随机接入方法、接入节点和终端与流程

本发明涉及数字信息跨层传输
技术领域：
，特别涉及无线局域网通信系统上行多终端的接入技术。
背景技术：
：在无线局域网中，2.4ghz或5ghz的频段因为衰减特性，已经很难满足人们在物联网应用中对广覆盖、大规模接入终端的要求。而电视白频谱可以弥补无线局域网频段的缺陷。802.11af协议就是一个利用广播电视频段空闲频谱的实例。但是，802.11af协议仍然采用载波侦听和冲突避免(csma/ca)的随机接入协议，大规模终端的接入会降低该协议的吞吐效率。csma/ca是802.11系列协议在数据链路层(mac层)的主要接入协议。在无线局域网的通信中，各终端和无线接入节点(accesspoint，ap)采用二进制指数回退算法(beb)共同竞争信道。在使用中，该算法最大的局限是信道总会出现一段空闲时间用于完成时域计数器的自减操作。当参与竞争的终端数量很少的时候，csma/ca的吞吐效率很高。但是，随着终端数量增多，csma/ca的吞吐效率会因为碰撞概率的增加而减小。在大规模接入终端的应用场景下(比如物联网)，csma/ca的弊端更会被放大。同时，beb算法决定了信道总是有一段时间是完全空闲的，降低了信道的利用效率，从而降低了通信系统的吞吐效率。技术实现要素：有鉴于此，有必要提供一种能够提高通信系统的吞吐效率的随机接入方法。还有必要提供一种能够提高通信系统的吞吐效率的接入节点及终端。本发明的实施例提供一种随机接入方法，包括步骤：发送频域竞争请求帧给ap；当根据ap广播的频域竞争回复帧确认在数据发送阶段占据信道时将数据帧发送给ap。优选的，在步骤“发射频域竞争请求帧给ap”之前还包括步骤：根据ap周期性广播的信标帧实现初始同步。优选的，所述的频域竞争请求帧包括频域前导符和基于滤波器组的单个子载波的频域竞争标识。优选的，所述前导符采用zadoff-chu序列。优选的，采用对旁瓣具有强抑制的滤波器对单个子载波进行滤波形成频域竞争标识。本发明的实施例提供一种随机接入方法，包括步骤：接收不同终端同步发射的频域竞争请求帧；对叠加的频域竞争请求帧进行检测，根据被激活的子载波中的索引值选择占用信道的终端，并将竞争结果以频域竞争回复帧的形式广播给所有终端。优选的，还包括步骤：在接收到被选择的终端发送的数据帧以后，广播数据接收确认帧给所有终端。优选的，选择被激活的子载波中索引值最小的子载波对应的终端占用信道。优选的，所述频域竞争回复帧包含同步所用的zadoff-chu序列，有竞争结果的数据信息和信道估计的导频。优选的，所述信道估计的导频采用zadoff-chu序列。优选的，所述数据帧兼容多种无线局域网的协议。优选的，所述数据接收确认帧用于把数据帧是否成功发送的结果广播给终端，并让所有参与下阶段信道竞争的终端完成同步和信道估计。本发明的实施例还提供一种随机接入方法，应用于无线通信系统中，所述无线通信系统包括若干终端及一ap，所述方法包括步骤：多个终端同步发送频域竞争请求帧给ap，所述频域竞争请求帧中采用随机选取的滤波后的子载波作为频域竞争标识；ap在接收叠加的频域竞争请求帧后，根据被激活的子载波中的索引值选择占用信道的终端，并将竞争结果以频域竞争回复帧的形式广播给所有终端；被选择的终端向ap发送数据帧；ap在接收到被选择的终端发送的数据帧以后，广播数据接收确认帧给所有的终端。优选的，在步骤“多个终端同步发送频域竞争请求帧给ap”之前还包括步骤：所述多个终端根据ap周期性广播的信标帧实现初始同步。优选的，所述频域竞争请求帧包括zc-1序列和滤波后的多载波符号,所述滤波后的多载波符号只有单个子载波被激活，其余全部空闲，被激活的单个子载波的索引值由预定的分布式的公平性算法决定。优选的，所述预定的分布式的公平性算法包括：给定可利用子载波数w，如果该终端前一轮成功发送数据或被选中发送却遭遇碰撞，被激活的单个子载波的索引值在0到w-1之间等概率随机选取；如果该终端前一轮没有被选中发送数据，则在原索引值上自减1，直到索引值降为0。优选的，所述频域竞争回复帧包含同步所用的zadoff-chu序列，有竞争结果的数据信息和信道估计的导频。本发明的实施例还提供一种终端，包括：请求发送单元，用于发射频域竞争请求帧给ap；数据发送单元，用于当根据ap广播的频域竞争回复帧确认在数据发送阶段占据信道时将数据帧发送给ap。本发明的实施例还提供一种ap，包括：接收单元，用于接收不同终端同步发射的频域竞争请求帧；检测回复单元，用于对叠加的频域竞争请求帧进行检测，根据被激活的子载波中的索引值选择具有信道占用权的终端，并以频域竞争回复帧的形式广播给所有终端。优选的，所述ap还包括数据接收确认单元，用于在接收到被选择的终端发送的数据帧以后，广播数据接收确认帧给所有的终端。优选的，选择被激活的子载波中索引值最小的子载波对应的终端占用信道。本发明实施方式的随机接入方法，在无线局域网的上行链路中，对于多个终端的随机竞争接入，各个终端在频域发送竞争标识，ap采用具有公平性的判决算法决定获取信道的终端。基于频域竞争的方式相比时域的beb算法具有明显的效率优势，去除了信道的空闲等待时间。同时，频域竞争的碰撞概率主要取决于可利用的子载波数，只要带宽允许，频域竞争可以通过扩展子载波数实现较低的碰撞概率。相比传统csma/ca方式，基于频域竞争的随机接入方法具有更高的系统吞吐率。附图说明附图中：图1示出本发明实施例一的随机接入方法的流程图。图2示出本发明实施例一的频域竞争请求帧(frts)的时频结构概念图。图3示出本发明实施例一的频域竞争回复帧(fcts)的时频结构概念图。图4示出本发明实施例一的随机接入方法的工作示意图。图5示出本发明实施例一的随机接入方法以两个终端为例所展示的在时间轴上的帧传播和切换的示意图。图6是本发明实施例的随机接入方法和传统csma/ca在系统的吞吐率方面的比较图。图7是本发明实施例的随机接入方法和传统csma/ca在碰撞概率方面的比较图。图8是本发明实施例二提供的终端的结构示意图。图9是本发明实施例三提供的接入节点的结构示意图。图10是本发明实施例四提供的无线通信系统的结构示意图。主要元件符号说明终端20ap30请求发送单元22数据发送单元24同步单元26接收单元32检测回复单元34数据接收确认单元36如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。具体实施方式为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。优选地，本发明实施例所述的随机接入方法是基于频域竞争的随机接入方法，应用在无线通信系统中，所述无线通信系统包括一个或者多个电子设备。所述电子设备是一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)、数字处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、嵌入式设备等。所述电子设备可以是但不限于接入节点(accesspoint，ap)及终端。实施例一请参考图1，本发明实施例一的随机接入方法包括以下步骤:s1，各终端实现初始同步。具体的，通信系统中的终端可以为n个，n为大于1的整数。本实施方式中，所有终端可以根据ap周期性广播的信标帧(beacon)实现初始同步。所述初始同步指终端1至终端n之间在定时上只有微小的误差，所述误差主要由各终端与ap之间的不同距离产生。本领域技术人员可以理解，其他实施方式中，所有终端还可以通过其他方式实现初始同步。s2，多个终端同步发送频域竞争请求帧(frts)给ap。具体的，所述的频域竞争请求帧主要包括两部分：zc-1序列及滤波后的多载波符号。所述频域竞争请求帧的结构请参考图2，所述zc-1序列为频域竞争请求帧的频域前导符，用于ap发现接收的叠加频域竞争请求帧，并对接收的叠加频域竞争请求帧实现定时同步。所述zc序列主要具有三个特点：幅度恒定、理想自相关性和较低的互相关性。另外，滤波后的多载波符号只有单个子载波被激活，其余全部空闲，采用对旁瓣具有强抑制的滤波器对单个子载波进行滤波形成频域竞争标识。被激活的单个子载波的索引由预定的分布式的公平性算法决定。例如，一个典型的预定的分布式的公平性算法是，给定可利用子载波数w，如果该终端前一轮成功发送数据或被选中发送却遭遇碰撞，被激活的单个子载波的索引可在0到w-1之间等概率随机选取；如果该终端前一轮没有被选中发送数据，则在原索引值上自减1，直到索引值降为0。s3，ap对叠加的频域竞争请求帧进行检测，根据被激活的子载波中的索引值选择占用信道的终端，并将竞争结果以频域竞争回复帧(fcts)的形式广播给所有终端。具体的，ap对叠加的频域竞争请求帧进行检测，采用预定的判决算法选择占用信道的终端，所述判决算法为：从叠加的频域竞争请求帧中找出被激活的子载波中索引值最小的子载波，拥有最小子载波索引值的终端被选择在接下来的数据发送阶段占据信道。本领域的技术人员可以理解，此处的判决算法只是例举，不作为限定，如其他实施方式中，也可以选出被激活的子载波中索引值最大的子载波，拥有最大子载波索引值的终端被选择在接下来的数据发送阶段占据信道。ap还以特定的频域竞争回复帧的形式将竞争结果广播给所有终端。所述频域竞争回复帧的时频结构请参考图3，其包括zc-1序列，zc-2序列和数据子载波部分。其中，zc-1序列用于终端定时同步，zc-2序列用于信道估计和均衡，数据子载波承载数据信息。ap将所述最小的索引值存储在频域竞争回复帧的数据信息部分。s4，被选择的终端向ap发送数据帧。具体的，被选择的终端可以采用无线局域网协议向ap发送数据；所述无线局域网协议可以为已有的无线局域网协议，包含但不限于所有可以使用csma/ca的802.11协议，本发明实施例所述的随机接入方法可兼容所有无线局域网的802.11协议的数据包格式。本领域技术人员可以理解，所述终端还可以使用其他协议如蓝牙、红外数据传输、zigbee等协议发送数据。s5，ap在接收到被选择的终端发送的数据以后，广播数据接收确认帧(ack)给所有的终端。具体的，所述的数据接收确认帧有两个作用：确认数据是否发送成功，同时，为下一轮各终端发送频域竞争请求帧提供同步信号和信道估计的导频。现以本本发明实施例的随机接入方法应用在广播电视白频谱的802.11af协议下为例进行说明，采用本发明实施例的随机接入方法取代传统的csma/ca的时域竞争接入方案。在802.11af协议中，中国境内的地面数字电视传输的基本带宽单元(bcu)是8mhz，这里我们假定中心频率为700mhz。所述频域竞争请求帧中对单个子载波进行滤波的原型滤波器的参数选取可以如表1所示。表1所述频域竞争请求帧和频域竞争回复帧的结构如图2及图3所示，本实施方式中取单个bcu的可利用子载波数为256。频域竞争请求帧的zc-1序列和频域竞争回复帧中的zc-1及zc-2序列的取值如公式(1)所示，其中nk为可序列长度。在mac层，基于频域竞争的随机接入方法的描述如图4及图5所示。图4是本发明所述的基于频域竞争的随机接入方法的工作示意图；图5是本发明实施例中以两个终端为例(即n＝2，所述两个终端为终端1及终端2)所展示的基于频域竞争的随机接入方法在时间轴上的帧传播和切换的示意图。其中，图5中，difs为分布式帧间间隔，ffrts-a为终端1发送的频域竞争请求帧，frts-b为终端2发送的频域竞争请求帧，beacon为信标帧，sifs为短时帧间间隔，fcts为频域竞争回复帧，ack为确认帧，data-a为终端1发送的数据帧。数据链路层(mac层)的一个典型的参数配置如表2所示。表2现参照图4及图5，根据本发明实施例的工作原理当通信系统包括两终端时对随机接入过程简述如下：终端1及终端2根据ap周期性广播的beacon实现初始同步，然后，终端1及终端2发送频域竞争请求帧ffrts-a及frts-b至ap以竞争信道的上行链路占用权，ap根据判决算法确定终端1的子载波的索引值最小，终端1在数据发送阶段占用信道，ap将竞争结果以频域竞争回复帧的形式广播给终端1及终端2。终端1发送数据帧data-a至ap，所述ap把数据帧是否成功发送的结果以ack的形式发送给终端1及终端2，并让终端1及终端2在参与下阶段信道竞争时完成同步和信道估计。采用本发明实施例所述的随机接入方法最终实现的系统性能如图6和图7所示。图6中曲线s1指示采用csma/ca方式时系统吞吐率，曲线s2指示采用本发明实施例所述的随机接入方法且带宽为1个bcu时系统的吞吐率，曲线s3指示采用本发明实施例所述的随机接入方法且带宽为2个bcu时系统的吞吐率，从图6中可以看出，相比传统的csma/ca，本发明实施例所述的方法明显提升了系统吞吐率，如果可用带宽增加，如从1个bcu增加到2个bcu，本发明实施例所述的随机接入方法可以进一步的显著提高系统吞吐率，图6验证了本发明实施例所述随机接入方法的有效性和科学性。图7从碰撞概率上解释了系统吞吐率提升的原因，曲线v1指示采用csma/ca方式时的碰撞概率，曲线v2指示采用本发明实施例所述的随机接入方法且带宽为1个bcu时系统的碰撞概率，曲线v3指示采用本发明实施例所述的随机接入方法且带宽为2个bcu时系统的碰撞概率，相比传统的csma/ca，本发明实施例所述的随机接入方法明显降低了碰撞概率，而且降低的效果会随着带宽的增加更加明显。从另一个角度理解，在系统吞吐效率不变的前提下，采用本发明实施例所述的随机接入方法可提供的接入终端数量可以3倍于传统的csma/ca，这在物联网的应用中是一个显著的突破。实施例二请参考图8，本发明的实施例二提供一种终端20，所述终端20可为但不限于手机、pad、电脑、笔记本电脑等。所述终端20包括请求发送单元22及数据发送单元24，所述请求发送单元22用于发射频域竞争请求帧给ap；所述数据发送单元24用于当根据ap广播的频域竞争回复帧确认在数据发送阶段占据信道时将数据帧发送给ap。所述终端20还可以包括同步单元26，所述同步单元26用于根据ap周期性广播的信标帧(beacon)实现初始同步。具体的，所述的频域竞争请求帧主要包括两部分：zc-1序列及滤波后的多载波符号。所述频域竞争请求帧的结构请参考图2，所述zc-1序列为频域竞争请求帧的频域前导符，用于ap发现接收的叠加频域竞争请求帧，并对接收的叠加频域竞争请求帧实现定时同步。所述zc序列主要具有三个特点：幅度恒定、理想自相关性和较低的互相关性。另外，滤波后的多载波符号只有单个子载波被激活，其余全部空闲，采用对旁瓣具有强抑制的滤波器对单个子载波进行滤波形成频域竞争标识。被激活的单个子载波的索引值由预定的分布式的公平性算法决定。例如，一个典型的预定的分布式的公平性算法是，给定可利用子载波数w，如果该终端前一轮成功发送数据或被选中发送却遭遇碰撞，被激活的单个子载波的索引值可在0到w-1之间等概率随机选取；如果该终端前一轮没有被选中发送数据，则在原索引值上自减1，直到索引值降为0。所述数据帧可以兼容多种无线局域网的协议。实施例三请参考图9，本发明的实施例三提供一种ap30，所述ap30包括接收单元32，检测回复单元34及数据接收确认单元36。所述接收单元32用于接收不同终端同步发射的频域竞争请求帧；所述检测回复单元34用于对叠加的频域竞争请求帧进行检测，选出被激活的子载波中最小索引值的子载波，拥有最小子载波索引值的终端被选择在接下来的数据发送阶段占据信道，将竞争结果以频域竞争回复帧的形式广播给终端；所述数据接收确认单元36在接收到被选择的终端发送的数据帧以后，广播数据接收确认帧给所有的终端。所述频域竞争回复帧的时频结构请参考图3，其包括zc-1序列，zc-2序列和数据子载波部分。其中，zc-1序列用于终端定时同步，zc-2序列用于信道估计和均衡，数据子载波承载数据信息。ap将所述最小的索引值存储在频域竞争回复帧的数据信息部分。所述数据接收确认帧用于把数据帧是否成功发送的结果广播给终端，并让所有参与下阶段信道竞争的终端完成同步和信道估计。实施例四参见图10，本发明实施四例提供了一种通信系统，所述通信系统包括至少两个如上实施例二所述的终端20及如上实施例三所述的ap30。所述通信系统所应用的网络包括，但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、虚拟专用网络(virtualprivatenetwork，vpn)等。相比csma/ca的时域竞争方法，本发明实施例采用的基于频域竞争的随机接入方法将终端信道接入的竞争转移到频域进行。利用特定结构的频域竞争请求帧和频域回复帧，实现了终端和ap的“两次握手”，完成了数据的上行传输。频域竞争实现的核心环节在于基于滤波的单个子载波符号的选取和多个叠加的滤波化的子载波的检测。相比时域的随机接入竞争，频域竞争方法去除了信道空闲的等待时间，同时终端间的碰撞概率除了与参与竞争的终端数量有关，还受可利用的子载波数量的影响。随着可用带宽的增加，可利用的子载波数就会增加，碰撞概率会因为参与竞争的标志(滤波化的子载波)集合的增大而降低。本发明提供的基于频域竞争的随机接入方案，具有以下有益效果：可以在广覆盖、多终端的通信场景下实现信道的竞争接入，既保证了终端间接入的公平性，同时提高了通信系统的吞吐效率；相比于传统csma/ca的时域竞争，去除了信道的空闲等待时间，并可以根据带宽弹性定制可利用的竞争子载波数，降低终端间碰撞的概率，实现通信效率的进一步提升。在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的终端、ap和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端、ap实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在相同处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在相同单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元也可以由同一个单元通过软件或者硬件来实现。最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。当前第1页12