分開一對應於SIFS之週期，該週期係最短的訊框間間距。
3)　根據IEEE 802.11e MAC協定，只要授權給車輛C之傳輸機會(TXOP)未到期，則在ACK訊框之後，車輛C可在不執行一退後之情況下在一SIFS之後繼續進行傳輸。一TXOP係一有限制之時間間隔，在該時間間隔期間，只要傳輸之持續時間不延伸超出TXOP之最大持續時間，則一裝置可發送盡可能多的訊框。若車輛B與車輛C之間不發生傳輸錯誤，則在車輛A處之警告訊息必須一直等到此TXOP結束，且然後競爭進行頻道存取。
圖2顯示在上述情形中傳輸之訊息，其中由於車輛B與C之間正在進行之非安全傳輸而延遲了在車輛A處所產生之警告訊息。
本發明所建議之解決方案旨在藉由使用一基於中斷之方案自一具有一低優先級之正在進行之傳輸奪取頻道資源。在下文所闡述之實例中，此一傳輸意指經保留以用於非安全應用之傳輸。引入一經特殊設計之實體層聚合程序(PLCP)前置項、下文實例中之Warning_preamble以用於偵測安全警告訊息之外觀(即使在來自其他傳輸之干擾下)。且建議一Warning_ACK訊框以將傳輸器之雜信抑制在原始警告訊息傳輸器範圍之外，其目的係為警告訊息傳播清除頻道資源。
該PLCP前置項係正交分頻複用(OFDM)符號圖案之一特殊序列，其被附加至每一IEEE 802.11a/p PLCP訊框之開始以用於在接收器處之定時獲取、頻率獲取及自動增益控制(AGC)。接收該PLCP前置項無需解調及解碼。因此，甚至在一嚴重信號對干擾及雜訊比(SINR)情形中，仍可容易地偵測該PLCP前置項。即使警告訊息主體由於來自正在進行之非安全傳輸之干擾在接收機處受到破壞，傳輸器亦可藉由引入一用於警告訊息之易於辨別之PLCP前置項來指示一危險警告訊息之存在。
所建議之頻道資源奪取方案係基於警告前置項且警告ACK之特徵在於以下特徵：
1)　當在一於下文闡述中稱為"原始警告站"之裝置處產生或接收一警告訊息時，此裝置將在感測頻道在一SIFS內係閒置之後傳輸具有警告前置項之警告訊息。在頻道感測期間，忽略由正在進行之非安全傳輸造成之NAV設定；
2)　不管ACK或警告訊息訊框體之解碼狀態如何，若一警告前置項在其自身之非安全訊框傳輸SIFS之後被偵測，則已完成一非安全封包傳輸且正期望一來自接收器之ACK之任一裝置必須抑制任何進一步傳輸，且以非安全服務之最大競爭窗大小開始退後；
3)　不管非安全及警告訊息訊框實體之解碼狀態如何，在接收非安全封包期間已偵測一警告前置項之任一裝置必須在先前非安全訊框接收結束SIFS後傳輸一具有警告前置項之警告ACK。
接下來參照流程圖圖3及圖4闡述本發明之一第一實施例。在第一實施例中，如圖1所顯示之三部車輛處於彼此通信之範圍內。
首先，在步驟301中，車輛A在自車輛C至車輛B之非安全傳輸期間產生一警告訊息。在步驟303中，車輛A感測一SIFS之頻道閒置且然後在步驟304中忽略NAV設定且在步驟305中立即傳輸具有警告前置項之警告訊息。
由車輛A所傳輸之警告訊息可與來自B之ACK訊框碰撞。然而，由於由該警告訊息所使用之警告前置項，車輛C仍可偵測警告訊息之外觀。因而，在步驟307中，車輛C接收且偵測來自車輛A之警告訊息。
一旦車輛C偵測到該警告訊息，其即在步驟309中抑制進一步之傳輸且以非安全服務之最大競爭窗大小開始退後。然後最終在步驟311中為警告訊息傳播清除頻道。以上程序亦在圖4中圖解說明，圖中顯示沿一時間線傳輸不同訊息。
接下來參照流程圖圖5及圖6闡述本發明之第二實施例。在該實施例中，原始警告車輛A在非安全傳輸器車輛C之通信範圍外，而非安全接收器車輛B在原始警告車輛A之範圍內。
首先，在步驟501中，車輛A在自車輛C至車輛B之非安全傳輸期間產生一警告訊息。在步驟503中，車輛A感測一SIFS之頻道閒置，且然後在步驟504中當傳輸一清除發送(CTS)訊息時忽略由車輛B所設定之NAV，且在步驟505中立即傳輸具有警告前置項之警告訊息。步驟501、503、504及505實際上與上文所解釋之步驟301、303、304及305相同。
由車輛A所傳輸之警告訊息可與在車輛B處之正在進行之非安全傳輸碰撞。然而，由於由警告訊息所使用之警告前置項，車輛B仍可偵測該警告訊息之外觀。因而，在步驟507中，車輛B接收且偵測來自車輛A之警告訊息。應注意，因車輛C在車輛A之範圍外，故其不能接收來自車輛A之傳輸。
即使不能在車輛B處解碼訊框體，但是仍能夠在非安全訊框結束一SIFS後在步驟509中傳輸一具有警告前置項之警告ACK。一旦車輛C接收到警告ACK或一偵測到警告前置項，車輛C即在步驟511中抑制進一步傳輸且以非安全服務之最大競爭窗大小開始退後。然後最終在步驟513中為警告訊息傳播清除頻道。以上程序亦在圖6中圖解說明，圖中顯示沿一時間線傳輸不同訊息。
在圖7中顯示可根據上文所解釋之教示而運作之通信裝置之一簡化方塊圖。在圖中顯示一包括一天線703及一RF區段705之傳輸器/接收器部分701，其目的係選擇來自天線703之傳入信號且放大所接收之信號。然後亦顯示一實體層訊息產生器707及一MAC層訊息產生器709，其經配置以分別產生警告前置項及警告ACK訊框。使用一頻道偵測器711偵測頻道是否係閒置的或是否經保留以用於通信。使用一中央處理器(CP)713來控制通信裝置之全部作業。應注意，圖7僅顯示與本發明之教示有關之某些塊。在此上下文中忽略其他塊，但其為熟悉此項技術者所習知。
本發明同樣係關於一電腦程式產品，當其裝載且運行於上文所提及之裝置之電腦構件上時能夠實施本發明之實施例之任一方法步驟。一電腦程式可儲存/分佈在一與其他硬體一起供應或作為其他硬體之一部分來供應之適當媒體上，但亦可以其他形式分佈，例如經由網際網路或其他有線或無線電信系統。
本發明同樣係關於一積體電路，其經配置以根據本發明之實施例執行任一方法步驟。
儘管已在該等圖式及前文闡述中圖解說明及詳述本發明，但應認為此圖解說明及闡述係闡釋性或例示性而非限定性；本發明並不限於該等所揭示之實施例。
根據對該等圖式、本揭示內容及該等附加請求項之研究，熟習此項技術者在實踐所請求之發明時可瞭解及實現所揭示之實施例之其他變化形式。在該等請求項中，詞語"包括"並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞"一(a或an)"並不排除複數形式。一單個處理器或其他單元可達成該等請求項所述之若干項之功能。僅在彼此不同的附屬請求項內敍述不同特徵之事實並不指示不能有利地使用此等特徵之組合。該等請求項中之任何參考符號皆不應理解為限定本發明之範疇。
701．．．傳輸器/接收器部分(傳輸器)
703．．．天線
705．．．RF區段
707．．．實體層訊息產生器
709．．．MAC層訊息產生器(媒體存取控制訊息產生器)
711．．．無線電頻道偵測器
713．．．中央處理器
根據對非限定性例示性實施例之以下闡述，參照隨附圖式，本發明之其他特徵及優點將變得顯而易見，其中：
圖1顯示經配置以彼此通信之三部車輛；
圖2顯示當在車輛B與C之間存在一正在進行之非安全訊息通信時沿圖1中之車輛之間之一時間線傳輸之可能訊息；
圖3係一圖解說明根據本發明一實施例之簡化流程圖；
圖4顯示根據本發明之一實施例沿圖1之車輛之間之一時間線傳輸之可能訊息；
圖5係一圖解說明根據本發明另一實施例之簡化流程圖；
圖6顯示在流程圖圖5中所圖解說明之情形下車輛之間的關係及所傳輸之訊息；及
圖7係一根據本發明一實施例之一通信裝置之簡化方塊圖。
(無元件符號說明)

Claims (11)

  1. 一種用於一通信系統之擁塞(congestion)控制方法，該通信系統支援用於至少一第一通信裝置與一第二通信裝置之間之通信之分層無線電頻道結構(layered radio channel structure)，該分層無線電頻道結構包括至少一實體層(physical layer)及一媒體存取層，該通信系統提供具有在裝置之間傳輸的包含一前置項(preamble)及一有效負載(payload)之訊息之具有一第一優先級次序(priority order)之一第一類型之服務及具有一第二優先級次序之一第二類型之服務，每一實體層及媒體存取層訊息由至少一期間(period)分開，該至少一期間對應於在訊息之間的一最小可允許期間，該方法包括由該第一通信裝置執行之以下步驟：產生與該第一類型之服務有關(pertaining)之一實體層訊息；感測該無線電頻道在對應於在訊息之間的該最小可允許期間之至少一期間之閒置(idle)；及傳輸包括一指示與訊息相關之服務類型之前置項之該實體層訊息，其中即使該所傳輸訊息之該有效負載被干擾中斷，該前置項之內容經配置以由在一通信範圍內之該第二通信裝置偵測。
  2. 如請求項1之方法，進一步包括一忽略步驟，以忽略由該第二通信裝置所設定之一網路分配向量(allocation vector)。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該前置項進一步包括對該第二通信裝置之一指示以抑制(refrain)與該第二類型之該服務相關之訊息之任何傳輸，且以最大競爭窗(contention window)大小退後(backoff)。
  4. 如請求項1或2之方法，其中該前置項進一步包括一指示，該指示使該第二通信裝置向一第三通信裝置傳輸一警告訊息，以防止該第三通信裝置傳輸與該第二類型相關之訊息，其中該警告訊息係一媒體存取控制層訊息。
  5. 如請求項1或2之方法，其中與該第一類型之服務相關之該等訊息係安全相關訊息，然而與該第二類型之服務相關之該等訊息係非安全相關訊息。
  6. 一種非暫態電腦程式產品，其包括指令，該等指令在裝載且運行於一通信裝置的一處理器上時用於實施如請求項1至5中之任一項之一方法之該等步驟。
  7. 一種用於一通信系統之通信裝置，該通信系統支援用於使至少該通信裝置與另一通信裝置之間能夠通信之分層無線電頻道結構，該分層無線電頻道結構包括至少一實體層及一媒體存取層，該通信系統提供具有在裝置之間傳輸的包含一前置項及一有效負載之訊息之具有一第一優先級次序之一第一類型之服務及具有一第二優先級次序之一第二類型之服務，每一實體層及媒體存取層訊息由由至少一期間分開，該至少一期間對應於在兩個訊息之間的一最小可允許期間，該通信裝置包括：一實體層訊息產生器，其經組態以產生與該第一類型 之服務相關之一實體層訊息；一無線電頻道偵測器，其經組態以感測該無線電頻道在對應於兩個訊息之間之該最小可允許期間之至少一期間之閒置；及一傳輸器(transmitter)，其經組態以傳輸包括一指示與該訊息相關之該服務類型之前置項之該實體層訊息，其中，即使該所傳輸之實體層訊息之該有效負載被干擾中斷，該前置項之內容經配置以由在一通信範圍內之其他通信裝置偵測。
  8. 如請求項7之通信裝置，其進一步包括一媒體存取控制訊息產生器，其經組態以在接收到與該第一類型之服務相關之該訊息之後產生一警告訊息。
  9. 一種用於一通信系統的擁塞控制方法，該通信系統支援用於至少一第一通信裝置與一第二通信裝置之間之通信之分層無線電頻道結構，該分層無線電頻道結構包括至少一實體層及一媒體存取層，該通信系統提供具有在裝置之間傳輸的包含一前置項及一有效負載之訊息之具有一第一優先級次序之一第一類型之服務及具有一第二優先級次序之一第二類型之服務，每一實體層及媒體存取層訊息由至少一期間分開，該至少一期間對應於在訊息之間的一最小可允許期間，該方法包括由該第一通信裝置執行之以下步驟：產生與該第一類型之服務有關之一實體層訊息；感測該無線電頻道在對應於在訊息之間的該最小可允 許期間之至少一期間之閒置；及傳輸包括一指示與訊息相關之服務類型之前置項之該實體層訊息，其中無論該傳輸訊息的有效負載之解碼狀態，該前置項之內容經配置以由在一通信範圍內之該第二通信裝置偵測，其中該前置項進一步包含給該第二通信裝置一指示，抑制與該第二類型之服務相關之訊息之任何傳輸，且以最大競爭窗大小退後。
  10. 一種用於一通信系統之擁塞控制方法，該通信系統支援用於至少一第一通信裝置與一第二通信裝置之間之通信之分層無線電頻道結構，該分層無線電頻道結構包括至少一實體層及一媒體存取層，該通信系統提供具有在裝置之間傳輸的包含一前置項及一有效負載之訊息之具有一第一優先級次序之一第一類型之服務及具有一第二優先級次序之一第二類型之服務，每一實體層及媒體存取層訊息由至少一期間分開，該至少一期間對應於在訊息之間的一最小可允許期間，該方法包括由該第一通信裝置執行之以下步驟：產生與該第一類型之服務有關之一實體層訊息；感測該無線電頻道在對應於在訊息之間的該最小可允許期間之至少一期間之閒置；及傳輸包括一指示與訊息相關之服務類型之前置項之該實體層訊息，其中無論該傳輸訊息的有效負載之解碼狀態，該前置項之內容經配置以由在一通信範圍內之該第 二通信裝置偵測，其中該前置項進一步包含給該第二通信裝置一指示，傳輸一警告訊息至一第三通信裝置，以防止該第三通信裝置傳輸與該第二類型之服務相關之訊息，其中該警告訊息係一媒體存取控制層訊息。
  11. 一種用於一通信系統之通信裝置，該通信系統支援用於使至少該通信裝置與另一通信裝置之間能夠通信之分層無線電頻道結構，該分層無線電頻道結構包括至少一實體層及一媒體存取層，該通信系統提供具有在裝置之間傳輸的包含一前置項及一有效負載之訊息之具有一第一優先級次序之一第一類型之服務及具有一第二優先級次序之一第二類型之服務，每一實體層及媒體存取層訊息由至少一期間分開，該至少一期間對應於在兩個訊息之間的一最小可允許期間，該通信裝置包括：一實體層訊息產生器，其經組態以產生與該第一類型之服務相關之一實體層訊息；一無線電頻道偵測器，其經組態以感測該無線電頻道在對應於兩個訊息之間之最小可允許期間之至少一期間之閒置；及一傳輸器，其經組態以傳輸包括一指示與該訊息相關之該服務類型之前置項之該實體層訊息，其中無論該經傳輸的實體層訊息有效負載之解碼狀態，該前置項之內容經配置以由在一通信範圍內之該另一通信裝置偵測，及 一媒體存取控制訊息產生器，其經組態以在接收到與該第一類型之服務相關之該訊息之後產生一警告訊息。
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