超密集网络中用户间直接通信的方法与流程

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种超密集网络中用户间直接通信的方法。

背景技术：

无线局域网络中，基站又被称为接入站点(AP, access point)，用户相当于工作站点（STA，station）。在一个超密集网络中，分布着多个小小区。若一个小小区中的用户想要与另一个小小区中的用户进行通信，当两个用户距离较近时，可以直接通过蓝牙等技术直接通信；但当两个用户距离较远时，用户间不能直接通信，而必须借助宏基站（MBS，Macro Base Station）的转发，将一个用户的数据传给另一个用户。

场景1：当超密集网络中的两个距离较近的用户之间相互通信时，可以借助蓝牙、超宽带、ZigBee和Wi-Fi等技术直接通信，但是这几种技术同属于短距离无线通信技术，它能达到的距离从几米到几十米，因此通信距离受到限制，在两个用户相隔较远时则不能通信。当超密集网络中两个距离较远的用户之间相互通信时，由于距离的限制，必须采用宏基站转发，而用户与宏基站之间存在着大尺度衰落，这就使得用户端数据在传输过程中会有损耗，因此从一个用户传到另一个用户的数据干扰较大。同时，由于存在转发，这也会增加额外的转发开销，增加误码率，从而降低系统的吞吐量。

目前为止，在超密集网络中，距离较近的用户只能通过短距离无线通信技术进行通信，而距离较远的用户则不能直接通信，而且使其直接通信尚无有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供超密集网络中用户间直接通信的方法，克服现有技术存在的问题，用户间可通过超密集局域网实现直接通信而不需宏基站的转发。

本发明的技术方案是：超密集网络中用户间直接通信的方法，在一个具有基础设施的基本服务集BSS系统中有一个接入站点AP，接入站点AP含有指示用户间是否具有直接通信能力的信标帧，发送用户A和目标用户B之间通过多个接入站点AP进行通信，具体方法是：

发送用户A通过其所关联的接入站点AP发送的信标帧来发现网络，并向所关联的AP发送含有目标用户B地址信息的数据；

AP收到该数据后，将其所在BSS存储的用户地址信息与接收数据中目标用户B的地址信息进行匹配，如果匹配成功，则将数据发送给目标用户B；如果匹配失败，则携带发送用户A数据的AP将该数据转发给其周围具有直接通信能力的AP，用上述的地址匹配方法继续进行匹配；

在设定的时间周期内，如果匹配成功，匹配成功的AP逐级向上一级AP回传结束通信的指令，直至反馈给发送用户A；接收到结束通信指令的AP向其他其已发送数据的下一级AP发送结束通信的指令，直至所有携带上述数据的AP都结束通信；如果设定时间内一直没有匹配成功，则逐级向上一级AP反馈匹配失败的信息，直至反馈给发送用户A，并丢弃匹配失败的数据。

当接入站点AP识别不到周围具有直接通信能力的AP而无法进行数据转发时，一方面，接入站点AP将数据存储到其所在的BSS系统中，等待AP相对位置变化后再重新识别周围的AP，另一方面，接入站点AP继续接收其他AP发送的数据并进行地址匹配。

接入站点AP同时接收到多个AP发送的数据时，按设定的顺序依次进行地址匹配。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在不改动现有无线局域网机制的前提下，当存在较多无线局域网密集覆盖时，用户间可通过超密集局域网实现通信而不需宏基站的转发，尤其适用于无法关联到4G网络等宏基站的情况。

附图说明

图1是本发明一实施例的 VHT能力元素的结构图；

图2是本发明一实施例的方法与现有技术的误码率的仿真比较图。

具体实施方式

首先介绍一下无线局域网IEEE 802.11ac的标准。IEEE 802.11ac工作在5GHz频段，与IEEE 802.11n部分兼容，支持20/40/80/160/80+80MHz可变带宽运行。IEEE 802.11ac物理层采用多用户MIMO+OFDM技术，支持最高为256QAM、5/6码率的调制编码方式，最高速率可达1Gbps。IEEE 802.11ac的MAC层引入了多用户下行TXOP机制，允许AP同时传输帧到多个STA，在一个TXOP中可以传输多个接入类别（AC）的数据；此外MAC层还改进了聚合机制，通过增大A-MSDU和A-MPDU的长度提升了MAC层能效。

BSS是一个802.11无线局域网（WLAN）的基本组成部分。BSS分为两种——独立BSS（IBSS，Independent BSS）和具有基础设施的BSS。其中，IBSS指的是相互之间直接通信的站点所建立起来的ad-hoc关联。一个具有基础设施的BSS具有一个AP，AP可能与分布式系统（DS, Distributed System）相连。在本发明中，我们所采用的拓扑结构为基础BSS。基础BSS中的AP定期广播“信标”帧。“信标”时段定义了目标信标传输时间(Target Beacon Transmission Time,TBTT)的固定时刻表，在媒体空闲的前提下，“信标”帧本身则在TBTT时刻或者尽量靠近TBTT的时刻发送。“信标”帧带有管制信息、能力信息以及用来管理BSS的信息。

802.11管理功能为通过扫描，也就是被动地寻找“信标”传输或者利用“试探请求”/“试探响应”交换来主动探测AP的存在，站点就能知道一个BSS的存在。这里的扫描是站点发现一个BSS以及与该BSS相关联的属性的过程。扫描有两种形式：被动扫描和主动扫描。 站点在BSS中的成员身份是动态的。站点可能上电打开或关闭，或者站点可能是移动的，并移进或移出BSS所覆盖的区域。站点通过“关联”到BSS来成为BSS的成员。当离开BSS时，站点则变成“去关联”。在一个或多个基础BSS组成的扩展BSS（ESS, Extent Service Set）中，站点可以通过“重关联”在ESS中从一个BSS迁移到另一个BSS。

其中，关联是站点必须先与AP关联，然后才被允许通过AP发送数据。在站点和AP间建立起一种映射关系，以允许分布系统(Distributed System, DS)内的消息可以抵达站点所关联的AP，并最终抵达站点本身。在任何给定时刻，一个站点只能与一个AP关联。重关联是对站点的移动性提供支持，从而使站点可以在同一个ESS中从与一个AP相关联转移到另一个。去关联-可以由站点或AP发起，以结束一个已有的关联。站点在离开网络时，应该主动执行去关联操作。

VHT站点能力是802.11ac协议中特有的能力，它是通过使用VHT能力元素来在信令中表明的。这个元素存在于VHT AP或VHT站点所发送的“信标”、“关联请求”、“关联响应”、“重关联请求”、“重关联响应”、“试探请求”以及“试探相应”管理帧等。VHT能力元素包含用来宣告VHT站点或VHT AP的可选能力的字段，VHT能力元素包含能力信息比特，字段长度有32bit，存在足够的预留比特。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在超密集网络中，定义IEEE 802.11ac中管理帧中的子类型，即定义其信标帧中的信息元素字段中的VHT能力元素的预留字段B30-B31中的B30或B31作为用户间是否具有直接通信能力的标记，编码“1”为具备这种能力，编码“0”则不具备这种能力。如图1，B0-B31共32个比特位，其中B0-B29的比特位是IEEE 802.11ac已经标准化的域意，本发明在兼容已有协议的前提下，对预留比特位B30-B31赋予“直接通信”能力标示，可有效实现超密集网络下用户间的直接通信，该图下面的数字表示所占的比特位数目，例如B0-B1标示的“最大MPDU长度”包含B0和B1共2个比特位。下表1是本发明一实施例IEEE 802.11ac的管理帧的类型。

表1 管理帧的类型

当发送用户A和目标用户B之间距离较近时，除了采用蓝牙等短距离无线通信技术外，还可以在现有协议的基础上，通过AP实现两个用户间的TDSL(Tunnel Direct Session Link)协议直接通信。

当发送用户A和目标用户B之间距离较远时，两个用户之间有多个基本服务集(BSS，Basic Service Set)，用户间的直接通信采用如下方法：

发送用户A通过其所关联的接入站点AP发送的信标帧来发现网络，并向所关联的AP发送含有目标用户B地址信息的数据，其中信标帧中包含指示用户间直接通信能力的比特信息，即识别B30或B31的比特位，用户的关联帧中也包含具备该能力的VHT能力元素。

AP收到该数据后，将其所在BSS存储的用户地址信息与接收数据中目标用户B的地址信息进行匹配，如果匹配成功，则将数据发送给目标用户B；如果匹配失败，则携带发送用户A数据的AP将该数据转发给其周围具有直接通信能力的AP，用上述的地址匹配方法继续进行匹配。

在设定的时间周期内，如果匹配成功，匹配成功的AP逐级向上一级AP回传结束通信的指令，直至反馈给发送用户A；接收到结束通信指令的AP向其他其已发送数据的下一级AP发送结束通信的指令，直至所有携带上述数据的AP都结束通信；如果设定时间内一直没有匹配成功，则逐级向上一级AP反馈匹配失败的信息，直至反馈给发送用户A，并丢弃匹配失败的数据。

当接入站点AP识别不到周围具有直接通信能力的AP而无法进行数据转发时，一方面，接入站点AP将数据存储到其所在的BSS系统中，等待AP相对位置变化后再重新识别周围的AP，另一方面，接入站点AP继续接收其他AP发送的数据并进行地址匹配。

接入站点AP同时接收到多个AP发送的数据时，按设定的顺序依次进行地址匹配。

图2是上述实施例的方法与采用现有技术的误码率的仿真比较图。横坐标SNR表示信噪比，纵坐标BER表示误码率。图2中的实施例指的是本发明的上述实施例，对比例1和2是在与上述实施例相同的实验条件下，采用现有技术进行实验的结果。对比例1采用集中式方案，数据完全由宏基站转发，对比例2采用分布式方案，将一个小区分成多个簇，每一个簇有一个中心基站控制数据转发，实质上是半分布式通信。图2中的NT表示发送端天线数，NR表示接收端天线数。由图2可以看出，采用本发明的方法，误码率明显降低。

本发明适用于IEEE 802.11ac协议，也适用于具有能力元素的其他802.11协议。