TWI768719B - 通訊裝置與碰撞偵測方法 - Google Patents

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Abstract

一種通訊裝置包括無線收發裝置與碰撞偵測裝置。無線收發裝置用以自一無線傳輸通道接收一無線訊號，其中無線訊號包括一確認封包，確認封包包括對應於複數已傳送封包的確認資訊。碰撞偵測裝置耦接無線收發裝置，用以接收確認封包，根據對應於已傳送封包的確認資訊判斷無線傳輸通道內是否發生碰撞，並且對應地產生一偵測結果。碰撞偵測裝置根據確認封包中具有一既定確認狀態的確認資訊的分布判斷是否發生碰撞，並且當碰撞偵測裝置判斷具有既定確認狀態的確認資訊集中分布於確認封包之一區段時，偵測結果顯示為發生碰撞。

Description

通訊裝置與碰撞偵測方法
本發明係關於一種應用於通訊裝置內的碰撞偵測以及傳輸參數調整機制，尤指一種可有效偵測碰撞之碰撞偵測方法，以及根據偵測結果有效減少碰撞發生之傳輸參數調整方法。
載波偵聽多路存取(Carrier Sense Multiple Access，縮寫CSMA)及碰撞避免(Collision Avoidance，縮寫CA)為無線傳輸系統中一種避免或是減少碰撞的方式。然而，CSMA及CA並不能完全避免碰撞或是干擾對於整個傳輸所帶來的影響，尤其是在WiFi使用的2GHz/5GHz等免費通道中，由於多個不同的通訊系統同時分享著有限的頻寬，且彼此無法偵測，因此碰撞更容易發生。
為了減少碰撞的發生，有效率的偵測碰撞的情形將是非常重要的課題。
本發明之一目的在於提供一種有效率的偵測碰撞方法。
根據本發明之一實施例，一種通訊裝置包括無線收發裝置與碰撞偵測裝置。無線收發裝置用以自一無線傳輸通道接收一無線訊號，其中無線訊號包括一確認封包，確認封包包括對應於複數已傳送封包的確認資訊。碰撞偵測裝置耦接無線收發裝置，用以接收確認封包，根據對應於已傳送封包的確認資訊判斷無線傳輸通道內是否發生碰撞，並且對應地產生一偵測結果。碰撞偵測裝置根據確認封包中具有一既定確認狀態的確認資訊的分布判斷是否發生碰撞，並且當碰撞偵測裝置判斷具有既定確認狀態的確認資訊集中分布於確認封包之一區段時，偵測結果顯示為發生碰撞。
根據本發明之另一實施例，一種碰撞偵測方法，包括：接收一確認封包，其中該確認封包包括對應於複數已傳送封包的確認資訊；以及根據對應於該等已傳送封包的該確認資訊判斷一無線傳輸通道內是否發生碰撞，以對應地產生一偵測結果。其中根據對應於已傳送封包的該確認資訊判斷無線傳輸通道內是否發生碰撞，以對應地產生偵測結果之步驟更包括：根據確認封包中具有一既定確認狀態的確認資訊的分布判斷是否發生碰撞；以及當判斷具有既定確認狀態的確認資訊集中分布於確認封包之一區段時，產生顯示為發生碰撞的偵測結果。
第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之通訊裝置之範例方塊圖。通訊裝置100可包括至少一天線110、碰撞偵測裝置120、無線收發裝置130以及處理器140。值得注意的是，第1圖為一簡化的通訊裝置示意圖，其中僅顯示出與本發明相關之元件。孰悉此技藝者均可理解，一通訊裝置當可包含許多未示於第1圖之元件，以實施無線通訊及相關之信號處理之功能。
無線收發裝置130透過天線110傳送或自無線傳輸通道接收無線訊號。碰撞偵測裝置120耦接無線收發裝置130，用以根據接收到的封包執行碰撞偵測，以判斷是否於無線傳輸通道內發生碰撞。處理器140耦接碰撞偵測裝置120與無線收發裝置130，用以根據偵測結果調整至少一傳輸參數。
為了闡述本發明之操作，第1圖中係將碰撞偵測裝置120繪製於無線收發裝置130與處理器140外，以區分碰撞偵測、封包收送與傳輸參數調整之操作。然而，必須注意的是，於本發明之實施例中，碰撞偵測裝置120可被實作為無線收發裝置130或處理器140內部以作為無線收發裝置130或處理器140之一部分，亦可被實作為設置於無線收發裝置130或處理器140外之一獨立裝置。因此，本發明並不限於任一種實施方式。
根據本發明之一實施例，通訊裝置100可依循802.11通訊規範所規定之通訊協定運作，例如，通訊裝置100可以是無線通訊系統內的一存取點(Access Point，縮寫AP)裝置，也可以是終端裝置(Station)。在802.11n中，加入了封包/幀聚合(frame aggregation)的概念，將多個封包合在一起變成一個封包，其包含了媒體存取控制(Medium Access Control，縮寫MAC)層服務數據單元聚合(Aggregation MAC Service Data Unit，縮寫A-MSDU)和MAC層協議數據單元聚合(Aggregation MAC Protocol Data Unit，縮寫A-MPDU)兩種聚合方式。
第2圖為A-MSDU與A-MPDU兩種聚合方式的示意圖。A-MSDU主要是將MAC層服務數據單元MSDU(於圖中標示為MSDU以求簡明)打上表頭(Header，於圖中標示為HDR以求簡明)之後成為MSDU子幀(subframe)，且於必要時可加入一些填充資料(Padding，於圖中標示為PDD以求簡明)，接著再將許多MSDU子幀(例如，圖中所示之MSDU子幀#1~ MSDU子幀#N)聚合在一起成為一個MAC層服務數據單元聚合A-MSDU(於圖中標示為A-MSDU以求簡明)。A-MSDU會再加上MAC層表頭(MAC Header，於圖中標示為MACHDR以求簡明)和尾部的幀檢查序列(Frame Check Sequence，於圖中標示為FCS以求簡明)偵錯，成為一個MAC層協議數據單元MPDU(於圖中標示為MPDU以求簡明)。而MPDU打上定界符(delimiter)之後成為MPDU子幀(例如，圖中所示之MPDU子幀#1~ MPDU子幀#N)，或稱MPDU封包，且於必要時可加入一些填充資料(Padding，於圖中標示為PDD以求簡明)。之後再將許多MPDU封包聚合在一起成為一個MAC層協議數據單元聚合A-MPDU(於圖中標示為A-MPDU以求簡明)。A-MPDU可再加上實體層表頭(Physical Header，於圖中標示為PHYHDR以求簡明)。通過一次性發送多個MPDU封包，減少了發送每個訊息所需的序言(Preamble)與表頭(Header)等，從而提高系統吞吐量。
第3圖係顯示應用封包聚合之一訊息流範例。於接收到傳送端(例如，通訊裝置100)所傳送包含複數MPDU封包(例如，MPDU [0]~MPDU [N-1])(或稱MPDU子幀)的一個A-MPDU 300之後，接收端將主動回傳一塊確認(BA)封包320，以通知傳送端各MPDU封包的接收狀態。塊確認(BA)係通過使用一個確認幀來完成對多個MPDU封包的應答，以在聚合應用中降低確認幀的數量。
於本發明之實施例中，通訊裝置100可進一步利用BA封包執行碰撞偵測，以得知無線傳輸通道內是否發生碰撞，並且可進一步根據碰撞偵測結果決定是否需調整至少一傳輸參數。
根據本發明之一實施例，無線收發裝置130可自無線傳輸通道接收一無線訊號，其中可包括一確認封包。確認封包可包括對應於複數已傳送封包的確認資訊。碰撞偵測裝置120可自無線收發裝置130接收確認封包，根據其中的確認資訊判斷無線傳輸通道內是否發生碰撞，並且對應地產生一偵測結果。於本發明之實施例中，碰撞偵測裝置120根據確認封包中具有一既定確認狀態的確認資訊的分布情況來判斷是否發生碰撞。當判斷具有既定確認狀態的確認資訊集中分布於確認封包之一區段時，碰撞偵測裝置120將產生顯示為發生碰撞的偵測結果。
更具體的說，於本發明的實施例中，前述確認封包可以是如第3圖所示的塊確認封包320。塊確認封包可包括一塊確認位元圖(bitmap)欄位。塊確認位元圖欄位包括複數確認位元，各確認位元對應於複數已傳送的MPDU封包之一者。例如，於第3圖的範例中，BA的位元圖可包括N位元(確認位元)，各位元對應於A-MPDU中的一個MPDU封包。各確認位元可被接收端設定為一既定確認狀態或一非既定確認狀態，例如，0或1。當確認位元被設定為非既定確認狀態(例如，1)時，其可代表肯定的確認(Ack)，用以表示對應的MPDU封包有正確被接收端收下。當確認位元被設定為既定確認狀態(例如，0)時，其可代表否定的確認(Nack)，用以表示接收端無法成功地收下對應的MPDU封包，或者表示接收端發生接收錯誤。
根據本發明之一實施例，碰撞偵測裝置120可取得確認位元圖中的一部分確認位元，並計算此部分確認位元中被設定為既定確認狀態的位元數量，其中此部分確認位元可以是位元圖中連續的確認位元。例如，位元圖中相鄰或接續排列的位元，或者對應於已傳送的MPDU封包中具有連續編號(例如，前述的編號0~(N-1))或連續索引值、或者依序被傳送的複數封包。當被設定為既定確認狀態的確認位元數量大於一臨界值時，碰撞偵測裝置120可判斷具有既定確認狀態的確認資訊集中分布於確認封包之一區段。於此實施例中，確認位元即為前述確認資訊的一種表現。
根據本發明之一實施例，碰撞偵測裝置120可利用一滑動視窗(sliding window)依序自位元圖中選擇一部分連續的確認位元。
第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之一範例位元圖。於此範例中，假設位元圖包含了32個確認位元，因此位元圖的長度L=32。位元圖的長度L亦相當於一個A-MPDU封包內所包含的MPDU封包數量。此外，於此範例中，滑動視窗410可被設計為用以選取連續8個確認位元，因此滑動視窗410的長度X=8。碰撞偵測裝置120可利用一滑動視窗410自位元圖中選擇連續8個確認位元，並計算選取出的連續8個確認位元中被設定為二元值”0”的確認位元的數量，以得到圖中所示之視窗內的錯誤數量計算結果。於計算出第一個視窗內的錯誤數量後，碰撞偵測裝置120可將滑動視窗410在位元圖中位移一個位元，並重複以上計算操作，以得到對應於各滑動視窗的計算結果。
假設一個視窗內的錯誤數量被標記為{S 1, S 2… S (L-X+1)}，其中S i代表第i個視窗內的錯誤數量，碰撞偵測裝置120可進一步判斷是否有任一個視窗內的錯誤數量大於一臨界值Err_TH。根據本發明之一實施例，所述臨界值可與位元圖中被設定為既定確認狀態的確認位元之總數相關。於此範例中，被設定為二元值”0”的確認位元的總數M=12，臨界值Err_TH可被設定為M*Th，其中係數Th可被設定為0＜Th≦1，例如，Th=0.5，則於此範例中Err_TH=12*0.5=6。若統計出的錯誤數量{S 1, S 2… S (L-X+1)}之中有任一者S大於臨界值Err_TH，例如，第4圖中的S 10=7＞6，碰撞偵測裝置120可判斷此A-MPDU封包中所發生的錯誤過於集中，並可判斷過於集中的錯誤可能是因A-MPDU封包發生碰撞所導致的。若可判斷出傳送此A-MPDU封包時發生碰撞，則於執行速率調整(Rate Adaption)或者其他傳輸參數調整的判斷時，便可排除此A-MPDU封包(以下段落將有更詳細的介紹)。
第5圖係顯示根據本發明之一實施例所述之另一範例位元圖。於此範例中，L=32、X=8、M=12且Th=0.5，其與前一範例相同。然而，此範例的錯誤分布與前一範例不同。由於此範例所統計出的錯誤數量{S 1, S 2… S (L-X+1)}均小於臨界值Err_TH，例如，其中的最大值S 4=4＜6，碰撞偵測裝置120可判斷此A-MPDU封包中所發生的錯誤大體是均勻地分布，並可判斷均勻地發生的錯誤可能是由於訊噪比(Signal to Noise Ratio，縮寫SNR)不足所導致的。若可判斷出傳送此A-MPDU封包時並未發生碰撞，則於執行傳輸參數調整的判斷時，便可納入此A-MPDU封包。
第6圖係顯示根據本發明之一實施例所述之又另一範例位元圖。於此範例中，L=32、X=8、M=22且Th=0.5。由於此範例所統計出的錯誤數量{S 1, S 2… S (L-X+1)}均小於臨界值Err_TH，例如，其中的最大值S 2=6＜11，碰撞偵測裝置120可判斷此A-MPDU封包中所發生的錯誤大體是均勻地分布，並可判斷均勻地發生的錯誤可能是由於訊噪比不足所導致的。若可判斷出傳送此A-MPDU封包時並未發生碰撞，則於執行傳輸參數調整的判斷時，便可納入此A-MPDU封包。
根據本發明之一實施例，滑動視窗長度X、係數Th等相關參數可根據實際的傳輸參數(例如，接收訊號強度指標(Received Signal Strength Indication，縮寫RSSI)、接收訊號的SNR、接收訊號的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude，縮寫EVM)、無線傳輸通道特性等)動態調整。例如，於本發明之一實施例中，假設接收訊號的SNR較大，代表傳輸通道的雜訊較小，封包的接收會比較穩定，此時X和Th可被設定為較小的數值，如此可較容易偵測到碰撞，避免執行過度或沒必要的傳輸參數調整。
反之，當接收訊號的SNR較小時，代表傳輸通道的雜訊較大，此時X和Th可被設定為較大的數值，如此封包的接收錯誤比較不容易被誤偵測/判斷為發生碰撞，藉此可執行必要的傳輸參數調整。換言之，於本發明之一實施例中，接收訊號的SNR越大，滑動視窗長度X與係數Th可被設定的越小，接收訊號的SNR越小，滑動視窗長度X與係數Th可被設定的越大。
類似地，於本發明之一實施例中，接收訊號的EVM越小或RSSI越大，滑動視窗長度X與係數Th可被設定的越小，因EVM越小或RSSI越大可代表封包的接收會比較穩定，藉此可提高碰撞偵測靈敏度。反之，接收訊號的EVM越大或RSSI越小，滑動視窗長度X與係數Th可被設定的越大，以減少碰撞的誤偵測。
第7圖係顯示根據本發明之一實施例所述之傳送端操作流程範例。傳送端(例如，通訊裝置100)可傳送至少一A-MPDU封包，並且接收對應的BA封包。於取得BA封包後，傳送端可根據BA封包內所夾帶的資訊執行碰撞偵測與傳輸參數調整。於較佳實施例中，傳送端可利用各A-MPDU封包所對應的碰撞偵測結果輔助傳輸參數調整的執行，例如，根據碰撞偵測結果修正封包錯誤率的計算結果，以避免執行過度或無助於改善傳輸效能的參數調整。
舉例而言，假設通訊裝置100於一段時間內收集到10個BA封包BA1~BA10，碰撞偵測裝置120可根據各BA封包內所夾帶的資訊執行碰撞偵測，以分別判斷於傳送這10個BA封包所對應的A-MPDU封包時是否發生碰撞，並將偵測結果提供給處理器140。若偵測結果顯示為於傳送第三個A-MPDU封包時發生碰撞，則處理器140可於統計封包錯誤率時排除第三個BA封包BA3，僅根據剩餘的9個BA封包計算已傳送的MPDU封包總數以及發生接收錯誤的MPDU封包總數。假設處理器140根據複數個接收到的BA封包內容統計出1000個已傳送的MPDU封包中有300個MPDU封包發生接收錯誤(包含無法被正確地或成功地接收等情況)，若以此統計結果會計算出封包錯誤率為30%。然而，處理器140可進一步根據以上所介紹的碰撞偵測操作判斷300個MPDU封包中有哪些是因為碰撞而產生接收錯誤。例如，300個接收錯誤的MPDU封包中有250個MPDU封包是包含在被判斷為發生碰撞的A-MPDU封包之中，則處理器140可扣除250個MPDU封包後重新計算封包錯誤率，得出修正過的封包錯誤率為6.7%，並根據此封包錯誤率決定如何調整傳輸速率(其調整幅度將小於封包錯誤率為30%的情況)，或者可決定無須調整傳輸速率。如此一來，可避免誤判需降低傳輸速率的情境。
於本發明的實施例中，除前述傳輸速率外，傳輸參數亦可選自一群組包括一競爭視窗長度、一要求傳送/允許傳送之傳送機制之啟用、一重送機制之啟用、一封包聚合機制之啟用、一發送機會之使用以及該發送機會之一時間長度。
例如，在802.11系統中的等待時間是一個分散式協調功能(Distributed Coordination Function，縮寫DCF)訊框間隔(DCF IFS，縮寫DIFS)加上一段亂數產生的競爭視窗(Contention Window)。於本發明的實施例中，除了封包錯誤率之外，處理器140也可根據偵測結果計算封包碰撞率。當處理器140判斷封包碰撞率過高時，可調整競爭視窗的選取方式，例如，放大亂數選取的數值範圍，以調整競爭視窗長度，進而降低碰撞的機率。
舉另一例，802.11通訊規範中定義了要求傳送(Request to Send，縮寫RTS)-允許傳送(Clear to Send，縮寫CTS)與CTS2SELF兩種傳送機制/保護機制，但並沒有指定使用的時機。於本發明的實施例中，處理器140可根據偵測結果判斷是否啟用要求傳送/允許傳送等機制。例如，當碰撞率過高時，決定於後續的封包傳送啟用此機制。
舉又另一例，由於廣播封包(Broadcast或Multicast packet)無對應的確認回覆(Acknowledge)，因此傳送端無法得知接收端是否正確收到廣播封包。於本發明的實施例中，處理器140可根據偵測結果判斷是否啟用重送機制。例如，當碰撞率過高時，決定重送廣播封包。
舉又另一例，處理器140可根據偵測結果判斷是否停用封包聚合(frame aggregation)機制，或者適度的調整封包聚合的個數，以達到最佳的通道使用效率。例如，當碰撞率過高時，決定於後續傳送停用封包聚合機制或者減少封包聚合的個數。
舉又另一例，802.11e (QoS)通訊規範中定義了發送機會(TxOP)來作為增加通道使用效率的手段，而參數TxOP limit代表了一次發送最大長度。在TxOP期間，封包會一個接著一個發送而不需要重新競爭通道使用權，然而，一旦在TxOP期間發生碰撞，很有可能會導致連續性的封包碰撞，進而影響通道使用效率。於本發明的實施例中，處理器140可根據偵測結果判斷是否使用發送機會，以及/或調整TxOP的時間長度。例如，當碰撞率過高時，決定於後續傳送停用發送機會或者縮短TxOP的時間長度。
第8圖係顯示根據本發明之一實施例所述之碰撞偵測及傳輸參數調整方法範例流程圖。其中，步驟S806為可選的(optional)步驟。
步驟S802: 通訊裝置接收一確認封包，該確認封包包括對應於複數已傳送封包的確認資訊。
步驟S804: 根據確認資訊判斷一無線傳輸通道內是否發生碰撞，以對應地產生一偵測結果。
步驟S806: 根據偵測結果調整至少一傳輸參數。
綜上所述，藉由分析發生接收錯誤的封包的分布情況，可有效率地偵測碰撞，以區分接收錯誤是否因發生碰撞所造成，或是因傳輸參數設定不佳所造成。此外，碰撞偵測結果可進一步用於輔助傳輸參數的調整，使得傳輸效能可有效被改善。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:通訊裝置 110:天線 120:碰撞偵測裝置 130:無線收發裝置 140:處理器 300:A-MPDU 320:塊確認封包 410,510,610:滑動視窗
第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之通訊裝置之範例方塊圖。 第2圖係顯示一訊息流範例。 第3圖係顯示應用封包聚合之一訊息流範例。 第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之一範例位元圖。 第5圖係顯示根據本發明之一實施例所述之另一範例位元圖。 第6圖係顯示根據本發明之一實施例所述之又另一範例位元圖。 第7圖係顯示根據本發明之一實施例所述之傳送端操作流程範例。 第8圖係顯示根據本發明之一實施例所述之碰撞偵測及傳輸參數調整方法範例流程圖。
100:通訊裝置
110:天線
120:碰撞偵測裝置
130:無線收發裝置
140:處理器

Claims (10)

  1. 一種通訊裝置，包括： 一無線收發裝置，用以自一無線傳輸通道接收一無線訊號，其中該無線訊號包括一確認封包，該確認封包包括對應於複數已傳送封包的確認資訊；以及 一碰撞偵測裝置，耦接該無線收發裝置，用以接收該確認封包，根據對應於該等已傳送封包的該確認資訊判斷該無線傳輸通道內是否發生碰撞，並且對應地產生一偵測結果， 其中該碰撞偵測裝置根據該確認封包中具有一既定確認狀態的該確認資訊的分布判斷是否發生碰撞，並且當該碰撞偵測裝置判斷具有該既定確認狀態的該確認資訊集中分布於該確認封包之一區段時，該偵測結果顯示為發生碰撞。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，更包括： 一處理器，耦接該碰撞偵測裝置，用以根據該偵測結果調整至少一傳輸參數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之通訊裝置，其中該確認封包為一塊確認(Block Acknowledgment)封包，包括一塊確認位元圖欄位，該塊確認位元圖欄位包括複數確認位元，並且各確認位元對應於該等已傳送封包之一者。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之通訊裝置，其中各確認位元被設定為該既定確認狀態或一非既定確認狀態，該碰撞偵測裝置計算該等確認位元中的至少一部分連續的確認位元中被設定為該既定確認狀態的該確認位元之一數量，並且當該數量大於一臨界值時，該碰撞偵測裝置判斷具有該既定確認狀態的該確認資訊集中分布於該確認封包之一區段。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之通訊裝置，其中該碰撞偵測裝置更計算該等確認位元中被設定為該既定確認狀態的該確認位元之一總數，並且該臨界值與該總數相關。
  6. 一種碰撞偵測方法，包括： 接收一確認封包，其中該確認封包包括對應於複數已傳送封包的確認資訊；以及 根據對應於該等已傳送封包的該確認資訊判斷一無線傳輸通道內是否發生碰撞，以對應地產生一偵測結果， 其中根據對應於該等已傳送封包的該確認資訊判斷該無線傳輸通道內是否發生碰撞，以對應地產生該偵測結果之步驟更包括： 根據該確認封包中具有一既定確認狀態的該確認資訊的分布判斷是否發生碰撞；以及 當判斷具有該既定確認狀態的該確認資訊集中分布於該確認封包之一區段時，產生顯示為發生碰撞的該偵測結果。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之碰撞偵測方法，其中該確認封包為一塊確認(Block Acknowledgment)封包，包括一塊確認位元圖欄位，該塊確認位元圖欄位包括複數確認位元，並且各確認位元對應於該等已傳送封包之一者。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之碰撞偵測方法，其中各確認位元被設定為該既定確認狀態或一非既定確認狀態，並且其中根據該確認封包中具有該既定確認狀態的該確認資訊的分布判斷是否發生碰撞之步驟更包括： 計算該等確認位元中的至少一部分連續的確認位元中被設定為該既定確認狀態的該確認位元之一數量；以及 當該數量大於一臨界值時，判斷具有該既定確認狀態的該確認資訊集中分布於該確認封包之一區段。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之碰撞偵測方法，其中該臨界值與該等確認位元中被設定為該既定確認狀態的該確認位元之一總數相關。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之碰撞偵測方法，更包括： 利用一滑動視窗依序自該等確認位元中選擇一部分連續的確認位元。
TW110105902A 2021-02-20 2021-02-20 通訊裝置與碰撞偵測方法 TWI768719B (zh)

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