可供在无线网络通信中使用的快速控制消息接发机制的制作方法

专利名称：可供在无线网络通信中使用的快速控制消息接发机制的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及无线连网，尤其涉及高效率控制消息接发。
背景技术：
无线网络已经变得十分盛行，但是人们总是需要更高吞吐量的无线网络。无 线网络的吞吐量因变于分配给该无线网络的带宽以及所使用的数据率，但是吞吐量 还取决于开销，即分配给信令和控制功能的——如与在网络诸节点之间传达数据相 对的——可用比特的比例。如果在一单位的时间上有固定数目个比特可用，则若这 些可用比特当中为信令和控制所消耗的越少，可供数据传递之用的比特就越多。
在高效率的无线网络中，某些信号是必要的，诸如用来向一些站传达有其他 站正保留介质、传达站的存在、等等。


图1图解了常规的PPDU (PLCP协议数据单元)帧的基本结构。这些帧全部 依赖于并包括PLCP(物理层会聚过程)前同步码和PLCP报头继之以PSDU(PLCP 业务数据单元)。在PSDU是控制帧的场合，其通常是在基本业务集速率——诸 如1Mbps (兆比特每秒)或6Mbps下发送的，从而所有站可有望监听到并理解这 些帧。
站将以分层方式接收和处理信号，其中站的物理(PHY)层接收来自无线介 质的信号，对其作处理并将处理结果向上传递给该站的媒体访问控制(MAC)层， 其进而执行MAC处理并将结果向上传递给下一层，依此类推。当PHY层得到PPDU 时，它对其作处理以确定哪些比特被发送了，针对可纠正的错误进行纠错，然后在 这些错误不可纠正的情况下丢弃该PPDU (也可能触发出错处理)或将该PPDU的载荷(在本例中其为PSDU内容)向上发送给MAC。 MAC层然后解码该PSDU 并解释其内容，诸如通过触发PSDU控制帧的内容所指定的控制动作来解释。
PSDU控制帧的示例包括用于RTS-CTS ("发送就绪/清除发送")握手的帧。 在RTS-CTS握手中， 一个站可向接入点(或其他的协调方或接收方)发送RTS消 息，并且接入点用CTS消息来作响应。监听到该CTS消息的所有其他站由此将知 道不要使用无线介质以避免干扰发送该RTS消息的站。如果有站不能监听到并理 解该CTS消息(隐藏节点问题)，它可能就不知道要推迟，并可能干扰传输。由 于此潜在问题，需要有尽可能多的站能够接收并解释这些帧，因而在高数据率下发 送这些帧从而只有一些站能够接收到将是不可取的。但是，因为低数据率，这些帧 要花许多时间来传送，即便它们是很小的帧也是如此。传送这些帧所花的时间是纯 开销，因为在此时间期间不可能发生任何有效数据传递。因此，如果能使得这些帧 效率更高，数据吞吐量就将得到提高。
发明概要
在根据本发明各实施例的无线网络中，使用快速控制消息接发帧来信令控制 信息。快速控制消息接发("FCM")帧在PLCP报头中纳入MAC层控制比特， 从而消除了对PSDU的需要。
可在802.11n无线网络以及在其他合适的802.11x网络和非802.11x网络中采 用这些帧来交换控制信息同时显著减少网络开销。
在一些实施例中，原本可能是在PSDU中向接收机的MAC层传达的某信息是 通过将该信息纳入在PLCP报头中、并使接收机的PHY层处理内有用于处理该信 息并以仿PSDU或其他方法将该信息向上传达给该接收机的MAC层的逻辑来传达 的。
FCM帧的指示标志可以是PLCP报头中的比特、PLCP报头的CRC字段的修 改、或者其他指示。PLCP报头的CRC字段的这种处理可以是CRC字段反转、将 CRC字段平移一常数值、或其两者、或是其他变体。
以下具体说明与附图 一起将提供对本发明的本质和优点的更好理解。
附图简要说明 图1是常规PPDU帧的示意图。
图2是快速控制消息接发("FCM")帧的一示例格式的示意图。图3是用于将FCM指示标志和MAC控制比特编码到FCM帧报头中的一种
替换格式的示意图。
图4是编码在FCM帧报头中的MAC控制比特字段的一个示例的示意图。 图5是RTS消息的FCM帧的一个示例的示意图。 图6是CTS消息的FCM帧的一个示例的示意图。
图7示出当采用了 FCM机制时RTS-CTS的改善的标绘图；图7A示出了一个 比例，并且图7B示出了另一个比例。
图8是ACK的FCM帧的一个示例的示意图。
图9是立即聚合ACK的FCM帧的一个示例的示意图。
图10是FCM立即聚合ACK相比于分块ACK的功率节省的标绘图。
发明具体说明
本文中描述了一种可随常规或新颖的无线网络使用的改进的消息接发方法， 其中诸站可能具有也可能不具有理解(即，恰适地处理)本文中描述的这种新颖的 快速控制消息接发的能力。本公开描述了无线网络站的各个实施例(例如，客户机 设备、接入点)。在具体实施例中， 一无线网络包括多个作为802.11x (x = a、 b、 e、 g、 n等)无线网络、或其他具有类似问题的无线网络中的节点工作的设备。应 将"802.11x"理解成在本文中是指任何可适用的802.11格式，诸如但不限于 802.11a、 802.11g、 802.11n等。
在这种新的快速控制消息接发机制中，经修改的PPDU帧可包括PLCP前同 步码和PLCP报头，而不需要PSDU，正如图2中所示。此PLCP报头包括接收机 在PHY处理中可用来确定该PPDU是具有PSDU的传承格式、还是未必具有PSDU 的"快速控制消息接发格式"帧("FCM帧")的指示。需要向上传达给接收机 的MAC层的信息可作为该报头的一部分被传送，并由接收机的PHY层逻辑提取 并向上发送给MAC层。
在典型的无线网络中，数个站使用为该无线网络定义、并且为该无线网络所 期望的协议来通信。每一个站可以是该无线网络的一逻辑节点，并可由用于进行数 据处理和无线电发射/接收等的硬件实现。例如，站可以是内建在诸如膝上机、蜂 窝电话、手持式计算机等计算设备中的无线网卡或电路，或者站可以是接入点，诸 如搭载在某一空间以形成无线接入区(诸如802.11 BSS云)并经其将该无线网络 耦合到有线网络的路由器。站设备由此可具有功率源、有线数据输入/输出、用于处理数据的逻辑(可能使用网络层方案，其中一个层的网络或多或少与更高和/或 更低的层隔绝，并且每一层的逻辑处理该层所用形式的数据)、调制器/解调器、
信号处理硬件/软件/固件、RF信号发生器、RF信号接收机和数字化器、天线、以
及典型无线连网设备、模块、卡、电路或装置的其他实例。
FCM帧概述
被修改成FCM帧的PPDU帧包括向接收机信令该帧实际上是FCM帧的指示 标志。下面对指示标志的数种不同选项进行说明。
图2图解了在其中FCM指示标志是PLCP报头中置位的单个比特的一种FCM 帧。 一种替换方式是操纵所插入的CRC (循环冗余校验)，诸如通过将其反转或 从/向其减去/加上一常数值(或从/向经反转的版本减去/加上一常数值等)。在任 意情形中，都将有传承帧的有效CRC和指示为FCM帧的有效CRC。采用这种CRC 方式，传承接收机将把指示为FCM的CRC作为是无效CRC来对待并丢弃该帧。
如在本文中使用的，"传承"是指配置成用于进行无线通信、但没有被配置 成能恰适地处理FCM帧的较旧的或较新的设备。 一个例子是没有被配置成能恰适 地处理FCM帧的802.11b接收机，即不了解FCM协议的接收机。上面描述的这种 CRC操纵机制将能够与例如802.11b框架中现存的前同步码结构一起工作而不会 破坏传承的功能性。这将允许知悉FCM的站能在它们自己之间使用FCM帧而不 干扰传承站-传承站的通信或者传承站-"知悉FCM的站"的通信("知悉FCM的 站"是指了解但未必使用FCM帧的站)。当接收到CRC被修改以信令FCM指示 的FCM帧时，传承设备将检测到CRC出错并推迟接收该帧。
在FCM指示是专用比特的情形中，PHY将寻找此比特并验证CRC。如果此 比特出现并且CRC是正确的，则PHY将把MAC用控制比特向上传递。在FCM 指示是CRC反转的情形中，PHY将检查是否为有效CRC (这将指示为正常帧并因 而可期待一PSDU)，并将检查是否为有效反转CRC (这将指示为有效FCM帧)。
还有其他用于操纵CRC的替换方案，并且可将此机制与PLCP前同步码中的 其他某种指示相组合。在每一情形中，都发生相同的效果PHY前同步码比特得 以被进而传递给MAC层并且不需要由PHY解释，除此以外其他典型的PHY操作 仍然是需要的。注意，在不期待PSDU时，指示PSDU有多长的前同步码比特无 需由PHY解释，并且PHY层知道是否期待PSDU并相应地作出反应。
注意，PSDU可能仍然出现，但是对于大多数实施例而言，那应当被忽略并且其存在决不应致使有效吞吐量(所传送和接收的有用数据率)减小。反之，FCM 帧的发送方在PLCP报头已被传送之后应当停止传送，并且介质由此应当变为空 闲。PHY层逻辑一确定该帧已完成，就能信令MAC层逻辑接收到了FCM帧，并 将控制比特(来自PLCP报头)向上传递。
图3图解了这样一种经修改PLCP报头的一种可能实施例格式的更为详细的 示例。 一旦接收到上面描述的帧，经恰适配置的站的PHY逻辑就将被用来分析该 PLCP报头并检测FCM指示。如果CRC是正确的并且FCM指示被置位，贝U PHY 逻辑将明白不期待有PSDU跟在此PLCP报头之后，并相应地来处理传入的信号。 如果无论如何还是传送了 PSDU，那么其就应被接收机忽略，但优选地，置位了 FCM指示的站应将PSDU留白以留出更多时间供与开销相对的数据传输之用。
FCMPLCP的MAC控制比特字段可被进而传递给接收机的MAC层逻辑，在 此该字段的控制比特的处理可被格式化成可向接收机的MAC层呈现以供进一步处 理。
由于FCM帧是S02.11n框架中较为强健的那一些之一，因此在网络中使用 FCM帧可能为该网络中扩展范围的操作提供了空间。FCM帧的另一个优势在于， 通过被形成为如此之短，它们能代替将控制数据移来移去的其他机制使用，从而进 一步增加有效数据吞吐。
采用了 FCM帧，交换控制信息无需MPDU (MAC协议数据单元)就可在 MAC层间被交换。可使用PLCP报头的MAC控制比特字段来定义新的控制功能 集。在使用WWiSE定义的SIG-N字段的实施例中，MAC控制比特字段可提供最 多达43比特的控制信息以供在MAC层使用。
如本文中定义的传承设备将不能够接收FCM帧格式并将恰当地推迟。这些 FCM帧将被用于支持FCM特征的设备之间的通信。如果使用了 FCM帧在启用 FCM的站间保留介质，则若是还存在传承设备，那么可能要使用替换方法来对那 些传承设备保留此介质以确保传承设备了解介质保留。此类替换可被内建在用于在 此类设备中实现FCM帧的逻辑中。
带隐性寻址的快速控制消息接发
如果有一站(STA)经由FCM帧被寻址，则也许会因为仅有有限的一组信息 比特可用而不可能将全MAC地址包括在这些控制比特中。可使用一种替换的寻址 方案来抵补这一局限。例如，可使用一字节或二字节的AID (关联标识符)以取代6字节的STA地址。在一些实施例中，接入点(AP)可在每一站与该AP关联时 给该站提供该AP的基本业务集(BSS)的AID和MAC地址映射表。这将是能立 即起效的，因为例如具有少于256个关联站的网络可使用一字节的AID而仍能有 唯一的每个站的"本地地址"。
对于一些通信，FCM帧中的地址可被推知，因此该地址可被完全留白。例如， 一设备可被配置成使得若其向另一个站发送一帧，并且下一传输是FCM帧中的立 即确认(ACK)，则该设备推断该立即ACK的发送方的地址与该设备向其发送了 前一帧的上述另一个站的地址相同。由此， 一个站使用目标站的地址(MAC、 AID 等)向该目标站发送一帧，并且这一个站是唯一期待ACK的站，并且如果有一帧 在SIFS (短帧间空间)时间内被发送，则这一个站就推断该ACT的发送方是该目 的站。此推断可依赖于这一个站接收到其所预期的特定ACK。这将是隐性寻址机 制的一种形式。
MAC控制比特字段的示例结构
图4给出可用来编码MAC控制信息的普适结构的概观。"控制ID"字段可 指示控制命令的种类，并且"控制参数"字段可指示与该命令相对应的参数。
示例使用情形增强型RTS-CTS
传承的RTS-CTS交换可如本文中描述地被重写成快速控制消息接发格式。 RTS帧可被如图5中所示地格式化，而CTS帧可如图6中所示地格式化。此机制 可在(唯)802.11n网络或其它网络中使用。
在图7中指示了在某些状况下因不必要发送指示RTS/CTS的MPDU部分而可 供数据帧传递使用的时间量的增益。在其它状况下可能会得到其它结果。图7的这 张标绘图是基于假定TXOP (发送机会)随RTS-CTS交换开始。 一般而言，可期 待的提高是IMP二(Tfcm/Tnqrm)-1，在此TVcM是使用FCM帧所用的时间，或 (TXOP时间-(FCM RTS-CTS交换所花的时间))，并且TN0RM是使用正常帧所用 的时间，或(TXOP时间 一(正常RTS-CTS交换所花的时间))。由此百分比提高将是 IMP* 100%。
这由图7的标绘图示出；图7A是包括所有数据点的标绘图；图7B是省略掉 该图左上角部分的数据点以便用Y轴上更小的值量程来更清楚地示出其余数据点。 如图7清楚示出地那样，增益的很大部分是在所设的基本速率是低速率、并且在RTS-CTS交换之后使用的TXOP时间相对较短时达成的。RTS-CTS交换用的低数 据率是很常见的，在扩展范围模式下尤甚，并且有许多TXOP将相对较短的情景， 因此有许多获得增益的机会。
示例使用情形增强型ACK
传承的帧-ACK交换将如本文中所描述地被重写成快速控制消息接发格式。此 ACK可如图8中所示地格式化。
如果使用如前所述的带隐性寻址机制的快速控制消息接发，则将不需要任何 STA标识符。在最简单的情景中，仅需要指示ACK的控制ID，而图8中所示的 其它字段可被省略。此帧可代替传承的ACK使用，并且将减少所有涉及立即ACK 的帧交换——包括有管理帧和数据帧的需要立即ACK的帧交换——上的介质开 销。
在此机制下的性能提升依赖于数据率以及发送的ACK的数目。但是， 一般而 言，数据率越低且发送的ACK越多，就会达成越高的介质效率。由于典型无线网 络的运作，随着链路质量下降(由于站之间距离增长、干扰、多径等)倾向于更多 地使用较低的数据率，聚合被禁用并且采取其它措施。在此类情形中，立即ACK 将被启用，并且使用此机制将提供更多的回报。
示例使用情形立即聚合ACK
这是可被创建的新型帧交换格式的一个示例。如果站接收到一串聚合的 PPDU/MPDU，则它可在此聚合的末尾发回一 "立即聚合ACK"。
在这样的一个帧中，STA将指示哪些帧已被正确接收到。在现存的分块ACK 帧中，ACK位图是基于起始序号，但在此帧中，ACK位图将对应于接收到的帧在 聚合中的位置。聚合中的第一帧对应于位图中的第一比特。聚合中的第二帧对应于 位图中的第二比特，等等。
立即聚合ACK可如图9中所示地格式化。在一些实施例中，添加有一历时字 段，并且在一些实施例中，在使用上面描述的隐性寻址方案的场合STA标识符是 不需要的。
这种立即聚合ACK机制对于功耗敏感的设备可能是优选的。如果数据流向主 要是往下游，并且功率节省设备仅需确认接收到的数据而没有任何外加的数据要发 回，则以此机制节省下的功率的量相比于发送分块ACK而言是可观的，如图10中所指出的。
如迄今已解释的，FCM帧可为无线网络的性能提升和/或其它特征提供空间。
处理FCM帧的接收机以及FCM帧本身的结构和替换形式己被具体说明。可使用 相应的FCK帧发射机来生成和传送这些FCM帧。此类发射机通常将是连网设备 的一部分，并将包括适合生成本文中描述的FCM帧的PHY层逻辑、MAC层逻辑 等。当然，启用FCM的连网设备将很可能将能生成这些帧的发射机与能接收这些 帧的接收机相组合。
尽管己关于示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到众多 修改方案是可能实现的。例如，本文中描述的过程可使用硬件组件、软件组件、和 /或其任意组合来实现。因此，尽管是关于示例性实施例描述了本发明，但是将可 领会本发明旨在涵盖落在所附权利要求范围内的所有修改和等效方案。
权利要求
1.在无线网络中的一种信令方法，包括发送PLCP帧作为快速控制消息接发(FCM)帧，其包括PLCP前同步码和经修改的带有FCM指示以信令该PLCP帧为FCM帧的PLCP报头。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述FCM指示是所述PLCP报 头的比特。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述FCM指示是所述PLCP报 头的CRC字段的修改。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述PLCP报头的CRC字段的 修改是所述PLCP报头的CRC字段的反转。
5. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述PLCP报头的CRC字段的 修改是所述CRC字段平移一常数值。
6. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述PLCP报头的CRC字段的 修改是所述CRC字段的反转平移一常数值。
7. —种包括用于从无线介质接收信号的接收机的通信设备，所述设备包括 用于经由所述无线介质接收来自发射机的信号并将所述信号转换成数字序列的接收电路系统；用于处理所接收到的数字序列的PHY层逻辑，包括用于检测包括报头的帧的 逻辑以及用于检测所述报头是否包括该帧为快速控制消息接发帧的指示标志的逻 辑；用于从在所述PHY层逻辑检测到所述指示标志时从所述报头提取控制比特的 控制比特提取逻辑；以及用于在由所述控制比特提取逻辑提取出控制比特时处理所提取出的控制比特 的MAC层逻辑。
8. 如权利要求7所述的通信设备，其特征在于，所述指示标志是所述帧中出 现的PLCP报头的一个比特。
9. 如权利要求7所述的通信设备，其特征在于，所述指示标志是所述帧中出 现的PLCP报头的CRC字段的修改。
10. 如权利要求9所述的通信设备，其特征在于，所述PLCP报头的CRC字段的修改是所述PLCP报头的CRC字段的反转。
11. 如权利要求9所述的通信设备，其特征在于，所述PLCP报头的CRC字 段的修改是所述CRC字段平移一常数值。
12. 如权利要求9所述的通信设备，其特征在于，所述PLCP报头的CRC字段的修改是所述CRC字段的反转平移一常数值。
全文摘要
在根据本发明各实施例的无线网络中，使用快速控制消息接发帧来信令控制信息。快速控制消息接发(“FCM”)帧在PLCP报头中纳入MAC层控制比特，从而消除了对PSDU的需要。可在802.11n无线网络以及在其他合适的802.11x网络和非802.11x网络中采用这些帧来交换控制信息同时显著减少网络开销。在一些实施例中，原本可能是在PSDU中向接收机的MAC层传达的某信息是通过将该信息纳入在PLCP报头中、并使接收机的PHY层处理内有用于处理该信息并以仿PSDU或其他方法将该信息向上传达给该接收机的MAC层的逻辑来传达的。FCM帧的指示标志可以是PLCP报头中的比特、PLCP报头的CRC字段的修改、或者其他指示标志。PLCP报头的CRC字段的这种处理可以是CRC字段反转、将CRC字段平移一常数值、或其两者、或是其他变体。
文档编号H04W76/04GK101305578SQ200680033020
公开日2008年11月12日 申请日期2006年9月12日 优先权日2005年9月12日
发明者A·莱斯尼亚, G·R·弗雷德里克斯, V·K·琼斯 申请人:高通股份有限公司