无线网络数据传输方法及装置与流程

本发明属于无线网络技术领域，尤其涉及无线网络数据传输方法及装置。

背景技术：

无线网络及其相关应用已逐渐变成人们生活中不可缺少的一部分。人们可以通过无线局域网络(wlan，wirelesslocalareanetwork)方便快捷的将各种终端如智能手机、平板电脑、笔记本等接入网络。但是，由于很多终端都采用电池供电，而电池很容易在各种应用所需的无线通信过程中被耗尽，因此，如何降低能耗以延长电池使用时间成为一个急需解决的问题。

在wlan网络中，由于无线信号的广播特性，多个终端同时接入网络时就会存在相互干扰。目前的wlan主要采用ieee802.11标准中定义的带有冲突避免的载波监听(csma/ca，carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance)机制实现信道接入：节点发送数据前首先进行信道侦听，若信道空闲，则在一段退避时间之后发送数据，否则一直等到信道从忙转为空闲后再重新尝试。这种机制使得各终端在发送或接收数据包之前需要浪费大量的能量：在发送数据包之前进行持续的信道侦听、在接收数据包之前也需要持续的监听信道才能不错过需要接收的数据包，而这两部分消耗的终端能量基本相当于发送或接收数据包的能量，长时间的信道侦听必然导致能量有效性下降。当一个数据包在无线信道上被广播之后，所有监听到这个包的终端都会对其进行接收和解码的处理，即便这个包在mac层因目的地址不匹配会被丢弃，浪费在监听过程中的能耗也会导致能量有效性下降，在高负载情况下这个问题将会尤其明显。

为了解决wlan中的能耗问题，802.11协议推荐了mac层的节能模式(psm，powersavingmode)，让各终端周期性的醒来并与无线接入点(ap，accesspoint)交换控制信息来判断其是否有数据要接收。需要收发数据包的终端保持active状态，其他终端切换到睡眠模式以节省能量。虽然这种方案在一定程度上可以减少终端的能量损耗，但并不能有效避免终端在发送数据包之前的信道侦听、也不能避免终端监听不必要的数据包。同时，节能模式要求终端与ap之间交换额外的控制帧，而额外控制帧的传输反而在某种程度上会增加系统能耗、降低系统性能。因此，能耗依然是wlan及其应用面临的一个重要问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种无线网络数据传输方法，旨在解决目前在无线网络的csma/ca机制下载波侦听和数据包监听导致的终端能耗大的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种无线网络数据传输方法，包括：

终端在降采样模式下进行数据包监听；

所述终端监听到数据包，通过包头检测机制检测所述数据包包头中的指示域，所述包头由无线接入点ap在发送数据包前增加至标准数据包之前，包含指示域、目的地址域和传输时间域；

所述终端通过包头检测机制检测所述目的地址域，判断所述目的地址是否指向所述终端；

如果所述目的地址指向所述终端，所述终端切换到全采样模式，接收所述数据包；

如果所述目的地址不指向所述终端，所述终端将通过包头检测机制检测所述传输时间域，并在所述传输时间域指示的时间段内切换到睡眠模式。

本发明实施例的另一目的在于提供一种无线网络数据传输装置，包括：

监听单元，用于终端在降采样模式下进行数据包监听；

第一检测单元，用于所述终端监听到数据包，通过包头检测机制检测所述数据包包头中的指示域，所述包头由无线接入点ap在发送数据包前增加至标准数据包之前，包含指示域、目的地址域和传输时间域；

第二检测单元，用于所述终端通过包头检测机制检测所述目的地址域，判断所述目的地址是否指向所述终端；

第一切换单元，用于如果所述目的地址指向所述终端，所述终端切换到全采样模式，接收所述数据包；

第二切换单元，用于如果所述目的地址不指向所述终端，所述终端将通过包头检测机制检测所述传输时间域，并在所述传输时间域指示的时间段内切换到睡眠模式。。

在本发明实施例中，由于采用新的数据包格式，使其包头能单独传输目的地址和传输时间信息，采用包头检测机制，使得数据包的目的地址和传输时间信息能在降采样模式下、不需要接收整个数据包就能被正确检测，终端除了收发数据包工作在全采样模式，其他时间均工作在降采样模式或睡眠模式，从而降低信道侦听或数据包监听导致的终端能耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无线网络数据传输方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的无线网络数据传输方法的数据包格式；

图3是本发明实施例提供的无线网络数据传输方法的包头检测机制结构框图；

图4是本发明实施例提供的无线网络数据传输方法的工作方式示意图；

图5是本发明实施例提供的无线网络数据传输装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例是以终端接收ap发送的数据包为例进行介绍的，ap接收终端发送的数据包的情况同样适用，其中，所述终端包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。

图1示出了本发明实施例提供的无线网络数据传输方法的实现流程图，详述如下：

在s101中，终端在降采样模式下进行数据包监听。

由于一个终端的在无线传输上的能耗与支持电压和采样率成正比，降低电压或采样率即可大大减少此终端在载波侦听或数据包监听过程中的能耗。因此，本发明实施例中终端在降采样模式下进行数据包监听而不是在全采样模式下进行数据包监听。

所述降采样模式为：终端降低采样频率以节省能量，但数据包发送或接收不能成功进行；

所述全采样模式为：终端工作在正常状态下，可以正常发送或接收数据包。

如图2所示，所述数据包为新的数据包格式，在标准数据包格式之前，增加了包头包含三个固定长度的域：指示，目的地址和传输时间。

具体地，ap在发送标准数据包之前，首先给所述标准数据包之前增加一个如图2所示的包头。

其中，所述数据包包头设置在物理层。

在s102中，所述终端监听到数据包，通过包头检测机制检测所述数据包包头中的指示域，所述包头由无线接入点ap在发送数据包前增加至标准数据包之前，包含指示域、目的地址域和传输时间域。

所述包头检测机制包括：通过互相关技术检测已知码元序列，恢复出所述包头中的域所携带的原始信息，所述已知码元序列由所述包头中的域所携带的信息映射得到。

具体地，本发明实施例基于互相关技术的物理层方案，使得数据包包头中的目的地址和传输时间信息能在降采样模式下、不需要接收整个数据包就能被正确检测。互相关技术可用于在低信噪比的情况下检测一个已知的码元序列。图2所示数据包包头中的三个域中所携带的信息将分别被映射到一个已知的码元序列，终端通过互相关技术检测已知码元序列并恢复出原始信息。

本发明实施例全采样模式下的码元序列检测过程如下所述：

当信号通过无线网络进行传输时，ap经过带通调制将数字信号映射为复数码元。在终端，射频接收器将收到的信号进行采样，获取对应的离散复数码元。在实际网络中，由于外部环境的影响以及硬件的差异性，接收到的实际码元相比于ap的原始码元存在幅度、频率和相位的变化。假设x[i]代表第i个发送码元，则在终端其对应的码元可以表示为y[i]＝hx[i]e^j2πδfδt+w[i]，其中h为复数，代表发送和终端之间的信道参数，e^j2πδfδt代表信号的相位移动，w[i]代表第i个码元的高斯噪声。

假设有一个已知码元序列x[i]，i＝1～l，其中l为码元个数。通过互相关技术检测此序列的方式为：在终端从接收到的第一个码元开始，截取l个码元与此序列x[i]进行互相关(cross-correlation)计算；然后顺次往后移动一个码元进行同样的步骤。我们定义在某位置的互相关计算结果为：

其中为x[i]的复共轭函数，e^-j2πδfδt为在终端进行的相位移动补偿。假设接收信号y[i]包含已知码元序列x[i]、干扰信号yint[i]、以及背景噪声w[i]，即y[i]＝h·x[i]+yint[i]+w[i]，通过补偿频率δf，公式(1)可以转换为：

其中，由于yint[i]与w[i]都与序列x[i]不相关，只要l足够长，就可使得o(l)≈0。因此c(l)可简化为：

此时c(l)为一个峰值，远远大于接收信号中没有已知序列x[i]时的互相关计算结果。实际系统中将c(l)与一个门限βcorr进行对比来进行判断：如果c(l)>βcorr，则接收信号中包含有已知序列；反之则没有。

本发明实施例降采样模式下的码元序列检测过程如下所述。

根据奈奎斯特-香农采样定理，为了在终端完全恢复被发送的信号，终端需要用至少两倍的带宽对接收信号进行采样。因此，只要终端采样频率高于fr＝2b(其中b为带宽)，终端即可恢复原始信号。

当终端降低采样率以节省能量时，它同时也减少了在互相关计算时的码元个数。基于公式(3)，降采样模式下互相关计算的结果为：

其中，τ为终端的降采样比率，xτ[i]为将已知码元序列x[i]降采样之后的码元序列。请注意，由于公式(3)成立有一个条件是公式(2)中的o(l)≈0，因此公式(4)成立也必须满足足够长以使得降采样模式下判断已知码元序列xτ[i]是否存在于接收信号中的过程与全采样模式下处理过程相同：若则接收信号中包含有已知序列；反之接收信号不包含有已知序列。

在图2所示的新的数据包包头中，所述指示域用于通知所有终端即将有一个数据包要被传输，当某终端检测到指示域，表明之后有目的地址域和传输时间域以及标准数据包要被传输。

具体地，所述指示域中携带一个全网唯一的码元序列，各终端只需要检测到此码元序列即可判断即将有数据包要传输，然后继续检测目的地址域和传输时间域中的信息以进行相应处理。

在s103中，所述终端通过包头检测机制检测所述目的地址域，判断所述目的地址是否指向所述终端。

在本发明实施例中，ap需要维护一组已知码元序列与mac地址的映射表。当某接收加入网络时，ap随机挑选一个未使用的码元序列分配给此终端并更新映射表，同时，ap还需要将代表自己mac地址的码元序列知会给此终端。

当ap发送数据包给某终端时，它需要将代表此终端mac地址的码元序列填充到包头的目的地址域中；同样，当某终端需要发送数据包给ap时，也需要将代表ap的mac地址的码元序列填充到包头的目的地址域中。各终端依据包头检测处理过程判断其是否是此数据包的目的节点，若是，则切换到全采样模式以接收数据包；若不是，则继续工作在降采样模式检测传输时间域中的信息。

在s104中，如果所述目的地址指向所述终端，所述终端切换到全采样模式，接收所述数据包。

具体地，如果所述目的地址指向所述终端，所述终端通知a/d转换器切换到全采样模式，接收所述数据包。

图3示出了包头检测机制在电路中的位置，电路包括射频前端，锁相环&基带滤波，a/d转换器，解调&mac层处理以及降采样模式下数据包包头检测。其中，降采样模式下数据包包头检测连接a/d转换器。

在s105中，如果所述目的地址不指向所述终端，所述终端将通过包头检测机制检测所述传输时间域，并在所述传输时间域指示的时间段内切换到睡眠模式。

本发明实施例通过一组已知的码元序列来携带传输时间信息。传输时间由包长lp和传输速率v决定。根据ieee802.11协议，数据包的传输时间有一个最大值：对于802.11a来说，lp≤4095bytes，v∈{6,12,24,36,48,54}mbps，因此数据包最大传输时间为对于802.11n与802.11ac来说，其定义的数据包最大传输时间为5.484ms。可以设置最大传输时间为tmax＝5.484ms，将tmax分为n组可能值，并将每组传输时间映射为一个唯一的码元序列。可以通过如下公式计算：

其中i为传输时间分组指数，代表码元序列的编号(1≤i≤n)。

当ap或某个终端准备发送数据包时，它首先计算出此数据包的传输时间td，然后计算出此传输时间的分组指数为最后它将指数i对应的已知码元序列填充到图2所示数据包头的传输时间域中。当其他某终端接收到此数据包、并依据目的地址域中码元序列所代表的目的地址判断其不是数据包的目的节点，则继续工作在降采样模式下检测传输时间域中的码元序列，获得其所对应的分组指数i，则传输时间可由公式(5)计算得到。此终端需要在时间内切换到睡眠模式以节省能量。

所述睡眠模式为：终端通信模块处于不工作状态，能耗非常小。

图4示出了本发明实施例中无线网络数据传输方法的工作方式的示意图，终端a和b默认都工作在降采样模式，当ap向a发送数据包时，在包头中增加目的地址a的信息，检测到有此数据包传输，a切换到全采样模式以接收信号，而b因检测到此数据包目的地址为a所以切换到睡眠模式以节省能量；当ap→a的数据包传输结束时，a和b均切换回降采样模式以进行新的信道侦听和数据包监听。其他时刻处理过程与此类似。

对应于本发明实施例所提供的无线网络数据传输方法，图5示出了本发明实施例提供的无线网络数据传输装置的结构框图，该装置包括：

监听单元51，用于终端在降采样模式下进行数据包监听；

由于一个终端的在无线传输上的能耗与支持电压和采样率成正比，降低电压或采样率即可大大减少此终端在载波侦听或数据包监听过程中的能耗。因此，本发明实施例中终端在降采样模式下进行数据包监听而不是在全采样模式下进行数据包监听。

所述降采样模式为：终端降低采样频率以节省能量，但数据包发送或接收不能成功进行；

所述全采样模式为：终端工作在正常状态下，可以正常发送或接收数据包。

如图2所示，所述数据包为新的数据包格式，在标准数据包格式之前，增加了包头包含三个固定长度的域：指示，目的地址和传输时间。

具体地，ap在发送标准数据包之前，首先给所述标准数据包之前增加一个如图2所示的包头。

其中，所述数据包包头设置在物理层。

第一检测单元52，用于所述终端监听到数据包，通过包头检测机制检测所述数据包包头中的指示域，所述包头由无线接入点ap在发送数据包前增加至标准数据包之前，包含指示域、目的地址域和传输时间域；

所述包头检测机制包括：通过互相关技术检测已知码元序列，恢复出所述包头中的域所携带的原始信息，所述已知码元序列由所述包头中的域所携带的信息映射得到。

具体地，本发明实施例基于互相关技术的物理层方案，使得数据包包头中的目的地址和传输时间信息能在降采样模式下、不需要接收整个数据包就能被正确检测。互相关技术可用于在低信噪比的情况下检测一个已知的码元序列。图2所示数据包包头中的三个域中所携带的信息将分别被映射到一个已知的码元序列，终端通过互相关技术检测已知码元序列并恢复出原始信息。

本发明实施例全采样模式下的码元序列检测过程如下所述：

当信号通过无线网络进行传输时，ap经过带通调制将数字信号映射为复数码元。在终端，射频接收器将收到的信号进行采样，获取对应的离散复数码元。在实际网络中，由于外部环境的影响以及硬件的差异性，接收到的实际码元相比于ap的原始码元存在幅度、频率和相位的变化。假设x[i]代表第i个发送码元，则在终端其对应的码元可以表示为y[i]＝hx[i]e^j2πδfδt+w[i]，其中h为复数，代表发送和终端之间的信道参数，e^j2πδfδt代表信号的相位移动，w[i]代表第i个码元的高斯噪声。

假设有一个已知码元序列x[i]，i＝1～l，其中l为码元个数。通过互相关技术检测此序列的方式为：在终端从接收到的第一个码元开始，截取l个码元与此序列x[i]进行互相关(cross-correlation)计算；然后顺次往后移动一个码元进行同样的步骤。我们定义在某位置的互相关计算结果为：

其中为x[i]的复共轭函数，e^-j2πδfδt为在终端进行的相位移动补偿。假设接收信号y[i]包含已知码元序列x[i]、干扰信号yint[i]、以及背景噪声w[i]，即y[i]＝h·x[i]+yint[i]+w[i]，通过补偿频率δf，公式(6)可以转换为：

其中，由于yint[i]与w[i]都与序列x[i]不相关，只要l足够长，就可使得o(l)≈0。因此c(l)可简化为：

此时c(l)为一个峰值，远远大于接收信号中没有已知序列x[i]时的互相关计算结果。实际系统中将c(l)与一个门限βcorr进行对比来进行判断：如果c(l)>βcorr，则接收信号中包含有已知序列；反之则没有。

本发明实施例降采样模式下的码元序列检测过程如下所述。

根据奈奎斯特-香农采样定理，为了在终端完全恢复被发送的信号，终端需要用至少两倍的带宽对接收信号进行采样。因此，只要终端采样频率高于fr＝2b(其中b为带宽)，终端即可恢复原始信号。

当终端降低采样率以节省能量时，它同时也减少了在互相关计算时的码元个数。基于公式(8)，降采样模式下互相关计算的结果为：

其中，τ为终端的降采样比率，xτ[i]为将已知码元序列x[i]降采样之后的码元序列。请注意，由于公式(8)成立有一个条件是公式(7)中的o(l)≈0，因此公式(9)成立也必须满足足够长以使得降采样模式下判断已知码元序列xτ[i]是否存在于接收信号中的过程与全采样模式下处理过程相同：若则接收信号中包含有已知序列；反之接收信号不包含有已知序列。

在图2所示的新的数据包包头中，所述指示域用于通知所有终端即将有一个数据包要被传输，当某终端检测到指示域，表明之后有目的地址域和传输时间域以及标准数据包要被传输。

具体地，所述指示域中携带一个全网唯一的码元序列，各终端只需要检测到此码元序列即可判断即将有数据包要传输，然后继续检测目的地址域和传输时间域中的信息以进行相应处理。

第二检测单元53，用于所述终端通过包头检测机制检测所述目的地址域，判断所述目的地址是否指向所述终端；

在本发明实施例中，ap需要维护一组已知码元序列与mac地址的映射表。当某接收加入网络时，ap随机挑选一个未使用的码元序列分配给此终端并更新映射表，同时，ap还需要将代表自己mac地址的码元序列知会给此终端。

当ap发送数据包给某终端时，它需要将代表此终端mac地址的码元序列填充到包头的目的地址域中；同样，当某终端需要发送数据包给ap时，也需要将代表ap的mac地址的码元序列填充到包头的目的地址域中。各终端依据包头检测处理过程判断其是否是此数据包的目的节点，若是，则切换到全采样模式以接收数据包；若不是，则继续工作在降采样模式检测传输时间域中的信息。

第一切换单元54，用于如果所述目的地址指向所述终端，所述终端切换到全采样模式，接收所述数据包；

具体地，如果所述目的地址指向所述终端，所述终端通知a/d转换器切换到全采样模式，接收所述数据包。

图3示出了包头检测机制在电路中的位置，电路包括射频前端，锁相环&基带滤波，a/d转换器，解调&mac层处理以及降采样模式下数据包包头检测。其中，降采样模式下数据包包头检测连接a/d转换器。

第二切换单元55，用于如果所述目的地址不指向所述终端，所述终端将通过包头检测机制检测所述传输时间域并在所述传输时间域指示的时间段内切换到睡眠模式。

本发明实施例通过一组已知的码元序列来携带传输时间信息。传输时间由包长lp和传输速率v决定。根据ieee802.11协议，数据包的传输时间有一个最大值：对于802.11a来说，lp≤4095bytes，v∈{6,12,24,36,48,54}mbps，因此数据包最大传输时间为对于802.11n与802.11ac来说，其定义的数据包最大传输时间为5.484ms。可以设置最大传输时间为tmax＝5.484ms，将tmax分为n组可能值，并将每组传输时间映射为一个唯一的码元序列。可以通过如下公式计算：

其中i为传输时间分组指数，代表码元序列的编号(1≤i≤n)。

当ap或某个终端准备发送数据包时，它首先计算出此数据包的传输时间td，然后计算出此传输时间的分组指数为最后它将指数i对应的已知码元序列填充到图2所示数据包头的传输时间域中。当其他某终端接收到此数据包、并依据目的地址域中码元序列所代表的目的地址判断其不是数据包的目的节点，则继续工作在降采样模式下检测传输时间域中的码元序列，获得其所对应的分组指数i，则传输时间可由公式(10)计算得到。此终端需要在时间内切换到睡眠模式以节省能量。

所述睡眠模式为：终端通信模块处于不工作状态，能耗非常小。

图4示出了本发明实施例中无线网络数据传输方法的工作方式的示意图，终端a和b默认都工作在降采样模式，当ap向a发送数据包时，在包头中增加目的地址a的信息，检测到有此数据包传输，a切换到全采样模式以接收信号，而b因检测到此数据包目的地址为a所以切换到睡眠模式以节省能量；当ap→a的数据包传输结束时，a和b均切换回降采样模式以进行新的信道侦听和数据包监听。其他时刻处理过程与此类似。

在本发明实施例中，由于采用新的数据包格式，使其包头能单独传输目的地址和传输时间信息，采用互相关技术包头检测机制，使得数据包的目的地址和传输时间信息能在降采样模式下、不需要接收整个数据包就能被正确检测，终端除了收发数据包工作在全采样模式，其他时间均工作在降采样模式或睡眠模式，从而降低信道侦听或数据包监听导致的终端能耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。