CN105978675B - 基于正交频分多址上行接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正交频分多址接入机制的上行接入方法，主要解决现有接入方案用户接入信道时间长的问题。其方案是：1.接入点根据系统信息确定本次传输可用子信道及总时隙块的个数；2.站点随机选择时频资源块并发送上行接入应答帧进行随机接入；3.接入点统计成功接入的站点个数，对其进行资源分配，并记录没有进行资源分配的k个站点；4.站点根据接收到的资源分配信息发送数据帧；5.接入点根据数据分组的接收状态生成应答帧，并根据记录的k值决定是否进行第二次资源分配；6.站点根据应答帧判断本次数传结果。本发明可保障多站点并行接入，提升系统吞吐量，可用于密集部署的WLAN环境下多个站点的并行接入。

Description

基于正交频分多址上行接入方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多址接入方法，可用于密集部署的WLAN环境下多个站点STA进行并行接入，提升系统整体性能。

背景技术

正交频分多址接入OFDMA已经在长期演进LTE和微波存取全球互通WiMax中得到了广泛的应用，并且将被引入到下一代无线局域网WLAN中。基于OFDMA机制，整个物理信道被划分为多个子信道，每个子信道由一个或多个正交的子载波构成。在下一代WLAN中，多个用户可以在不同子信道上同时向接入点AP发送控制帧来请求传输机会，并可以同时在多个子信道上传输数据分组，从而增加了多址接入MAC层的效率。

目前WLAN的应用环境与协议设计初期差异较大，主要表现在高密度的部署环境，包括小区内终端的高密度部署、归属于不同运营商及个人用户的接入点的高密度部署。在高密度部署环境中，无中心管控的特征及基于载波侦听冲突避免CSMA/CA的随机多址协议导致了较为严重的冲突与退避；协议中多种参数的配置缺乏自适应性，导致WLAN的资源配置与动态变化的业务需求失配。网络平均吞吐量的提升与链路速率的提升不成正比，网络的理论吞吐量与实际承载吞吐量之间差距较大。

现有的基于OFMDA机制的多址接入协议MAC主要关注通过提高多用户并行接入和并行传输能力来提高整个网络的吞吐量。为保障多用户可同时进行上行数据传输，目前的正交频分多址上行接入技术包括两大类：

1.AP管控上行接入方式：AP发送请求帧轮询所关联的所有用户，询问各STA是否有上行数据传输，STA通过应答帧应答是否有上行数据发送，若有，同时上报上行数据信息，AP获得上行数据信息后，发送启动发送Trigger帧进行上行正交频分多址接入UL-OFDMA的同步。

2.STA随机上行接入方式：有上行数据传输的STA通过竞争退避的方式接入信道，并发送请求发送帧，每次只保障一个STA接入成功，AP接收到请求发送帧后给予应答并告知有上行业务传输的其他站点STA进行信道接入，直至分配完所有可用信道。

对于用户数较少的情况，网络覆盖不是非常密集的情况下，可以采用上述方案减少竞争退避时间，从而提高系统吞吐量；然而对于密集部署的WLAN环境下，上述两种接入方式均需大量的接入时间，使得系统吞吐量明显降低。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于正交频分多址上行接入方法，以减小用户平均接入信道的时间，从而减少数据分组的传输时延并提高整个网络的吞吐量。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)接入点AP在所有n个可用子信道C₁、C₂…C_i…C_n上发送上行接入启动帧T，该帧中包含总时隙块个数m，m个时隙块分别表示为S₁、S₂…S_j…S_m，其中i∈(1,n)，j∈(1,m)，且m为一个根据上次传输成功接入概率进行动态调整的参数；

(2)站点STA收到上行接入启动帧T且有待传输的上行数据时，等待短帧间间隔SIFS时间长度后，在n个可用子信道中随机选择第i个子信道C_i，在m个时隙块中随机选择第j个时隙S_j，构成时频资源块[C_i,S_j]，并在该时频资源块[C_i,S_j]上向接入点AP发送上行接入应答帧R；

(3)接入点AP在m个时隙块时间内进行接收，统计成功接收的上行接入应答帧个数N，若N＞n,则执行步骤(3b)；否则，执行步骤(3a)；

(3a)接入点AP从n个子信道中随机选择N个子信道，将N个子信道按序号从小到大的顺序排序，将站点STA按MAC地址从小到大排序，再将这两个序列依据排序配对；将配对结果放入上行资源分配帧Trigger中，在短帧间间隔SIFS时隙后，将该上行资源分配帧在选定的N个可用子信道上发送，其中MAC地址可唯一标识站点STA；

(3b)将n个子信道按序号从小到大的顺序排序，将站点STA按MAC地址从小到大排序，依次将n个子信道配置给MAC地址在前的n个站点STA，并将配对结果放入上行资源分配帧中，在短帧间间隔SIFS时隙后，在选定的N个可用子信道上发送Trigger帧，并记录没有在该次进行传输的k＝N-n个用户的MAC地址，用来进行第二次数据传输；

(4)站点STA接收到Trigger帧后，查看该帧中是否包含有本站点分配的子信道，若有，在短帧间间隔SIFS时隙后，在分配子信道上发送上行数据分组，否则，继续等待Trigger帧；

(5)AP根据数据分组的接收状态生成应答帧BA，并查看记录的k值，若k＞0,则N＝k,并返回步骤3，为记录的k个站点STA进行第二次资源分配，否则，接入点AP等待帧间间隔SIFS时隙后，在个子信道上发送应答帧BA，该帧中包含接收数据正确站点STA的MAC地址；

(6)站点STA接收到应答帧BA后，查看应答帧中是否包含本用户的MAC地址，若有，则本次上行数据传输成功，否则传输失败。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

第一，本发明引入时频资源块随机接入机制，由于充分利用时间与子信道资源可保障多个用户在一次传输中均能成功接入，从而减小了用户平均接入信道的时间，进而减少了数据分组的传输时延并提高了整个网络的吞吐量。

第二，本发明由于可根据上次接入过程中成功接入概率动态调整总的时隙块个数m，从而减少了时间与子信道资源的浪费，进而提高了整个网络的吞吐量。

附图说明

图1是本发明的使用场景图；

图2是本发明的实现流程图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明进行详细描述：

参照图1，本发明使用的场景包含一个无线接入点AP,且在无线接入点AP覆盖范围内有10个无线终端均有上行数据发送，将这些无线终端分别标记为STA1、STA2…STA10，无线接入点AP检测到有4个可用子信道C₁、C₂、C₃、C₄，其中每个终端用户的位置都是非均匀分布的。

参照图2，基于正交频分多址接入的步骤如下：

步骤1：接入点AP根据系统信息确定本次传输可用子信道及总时隙块的个数。

系统信息包括上次传输成功的概率及接入点AP检测到的空闲子信道，根据图1的场景可知可用子信道有四个，即第一可用子信道C₁、第二可用子信道C₂、第三可用子信道C₃和第四可用子信道C₄，并根据上次传输成功的概率得出本次接入需要的4个时隙块，接入点AP个在检测到空闲的4个可用子信道上发送上行接入启动帧T，该帧中包括参数总时隙块个数4，4个时隙块分别表示为第一时隙块S₁、第二时隙块S₂、第三时隙块S₃和第四时隙块S₄。

所述子信道，是指带宽相同的频域资源，且每两个相邻子信道所采用的载波是相互正交的。

所述时隙块，是指以上行接入应答帧R的传输时间长度为单位，将用于随机接入的时域资源依次划分为S₁、S₂、S₃、S₄。

所述上行接入启动帧T，为广播发送的无线传输帧，是控制帧的一种，用于告知站点STA进行随机接入。

所述接入点AP，可在所有检测到的空闲子信道上发送无线传输帧，用于告知站点STA接入可选择的子信道，在上行接入应答帧R中包含可进行信道接入的时隙块，用于告知站点STA接入可选择的时隙块。

步骤2：站点STA随机选择时频资源块并发送上行接入应答帧进行随机接入。

2.1)站点STA1～STA10均收到上行接入启动帧T且有待传输的上行数据时，等待短帧间间隔SIFS时隙后，这10个STA组成上行接入应答帧，并分别在4个可用信道中随机选择第i个子信道C_i，在4个时隙块中随机选择第j个时隙块S_j，构成时频资源块[C_i,S_j]，其中i∈(1,4)，j∈(1,4)；站点STA1～STA10选择的时频资源块分别为[C₁,S₃]、[C₂,S₁]、[C₁,S₃]、[C₂,S₄]、[C₃,S₁]、[C₄,S₃]、[C₁,S₁]、[C₂,S₃]、[C₄,S₂]、[C₃,S₂]；

2.2)站点STA1～STA10在所选择的时频资源块[C_i,S_j]上向接入点AP发送上行接入应答帧R。

所述短帧间间隔SIFS时隙，为站点STA从接收状态转为发送状态所需要的时间，即从接收上行接入启动帧T转为发送上行接入应答帧R所需要的时间。

所述时频资源块[C_i,S_j]，是由时隙块与子信道构成的用于接入的时域、频域二维的最小单元。

所述上行接入应答帧R为单播发送的无线传输帧，是控制帧的一种，用于对上行接入启动帧T的应答，在所选择的时频资源块发送，帧中包括可对站点STA进行唯一标识的MAC地址。

步骤3：接入点AP统计成功接入的站点个数N，对其进行资源分配，并记录没有进行资源分配的k个站点。

3.1)接入点AP在4个时隙块时间内进行接收，统计成功接收的上行接入应答帧个数为8，分别为STA2、STA4、STA5、STA6、STA7、STA8、STA9、STA10；

3.2)利用如下的资源分配算法为站点STA分配进行数据传输的子信道：

将成功接入站点STA的MAC地址从小到大排序为STA4、STA2、STA10、STA7、STA6、STA9、STA5、STA8；将4个子信道按序号从小到大的顺序排序为C₁、C₂、C₃、C₄，并依次将4个信道配置给MAC地址在前的4个STA；

3.3)将两个排队序列依次进行配对，配对结果如下：

将MAC地址排第一的站点STA4分配给第一可用子信道C₁，

将MAC地址排第二的站点STA2分配给第二可用子信道C₂，

将MAC地址排第三的站点STA10分配给第三可用子信道C₃，

将MAC地址排第四的站点STA7分配给第四可用子信道C₄；

3.4)将以上配对结果放入上行资源分配帧Trigger中，等待短帧间间隔SIFS时隙后，在4个子信道上发送该上行资源分配帧Trigger；

3.5)记录该次没有被分配子信道的站点数k，k为大于等于0的整数，在本实施例k＝4，即有4个站点STA需用行第二次资源分配；

所述上行资源分配帧Trigger为广播发送的无线传输帧，是控制帧的一种，帧中包括对接入成功的站点STA的信道分配结果。

步骤4:站点STA根据接收到的资源分配信息发送数据帧。

4.1)STA1～STA10这10个站点接收到上行资源分配帧后，查看上行资源分配帧可知接入点AP为STA4、STA2、STA10、STA7分配的子信道依次为C₁、C₂、C₃、C₄，而其余站点STA没有被分配子信道资源；

4.2)STA4、STA2、STA10、STA7这4个站点等待短帧间间隔SIFS时隙后，在相应的子信道发送上行数据帧，没有被分配子信道的其他站点STA继续等待资源分配帧；

所述数据分组为单播发送的无线传输帧，为本次传输的有效数据单元。

步骤5：AP根据数据分组的接收状态生成应答帧，并根据记录的k值决定是否进行第二次资源分配。

5.1)接入点AP收到STA发送的数据分组后，生成包含接收数据正确站点STA的MAC地址应答帧BA；

5.2)接入点AP查看记录的k值，若k＞0，则返回步骤3，在本实例中k等于4为记录的4个站点STA进行第二次资源分配，否则，执行步骤5.3)；

5.3)接入点AP等待帧间间隔SIFS时隙后，在4个子信道上发送应答帧BA。

所述应答帧为单播发送的无线传输帧，是控制帧的一种，该帧中包含AP接收到正确数据分组的站点STA的MAC地址。

步骤6：站点STA根据应答帧判断本次数传结果。

进行数据传输的STA在收到应答帧后，查看应答帧中是否包含本用户的MAC地址，若有，则本次上行数据传输正确；否则传输失败，返回步骤1进入下一次接入。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于正交频分多址接入机制的上行接入方法，其特征在于包括：

(1)接入点AP在所有n个可用子信道C₁、C₂…C_i…C_n上发送上行接入启动帧T，该帧中包含总时隙块个数m，m个时隙块分别表示为S₁、S₂…S_j…S_m，其中i∈(1,n)，j∈(1,m)，且m为一个根据上次传输成功接入概率进行动态调整的参数；

(2)站点STA收到上行接入启动帧T且有待传输的上行数据时，等待短帧间间隔SIFS时间长度后，在n个可用子信道中随机选择第i个子信道C_i，在m个时隙块中随机选择第j个时隙S_j，构成时频资源块[C_i,S_j]，并在该时频资源块[C_i,S_j]上向接入点AP发送上行接入应答帧R；

(3)接入点AP在m个时隙块时间内进行接收，统计成功接收的上行接入应答帧个数N，若N＞n,则执行步骤(3b)；否则，执行步骤(3a)；

(3a)接入点AP从n个子信道中随机选择N个子信道，将N个子信道按序号从小到大的顺序排序，将站点STA按MAC地址从小到大排序，再将这两个序列依据排序配对；将配对结果放入上行资源分配帧Trigger中，在短帧间间隔SIFS时间长度后，将该上行资源分配帧在选定的N个可用子信道上发送，其中MAC地址可唯一标识站点STA；

(3b)将n个子信道按序号从小到大的顺序排序，将站点STA按MAC地址从小到大排序，依次将n个子信道配置给MAC地址在前的n个站点STA，并将配对结果放入上行资源分配帧中，在短帧间间隔SIFS时间长度后，在选定的N个可用子信道上发送Trigger帧，并记录没有在该次进行传输的k＝N-n个用户的MAC地址，用来进行第二次数据传输；

(4)站点STA接收到Trigger帧后，查看该帧中是否包含有本站点分配的子信道，若有，在短帧间间隔SIFS时间长度后，在分配子信道上发送上行数据分组，否则，继续等待Trigger帧；

(5)AP根据数据分组的接收状态生成应答帧BA，并查看记录的k值，若k＞0,则N＝k,并返回步骤(3)，为记录的k个站点STA进行第二次资源分配，否则，接入点AP等待短帧间间隔SIFS时间长度后，在各个子信道上发送应答帧BA，该帧中包含接收数据正确的站点STA的MAC地址；

(6)站点STA接收到应答帧BA后，查看应答帧中是否包含本站点的MAC地址，若有，则本次上行数据传输成功，否则传输失败。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中时隙块，其时间长度为上行接入应答帧R的传输时间。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中的短帧间间隔SIFS时间长度，为从接收状态转为发送状态所需要的时间。