专利名称：无线分组网络媒质接入控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及无线通信网络领域，尤其涉及一种通过数据链路层和物理层协同实现的无线分组网络媒质接入控制系统和方法，用于解决无线ad hoc网络中暴露终端问题，提 高通信并发度和网络容量。
背景技术：
随着无线通信技术的发展和无线通信应用的普及，由地位平等的无线通信设备构成的自组织无线分组网络，以及联系物理环境和计算环境的无线传感器网络得到越来越广 泛的应用。这种被称作无线Ad hoc的网络中，媒质接入控制协议在很大程度上决定网络的 实际性能和资源利用效率。无线Ad hoc网络中，媒质接入控制层广泛使用的载波侦听(Carrier Sensing)技术受困于隐藏终端问题和暴露终端问题。已成为标准的IEEE 802. 11协议中规定的分布式 协同机制(DCF)，采用发送请求/发送确认(RTS/CTS)帧以及控制握手规则来解决上述问 题。该方法通过引入虚拟载波侦听和网络分配向量，在一定程度上弥补了物理载波侦听的 不足，可以解决隐藏终端问题。但是，这种方法未能有效解决暴露终端问题。如附图1所示，终端D侦听到A发出的RTS控制帧，并且可以侦听到A发送数据时 的载波信号，因而受到抑制，不能向终端F发送数据。但是，D向F发送实际上并不会干扰A 和B之间的会话。在此情形中，D称为会话AB的暴露终端，暴露终端引起的通信抑制称为 暴露终端问题。为提高无线Ad hoc网络的吞吐率，国内外在改进RTS/CTS控制信令、提高并发通信密度，即空间复用度方面进行了许多研究。这些研究工作以802. 11握手机制为基础，通 过适当改变控制信令和控制机制，设法识别并允许不会造成干扰的隐藏和/或暴露终端发 起并发会话。根据控制帧与并发数据帧之间干扰的处理方式，这些方法可分为三类1.取消法，为避免控制帧干扰数据帧，在协议中去掉一些控制帧。例如，MACA协议取消了物理监听，这样直接避免产生暴露终端问题，同时接收终端不再发送接收确认帧 ACK，避免了 ACK对正在进行的数据接收的干扰。此类方法的主要缺点是ACK的缺失引起的 上层(如TCP)的性能恶化，并不适合无线网络，并且，此类方法还会恶化隐藏终端问题。2.同步法，即设法使并发会话同时结束，这样接收终端发送ACK就不会干扰另一会话的数据接收，例如对MACA的改进协议MACA-P和CTMAC协议。同步法的最大缺点是信 令握手过于复杂，并且为实现并发会话的同步，终端在发送时等待时间长。
3.规避法，即通过控制信令所交互的信息，仅从网络中选取不会造成相互干扰的暴露终端或隐藏终端执行并发通信，例如进取型MAC协议和包侦听多路接入/冲突避免 (PSMA/CA)技术。此类方法的实质是强化了允许并发通信发生的条件，缺点是不能充分实现 并发通信和空间复用。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术的缺点，在现有IEEE 802. 11标准的基础 上，提出一种无线分组网络媒质接入控制系统和方法，通过无线通信终端中的数据链路层 和物理层协同，实现帧接收过程中的预期帧检测与消除，解决暴露终端问题，提高无线通信 网络的通信容量。本发明的技术方案是这样实现的一、术语说明MAC层媒质接入控制层，ISO规定的网络分层结构中，链路层中负责物理媒质获 取和使用的子层；帧链路层和物理层协议单元；分组与帧对应，称链路层以上层协议单元为分组；数据帧承载用户数据业务内容的链路层协议单元；控制帧承载信令信息，用于实现控制管理等任务的MAC层协议单元；RTS/CTS/ACK 三种用于实现802. 11无线网络媒质接入控制握手协议的控制帧， 分别对应为发送请求帧、发送允许帧和接收确认帧，控制帧有固定的帧长和帧格式；终端以对等方式构成无线网络的无线设备，终端间通过无线链路互相发送或接 收数据/控制帧；会话或通信称终端间的一次数据帧收发为会话。若A向B发送数据帧，则称之为 AB会话；暴露终端由于载波侦听，处在发送终端信号覆盖范围内的相邻终端不能发起会 话。如果该相邻终端发起的会话不会干扰原有会话，则该相邻终端即成为暴露终端。暴露 终端会造成不必要的并发通信损失；发送持续时间字段在帧中，有专门的字段用以明确记录将要进行的数据帧发送 所需的时间。利用该字段对应的数值和当前时刻，终端可以预期本次会话后续的帧(例如 ACK)的发送时间；物理载波侦听终端接收机根据实际接收信号功率判断信道是否繁忙称为物理载 波侦听；虚拟载波侦听终端从接收到的相邻终端所发出的帧中的发送持续时间字段，可 判断出相邻终端在一段时间内是否正在接收(或者发送)数据，这种侦听方式称为虚拟载 波侦听；虚拟载波侦听通过NAV定时器来实现信道忙闲状态管理；NAV定时器NAV为英文网络分配向量的缩写。终端在监听到控制帧后，根据帧中 的类型字段和发送持续时间字段设置发送和/或接收NAV定时器。若发送NAV定时器正在 计时，表示本终端的相邻终端中有数据正在发送；接收NAV定时器正在计时，表示相邻终端 中有数据正在接收；预期帧指终端根据先前监听到的控制帧的内容，可以提前预测出在当前时刻之后的某个特定时刻将要出现的帧；预期帧检测终端接收到的无线信号可看作是一个或多个发送终端发出的信号经 无线信道传播之后与噪声信号的叠加，从中检测并判断预期帧是否存在的操作称为预期帧 检测；
预期帧消除一旦判断出预期帧存在，接收机可以根据已知的帧内容和信道估计 参数生成一个接收到的预期帧信号的副本，并将其从接收到的无线信号中减去，从而使剩 余信号能被正确接收，此操作称为预期帧消除。二、本发明的无线分组网络媒质接入控制系统，包括媒质接入控模制块、接收信号解析模块、天线、射频前端模块、模数转换器、数模转换器、MAC层帧提取模块、物理层帧形 成模块、调制/编码模块和物理信道管理模块，其中所述的媒质接入控制模块，包括上层协议接口，用于从上层协议中接收数据分组，将其组装成MAC层帧后发送给 发送协同单元，并从接收协同单元中收取接收到的MAC层帧，提取其中的数据分组发送给 上层协议；帧发送协同单元，用于根据媒质接入控制协议和其它功能单元的指令，实现MAC 层帧发送时所必需的握手控制机制，控制帧发送单元在适当的时间发出适当的控制帧和数 据帧，并根据发出的RTS帧内容指示预期帧检测和消除单元设置或预期帧检测；帧发送单元，用于在帧发送协同单元、帧接收协同单元的控制下发送MAC层帧给 外部的物理层帧形成模块；接收协同单元，用于根据媒质接入控制协议和其它功能单元的指令，实现MAC层 帧发送时所必需的握手控制机制，根据接收到的帧类型确定响应帧的类型和内容后发送给 帧发送单元及时发出；帧接收单元，用于从外部MAC层帧提取模块接收MAC层帧后及时提交给接收协同单 元，根据接收到的帧的类型和发送持续时间字段通知信道管理单元更改接收和发送NAV定时 器，并根据接收到的RTS帧和CTS帧指示预期帧检测和消除单元设置或执行预期帧检测；信道管理单元，用于接收来自外部的射频前端模块的接收信号起始、信号功率等 级等指示，以及来自帧接收单元的NAV定时器更新指令，实现信道的状态管理；退避管理单元，用于在发送不成功时执行退避，当退避定时器计时停止时通知发 送协同单元再次发送相应帧；预期帧检测与消除控制单元，用于按照发送协同单元和接收单元的指示，根据当 前发送的RTS帧或者当前接收到的RTS/CTS帧预期将要出现的ACK帧的内容和到达时间， 通知和控制外部的接收信号解析模块执行预期帧检测和消除，并将结果反馈给帧发送协同 单元或帧接收单元。所述的接收信号解析模块，包括数字信号缓存器，用于接收并缓存经模数转换之后的数字中频信号，并按照不同 需求分别提供给预期帧检测单元、预期帧消除单元和解调/解码单元使用；预期帧检测单元，用于根据外部媒质接入控制模块的指令，从接收到的数字信号 序列中检测出特定的预期帧，并将结果返回给外部媒质接入控制模块；预期帧消除单元，用于根据外部媒质接入控制模块或者预期帧消除模块的指令， 从接收到的数字信号序列中消除相应的预期帧信号，并将消除预期帧后的信号发送给解调 /解码单元；解调/解码单元，用于接收来自数字信号缓存器或者预期帧消除单元的数字中频 信号，对其进行解调/解码操作，从中获得数字基带信号并发送给外部的MAC层帧提取模块。三、本发明的无线分组网络媒质接入控制方法，包括如下步骤(1)在终端有数据帧需要发送时，根据当前是否有被载波监听抑制确定数据帧的发送，如果该终端没有被抑制，或者被抑制但是属于暴露终端抑制，则发送RTS，并等待接收 终端响应CTS ；否则，执行退避，直至终端发出RTS ；(2)接收终端收到RTS后，如果没有被抑制，则响应CTS并等待接收数据帧；否则不响应；(3)相邻终端根据监听到的帧的类型和发送持续时间字段，分别设置接收和发送NAV定时器，以确定自己属于何种状态；(4)若终端根据刚发送出或者接收到的帧的类型、地址和持续时间字段能够完整准确预期出将来某时刻将出现一个ACK帧，则设置在预期ACK帧出现的时刻，执行预期帧检 测和消除，否则不需要设置预期帧；(5)终端在接收到无线信号后，若所接收到的信号与提前设置的预期帧时间重叠，则根据预期的帧起始时间、帧前导序列和帧定界序列、以及帧内容字段，采用序列相关法进 行预期帧的检测，根据预期帧检测获得的精确时间和信道参数估计，产生一个预期帧经信 道传输后的接收信号副本，将该预期帧副本从接收信号中消除，并对消除预期帧之后的信 号进行解调解码和帧提取；(6)发送终端接收到CTS，握手成功，设置预期ACK帧接收，并发出数据帧，等待接收 ACK;(7)接收终端成功接收到数据帧后，发出ACK帧确认，否则接收失败；(8)发送终端成功接收到ACK帧，数据发送成功；否则发送失败，返回步骤(1)。本发明通过所述的媒质接入控制模块和接收信号解析模块，增加了预期帧检测和 消除功能，使终端设备成为暴露终端时，也能够发出RTS帧和数据帧；本发明采用预期帧检 测，使终端在受到干扰的情况下也能够正确接收到预期的ACK帧；本发明采用预期帧消除， 可将产生干扰的预期ACK帧从接收信号中消除，使剩余信号可以被正确接收。本发明与现 有三类支持并发通信的媒质接入控制方法相比，不仅能增加无线网络通信并发度和网络容 量，而且可避免这些方法所引起的上层协议性能恶化、发送等待时间过长、协议过于复杂、 不能充分实现空间复用以及不兼容802. 11标准的缺点。
图1为无线网络中的隐藏和暴露终端示意图；图2为本发明的系统结构框图；图3为本发明系统中的媒质接入控制模块结构示意图；图4为本发明系统中的接收信号解析模块结构示意图；图5为本发明媒质接入控制总流程图；图6为本发明媒质接入控制中根据RTS和CTS预期ACK帧示意图；图7为本发明的预期帧检测子流程图；图8为本发明的预期帧消除子流程图。
具体实施例方式为使本发明目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进行进一步的详细说明。参照图2，本发明无线终端系统包括媒质接入控制模块10、接收信号解析模块 20、模数转换器30、MAC层帧提取模块40、物理层帧形成模块50、调制/编码模块60、数模 转换器70、射频前端模块80、物理层信道管理模块90和天线。其中媒质接入控制模块10、物理层帧形成模块50、调制/编码模块60、数模转换器70 与射频前端模块80依次单向连接，构成数据发送通道；射频前端模块80、模数转换器30、接 收信号解析模块20、MAC层帧提取模块40与媒质接入控制模块10依次单向连接，构成数据 接收通道。射频前端模块80与物理信道管理模块90双向连接传递控制与通知消息；物理 信道管理模块90与媒质接入控制模块10单向连接，向该媒质接入控制模块通知信道状态； 媒质接入控制模块10与接收信号解析模块20双向连接，传递接收信号解析所需的控制指 令和相关信息；射频前端模块80与天线双向连接接收和发送无线信号。当媒质接入控制模块10发送数据帧时，首先将上层数据分组组装成MAC层帧发给 物理层帧形成模块50，在该物理层帧形成模块中添加物理层传输所需字段，包括前导序列 和帧定位序列，构成物理层帧；然后将物理层帧传递给调制/编码模块60 ；调制/编码模块 60执行编码、扩频和调制功能，将物理层帧转变为适合在无线信道中传输的中频数字信号， 并传给数模转换器70转换为中频模拟信号；数模转换器70在物理信道管理模块90的配合 下，将该信号传给射频前端模块80，经过变频、滤波和放大操作后转变为射频无线信号；最 后将射频无线信号通过天线发出。当射频前端模块80接收到来自天线的微弱无线高频信号，经过放大、滤波和变频 之后，转变为无线中频信号，传送给模数转换器30，将该无线中频信号转换为中频数字信 号；同时，射频前端模块80将检测到的无线射频信号的起止时间和功率大小信息通知给物 理信道管理模块90 ；该物理信道管理模块将起止时间和功率大小信息转变为物理载波侦 听消息，并传达给媒质接入控制模块10 ；经模数转换之后的中频数字信号由模数转换器30 传递给接收信号解析模块20 ；接收信号解析模块20在媒质接入控制模块10的控制下对中 频数字信号进行预期帧检测、预期帧消除与解调/解码，并将必要的中间结果通知给媒质 接入控制模块10 ；经接收信号解析模块20解调解码后的信号发送给MAC层帧提取模块40， 从中提取出MAC层数据帧或控制帧，提交给媒质接入控制模块10。参照图3，本发明所述媒质接入控制模块包括上层协议接口 101、发送协同单元 102、帧发送单元103、接收协同单元104、帧接收单元105、信道管理单元106、退避管理单元 107和预期帧检测与消除控制单元108。其中上层协议接口 101单向连接到发送协同单元 102，发送协同单元102单向连接到帧发送单元103，103单向连接到模块外部的物理层帧形 成模块50，形成来自上层协议的数据帧的发送通道。帧接收单元105与外部MAC层帧提取 模块40单向连接，并单向连接到接收协同单元104，该接收协同单元单向连接到上层协议 接口 101，构成去往上层协议的数据帧接收通道。接收协同单元104与帧发送单元103单向 连接，根据接收到的帧类型通知103发出相应的控制帧。退避管理单元107单向连接到发 送协同单元102和信道管理单元106，根据退避算法执行退避以及更改信道状态管理信息。 帧接收单元105单向连接到信道管理单元106，根据接收到的帧中发送持续时长字段和类型设置106中的相应NAV定时器。信道管理单元106同时与外部的物理信道管理模块90单向连接，接收来自该物理信道管理模块的物理载波侦听结果。预期帧检测与消除控制单 元108与物理信道管理模块90单向连接，接收来自该物理信道管理模块的接收信号起止时 间、信号强度和信道估计参数消息；同时预期帧检测与消除控制单元108分别与接收信号 解析模块20、发送协同单元102和帧接收单元105双向连接，控制接收信号解析模块执行检 测与消除并接收执行的结果，接收来自发送协同单元和帧接收单元的预期帧检测与消除请 求，并将执行结果返回给发送协同单元和帧接收单元。参照图4，本发明所述接收信号解析模块包括数字信号缓存201、预期帧检测单 元202、预期帧消除单元203和解调/解码单元204，其中数字信号缓存器201与外部模数 转换模块30单向连接，接收并缓存经转换之后的数字中频信号；同时数字信号缓存器分别 与预期帧检测单元202、预期帧消除单元203和解调/解码单元204单向连接，传送需要进 行检测或消除的数字信号给预期帧检测单元和预期帧消除单元，传送可直接进行解调/解 码的数字中频信号给解调/解码单元。解调/解码单元204与预期帧消除单元203之间单 向连接，接收经预期帧消除之后的数字中频信号；解调/解码之后的数据发给外部MAC层帧 提取模块40，用于提取完整的MAC层帧；同时，解调/解码单元204与预期帧消除单元203 双向连接，该解调/解码单元204与媒质接入控制模块10中的预期帧检测与消除控制单元 108单向连接，均用以辅助实现预期帧消除。预期帧检测单元202与外部媒质接入控制模块 10中的预期检测与消除控制单元108双向连接，接收预期帧检测请求并能够返回检测结果 和相关信息；预期帧消除单元203与预期帧检测单元202之间双向连接，用于在直接检测不 成功时先进行预期帧消除再进行检测；预期帧消除单元203同时与外部媒质接入控制模块 10中的预期检测与消除控制单元108单向连接，接受来自108的预期帧消除请求。参照图5，本发明的无线分组网络媒质接入控制方法实现方法，包括如下步骤步骤1，终端收到来自上层的数据分组，将其组装成MAC层数据帧，并根据其目的 地址，数据长度等产生相应的RTS帧准备发送。步骤2，发送终端判断自身当前是否被物理载波侦听和虚拟载波侦听抑制，若终端 物理和虚拟载波侦听结果均显示信道闲，或者虽然物理载波侦听为忙但是虚拟载波侦听发 现该终端属于暴露终端，则执行步骤3 ；否则，执行退避，直至终端发出RTS。步骤3，发送终端发出RTS，并等待接收来自目的终端的CTS。步骤4，接收终端收到RTS后，如果根据载波侦听判断可以接收，则响应CTS并等待 接收数据帧；否则不响应。步骤5，与接收和发送终端相邻的终端，根据监听到的帧的类型和发送持续时间字 段，设置或者更新接收NAV定时器或发送NAV定时器。步骤6，若终端根据已知的刚发送出或者接收到的帧的类型、地址和持续时间字段 能够完整准确预期出将来某时刻将出现一个ACK巾贞，则设置在预期ACK帧出现的时刻，执行 预期帧检测和消除，否则不需要设置预期帧；参照图6，其中根据已知帧获得预期ACK帧出现时间和帧内容的具体情况分为如 下三种情况第一种情况是如果终端刚发出或者接收到RTS帧，则预期ACK帧的目的地址为 RTS帧的源地址；预期ACK帧的出现时间T = t+D-tsfs-tACK，其中t为当前时间，Dets为RTS帧中的发送持续时间，tsfs为最短帧间隔，tM为ACK帧传送所需时间；第二种情况是如果终端接收到的帧为CTS，则预期ACK帧的目的地址即为CTS帧的目的地址；预期ACK帧的出现时间T = t+D-tsfs-tACK，其中t为当前时间，Dcts为CTS帧中 的发送持续时间，tsfs为最短帧间隔，tM为ACK帧传送所需时间；第三种情况是如果终端接收到的帧是其他类型的帧，不进行预期帧设置；在以上第一种和第二种情况中，预期ACK帧中的帧控制字为已知固定格式，发送持续时间字段为0，帧校验序列根据帧控制字、发送持续时间和目的地址字段的内容重新计 笪弁。步骤7，终端在接收到无线信号后，若所接收到的信号与提前设置的预期帧时间重叠，则根据预期的帧起始时间、帧前导序列和帧定界序列，以及帧内容字段，采用序列相关 法进行预期帧的检测。参照图7，本步骤的具体实现如下7. 1，预期帧检测单元接收经数字化后的中频无线信号，以及预置的预期帧起始时 刻和帧格式内容信息；7. 2，在预期帧起始时刻附近，用已知的帧前导序列与接收信号进行滑动相乘运 算，在预期帧起始位置附近，若滑动相乘的积明显大于此位置之前和此位置之后的乘积，则 认为出现显著相关峰值，执行步骤7.3 ；否则认为不存在预期帧，检测失败，返回预期帧检 测失败消息；7. 3，从相关峰指示的确切位置开始，按照信道估计的参数对完整预期帧进行滑动 相乘计算，若从此位置开始的滑动相乘积远大于此位置之前和此位置之后的乘积，则认为 预期帧检测成功，返回预期帧检测成功消息，由检测获得的帧确切起始位置和信道参数估 计等信息给预期帧检测与消除控制单元；否则执行步骤7. 4 ；7. 4，发送前导序列相关峰确切位置、信道和发送机参数估计、预期帧格式内容给 预期帧消除单元请求尝试消除；7. 5，若预期帧消除成功，则预期检测成功，返回预期帧检测成功消息、前导序列相关峰确切位置和信道参数估计信息给预期帧检测与消除控制单元；否则，预期帧检测失败， 返回预期帧检测失败消息。步骤8，根据预期帧检测获得的精确时间和信道参数估计，产生一个预期帧经信道传输后的接收信号副本，将该预期帧副本从接收信号中消除，并对消除预期帧之后的信号 进行解调解码和帧提取。参照图8，本步骤的具体实现如下8. 1，预期帧消除单元接收必要信息，包括预期帧消除请求、需要从中消除预期帧的无线数字信号、预期帧确切起始位置、预期帧格式内容、信道估计参数和发送机估计参 数；8. 2，根据预期帧的格式内容和802. 11标准中规定的物理层帧结构，添加前导序列和帧定位序列，组装出完整的物理层帧；8. 3，根据802. 11标准中对物理层规定的调制编码方法，对物理层帧进行逐比特编码和调制，获得经编码和调制之后的数字信号序列；8. 4，根据信道和发送机估计参数，增加对调制和编码后的数字信号的频率、相位和幅度的畸变，所得到的数字信号序列即为经信道传输之后的预期帧信号副本；8. 5，从需要进行预期帧消除的数字信号中，从前导序列相关峰出现的确切位置开始，减去生成的预期帧信号副本，并将所余信号提交给解调解码单元；8. 6，解调解码单元对剩余信号进行解调和解码，并将解调和解码之后的比特序列 提交给MAC层帧提取模块；8. 7,MAC层帧提取模块对接收到的比特序列进行MAC层帧定界，并使用802. 11标 准中规定的校验多项式对该帧进行循环冗余校验，如果得到的校验和与帧中的一致，则预 期帧消除成功，将获得的MAC层帧提交给媒质接入控制模块；否则执行步骤8. 8 ；8. 8，选择是否重新尝试，若重试次数未超过上限，则调整信道和发送机估计参数， 生成新的预期帧信号副本，执行步骤8. 5 ；否则，返回消除失败消息，预期帧消除终止。步骤9，发送终端接收到CTS，握手成功，设置预期ACK帧接收，并发出数据帧，等待 接收ACK ；否则执行退避后重新执行步骤1。步骤10，接收终端成功接收到数据帧后，发出ACK帧确认，否则接收失败。步骤11，发送终端成功接收到ACK帧，数据发送成功；否则发送失败，执行退避后 返回步骤1。
权利要求
一种无线分组网络媒质接入控制系统，包括媒质接入控模制块、接收信号解析模块、天线、射频前端模块、模数转换器、数模转换器、MAC层帧提取模块、物理层帧形成模块、调制/编码模块和物理信道管理模块，其特征在于所述的媒质接入控制模块，包括上层协议接口，用于从上层协议中接收数据分组，将其组装成MAC层帧后发送给发送协同单元，并从接收协同单元中收取接收到的MAC层帧，提取其中的数据分组发送给上层协议；帧发送协同单元，用于根据媒质接入控制协议和其它功能单元的指令，实现MAC层帧发送时所必需的握手控制机制，控制帧发送单元在适当的时间发出适当的控制帧和数据帧，并根据发出的RTS帧内容指示预期帧检测和消除单元设置或预期帧检测；帧发送单元，用于在帧发送协同单元、帧接收协同单元的控制下发送MAC层帧给外部的物理层帧形成模块；接收协同单元，用于根据媒质接入控制协议和其它功能单元的指令，实现MAC层帧发送时所必需的握手控制机制，根据接收到的帧类型确定响应帧的类型和内容后发送给帧发送单元及时发出；帧接收单元，用于从外部MAC层帧提取模块接收MAC层帧后及时提交给接收协同单元，根据接收到的帧的类型和发送持续时间字段通知信道管理单元更改接收和发送NAV定时器，并根据接收到的RTS帧和CTS帧指示预期帧检测和消除单元设置或执行预期帧检测；信道管理单元，用于接收来自外部的射频前端模块的接收信号起始、信号功率等级指示，以及来自帧接收单元的NAV定时器更新指令，实现信道状态管理；退避管理单元，用于在发送不成功时执行退避，当退避定时器计时停止时通知发送协同单元再次发送相应帧；预期帧检测与消除控制单元，用于按照发送协同单元和接收单元的指示，根据当前发送的RTS帧或者当前接收到的RTS/CTS帧预期将要出现的ACK帧的内容和到达时间，通知和控制外部的接收信号解析模块执行预期帧检测和消除，并将结果反馈给帧发送协同单元或帧接收单元。所述的接收信号解析模块，包括数字信号缓存器，用于接收并缓存经模数转换之后的数字中频信号，并按照不同需求分别提供给预期帧检测单元、预期帧消除单元和解调/解码单元使用；预期帧检测单元，用于根据外部媒质接入控制模块的指令，从接收到的数字信号序列中检测出特定的预期帧，并将结果返回给外部媒质接入控制模块；预期帧消除单元，用于根据外部媒质接入控制模块或者预期帧消除模块的指令，从接收到的数字信号序列中消除相应的预期帧信号，并将消除预期帧后的信号发送给解调/解码单元；解调/解码单元，用于接收来自数字信号缓存器或者预期帧消除单元的数字中频信号，对其进行解调/解码操作，从中获得数字基带信号并发送给外部的MAC层帧提取模块。
2.一种无线分组网络媒质接入控制方法，包括如下步骤(1)在终端有数据帧需要发送时，根据当前是否有被载波监听抑制确定数据帧的发送， 如果该终端没有被抑制，或者被抑制但是属于暴露终端抑制，则发送RTS，并等待接收终端响应CTS ；否则，执行退避，直至终端发出RTS ；(2)接收终端收到RTS后，如果没有被抑制，则响应CTS并等待接收数据帧；否则不响应；(3)相邻终端根据监听到的帧的类型和发送持续时间字段，分别设置接收和发送NAV 定时器，以确定自己属于何种状态；(4)若终端根据刚发送出或者接收到的帧的类型、地址和持续时间字段能够完整准确 预期出将来某时刻将出现一个ACK巾贞，则设置在预期ACK帧出现的时刻，执行预期帧检测和 消除，否则不需要设置预期帧；(5)终端在接收到无线信号后，若所接收到的信号与提前设置的预期帧时间重叠，则根 据预期的帧起始时间、帧前导序列和帧定界序列、以及帧内容字段，采用序列相关法进行预 期帧的检测，根据预期帧检测获得的精确时间和信道参数估计，产生一个预期帧经信道传 输后的接收信号副本，将该预期帧副本从接收信号中消除，并对消除预期帧之后的信号进 行解调解码和帧提取；(6)发送终端接收到CTS，握手成功，设置预期ACK帧接收，并发出数据帧，等待接收ACK ；(7)接收终端成功接收到数据帧后，发出ACK帧确认，否则接收失败；(8)发送终端成功接收到ACK帧，数据发送成功；否则发送失败，返回步骤(1)。
3.根据权利要求2所述的无线分组网络媒质接入控制方法，其中步骤(4)所述的根据 已知帧预期将来某时刻将出现的ACK巾贞，分为三种情况第一种情况是如果终端刚发出或者接收到RTS帧，则预期ACK帧的目的地址为RTS帧 的源地址，ACK中的预期时间字段为0，预期ACK帧的出现时间T = t+D-tsfs-tACK，其中t为 当前时间，D为RTS帧中的发送持续时间，tsfs为最短帧间隔，tM为ACK帧传送所需时间； 第二种情况是如果终端接收到的帧为CTS，则预期ACK帧的目的地址即为CTS帧的目 的地址，ACK中的预期时间字段为0，预期ACK帧的出现时间T = t+D-tsfs-tACK，其中t为当 前时间，D为CTS帧中的发送持续时间，tsfs为最短帧间隔，tM为ACK帧传送所需时间； 第三种情况是如果终端接收到的帧是其他类型的帧，不进行预期帧设置。
4.根据权利要求2所述的无线分组网络媒质接入控制方法，其中步骤(5)所述的根据 预期的帧起始时间、帧前导序列和帧定界序列、以及帧内容字段，采用序列相关法进行预期 帧的检测，包括如下步骤(4a)预期帧检测单元接收经数字化后的中频无线信号，以及预置的预期帧起始时刻和 帧格式内容信息；(4b)在预期帧起始时刻附近，用已知的帧前导序列与接收信号进行滑动相乘运算，若 在误差允许范围内，在预期帧起始位置附近，滑动相乘的积明显大于此位置之前和此位置 之后的乘积，则认为出现显著相关峰值，执行步骤4c ；否则认为不存在预期帧，检测失败；(4c)从相关峰指示的确切位置开始，按照信道估计的参数对完整预期帧进行滑动相乘 计算，若在此位置开始的滑动相乘的积远大于此位置之前和此位置之后的乘积，则认为预 期帧检测成功；否则执行步骤4d ；(4d)发送前导序列相关峰确切位置、信道和发送机参数估计、预期帧格式内容给预期 帧消除单元请求消除；(4e)若预期帧消除成功，则预期检测成功；否则，预期帧检测失败。
5.根据权利要求2所述的无线分组网络媒质接入控制方法，其中步骤(5)所述的根据 预期帧检测获得的精确时间和信道参数估计，产生一个预期帧经信道传输后的接收信号副 本，按如下步骤进行(5a)预期帧消除单元接收消除请求，以及需要从中消除预期帧的无线数字信号、预期 帧确切起始位置、信道和发送机估计参数和预期帧格式内容这些必要信息；(5b)根据预期帧的格式内容和802. 11标准中规定的物理层帧结构，添加前导序列和 帧定位序列，组装出完整的物理层帧；(5c)根据物理层规定的调制编码方法，对物理层帧进行逐比特编码和调制，获得经编 码和调制之后的数字信号序列；(5d)根据信道和发送机估计参数，增加对调制和编码后的数字信号的频率、相位和幅 度的畸变，所得到的数字信号序列即为经信道传输之后的预期帧信号副本。
6.根据权利要求2所述的无线分组网络媒质接入控制方法，其中步骤(6)所述的将预 期帧副本从接收信号中消除，并对消除预期帧之后的信号进行解调解码和帧提取，按如下 步骤进行(6a)从需要进行预期帧消除的数字信号中，根据前导序列相关峰出现的确切位置开 始，减去生成的预期帧信号副本，并将所余信号提交给解调解码单元；(6b)解调解码单元对剩余信号进行解调和解码，并将解调和解码之后的比特序列提交 给MAC层帧提取模块；(6c)MAC帧提取模块对接收到的比特序列进行MAC层帧定界，并使用802. 11标准中规 定的校验多项式对该帧进行循环冗余校验，如果得到的校验和与帧中的帧校验序列一致， 则预期帧消除成功，将获得的MAC层帧提交给媒质接入控制模块；否则执行6d ；(6d)选择是否重新尝试，若重试次数未超过上限，则调整信道和发送机估计参数，生成 新的预期帧信号副本，执行6a ；否则，返回消除失败消息，预期帧消除终止。
全文摘要
本发明公开了一种无线分组网络媒质接入控制系统和方法，主要解决现有技术中暴露终端无法并发通信的问题，该系统包括媒质接入控制模块、接收信号解析模块、天线、射频前端、数模转换器、调制/编码模块、物理层帧形成模块、模数转换器、MAC帧提取模块以及物理信道管理模块。媒质接入控制模块在发送时判断信道是否空闲及终端是否属于暴露终端，若是则发送RTS帧，并根据已知帧设置预期ACK帧检测；接收信号解析模块执行预期帧检测判定ACK是否收到，并执行预期帧消除排除帧间干扰；MAC层帧提取模块从消除预期帧之后的信号中提取MAC层帧。本发明具有实现简单，通信并发度高和网络容量大，与现有IEEE 802.11标准兼容的优点，可用于实现大规模无线自组织通信网络。
文档编号H04W84/18GK101801109SQ20101010718
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者刘焕峰, 史琰, 姚明旿, 邱智亮, 鮑民权 申请人:西安电子科技大学