專利名稱：一種高速無線個域網(wǎng)中信標(biāo)幀中繼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速無線個域網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及高速無線個域網(wǎng)中數(shù)據(jù)鏈路層上 信標(biāo)幀中繼的方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)針對高速無線個域網(wǎng)指 定的無線媒體訪問控制層(MAC)和物理層規(guī)范，高速無線個域網(wǎng)協(xié)議(IEEE 802. 15.3TG3, IEEE Standardfor Information Technology-Telecommunications and Information ExchangeBetween Systems-Local and Metropolitan Area Networks-SpecificRequirements Part 15. 3, Sep 2003)，現(xiàn)有高速無線個域網(wǎng)以無線通 信設(shè)備為基本單元，無線通信設(shè)備包含無線電模塊、基帶處理模塊、固件和軟件棧模塊及應(yīng) 用軟件和程序模塊，通過無線電模塊鏈接，經(jīng)數(shù)模和模數(shù)模塊變換所有輸入/輸出數(shù)據(jù)，應(yīng) 用軟件、程序駐留在軟件模塊，軟件棧固化在固件和軟件中搭建而成；通過選取一個無線通 信設(shè)備作為協(xié)調(diào)器，提供基本的網(wǎng)絡(luò)同步、根據(jù)服務(wù)質(zhì)量要求和當(dāng)前剩余的信道時隙數(shù)量 完成接納控制、分配網(wǎng)絡(luò)資源和管理節(jié)能請求功能；協(xié)調(diào)器和高速無線個域網(wǎng)中的其余無 線通信設(shè)備在協(xié)調(diào)器信標(biāo)幀和控制幀的協(xié)調(diào)下組成微微網(wǎng)(Piconet)；微微網(wǎng)將時間劃分 成以超幀(superframe)為單位，超幀時間又依次劃分為信標(biāo)期、信道競爭訪問期和信道時 間分配期；協(xié)議規(guī)定在正常的情況下如果沒有收到信標(biāo)幀，無線通信設(shè)備(DEV)是不能使 用該超幀分配給它的信道時間分配(CTA，channel time allocation)的。同時，該協(xié)議支 持一種特別定義的稱為“準(zhǔn)靜態(tài)”信道時間分配。如果無線通信設(shè)備分配到一個“準(zhǔn)靜態(tài)” 信道時間分配，可以在信標(biāo)幀丟失一定數(shù)目的情況下，仍然使用信道時間分配。然而，由于 異步數(shù)據(jù)的傳輸需要每個超幀申請一次信道時間分配，無線通信設(shè)備使用的信道時間分配 在超幀中的大小和位置是動態(tài)變化的，所以“準(zhǔn)靜態(tài)”信道時間分配對異步數(shù)據(jù)的傳輸不適 用；同時，“準(zhǔn)靜態(tài)”信道時間分配對信標(biāo)幀丟失的支持比較復(fù)雜，對系統(tǒng)的時間同步要求較 尚o現(xiàn)有高速無線個域網(wǎng)中，微微網(wǎng)對超幀的丟失沒有做相應(yīng)的處理。在沒有時隙預(yù) 約的情況下，丟失信標(biāo)幀的無線通信設(shè)備一直處于接收信標(biāo)幀的狀態(tài)，并且在當(dāng)前超幀內(nèi) 不進行工作。這樣，在數(shù)據(jù)傳輸時期由其他無線通信設(shè)備發(fā)往該設(shè)備的數(shù)據(jù)也會被丟棄。而 保證超幀的穩(wěn)定特別是保證信標(biāo)幀的正確接收在無線有噪信道下是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種高速無線個域網(wǎng)中信標(biāo)幀中繼的方法，以提高無線通信設(shè)備的魯 棒性。本發(fā)明高速無線個域網(wǎng)中信標(biāo)幀中繼的方法，包括首先，無線通信設(shè)備在超幀 的信標(biāo)幀階段通過偵聽信道前導(dǎo)碼來判斷信標(biāo)幀是否丟失；若有信標(biāo)幀丟失，則信標(biāo)幀丟 失的無線通信設(shè)備在信道競爭訪問期廣播信標(biāo)中繼請求幀；微微網(wǎng)中的其他無線通信設(shè)備接收到信標(biāo)中繼請求幀后向發(fā)送信標(biāo)中繼請求幀的無線通信設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)幀；其特征 在于微微網(wǎng)中的所有無線通信設(shè)備在超幀信標(biāo)階段偵聽信標(biāo)前導(dǎo)碼并對接收的信標(biāo)幀 作循環(huán)冗余校驗，若在信道競爭訪問期的時間中斷到來時每個無線通信設(shè)備的基帶處理模 塊偵聽到由協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼且信標(biāo)幀的循環(huán)冗余校驗正確，則無線通信設(shè)備信 標(biāo)幀接收正確；若沒有偵聽到協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀丟失；若 偵聽到由協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼且信標(biāo)幀的循環(huán)冗余校驗錯誤，則無線通信設(shè)備信標(biāo) 幀接收錯誤，這種情況也確定為信標(biāo)幀丟失；在超幀的信道競爭訪問期，信標(biāo)幀丟失的無 線通信設(shè)備向任一正確接收到信標(biāo)幀的無線通信設(shè)備廣播一個利用IEEE 802. 15. 3中控 制塊類型為預(yù)留類型的控制幀封裝成的信標(biāo)中繼請求幀(ROB Request, Relay of Beacon Request)；接收到信標(biāo)請求幀的無線通信設(shè)備以鏈路層中的即刻應(yīng)答機制(Imm-ACK，Immi diate Acknowledgement)所規(guī)定的最小響應(yīng)時間間隔向其請求信標(biāo)幀中繼的無線通信設(shè) 備回發(fā)一個包含轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)幀和時間差校準(zhǔn)信息的利用IEEE 802. 15. 3中控制塊類型為 預(yù)留類型且不同于信標(biāo)中繼請求幀控制塊類型的控制幀封裝成的信標(biāo)中繼響應(yīng)幀(ROB Response, Relay of Beacon Response)；請求信標(biāo)幀中繼的無線通信設(shè)備通過接收到的信 標(biāo)中繼響應(yīng)幀中攜帶的信標(biāo)幀和時間差校準(zhǔn)信息，獲得信道時間分配表和時間同步信息。所述信標(biāo)中繼請求幀的控制塊可選自根據(jù)IEEE 802. 15.3中定義的預(yù)留類 型值范圍為OxOOlD-OxOOFF中的控制塊；所述信標(biāo)中繼響應(yīng)幀的控制塊可選自根據(jù) IEEE802. 15. 3中定義的預(yù)留類型值范圍為OxOOlD-OxOOFF中的、但與信標(biāo)中繼請求幀的控 制塊類型不同的控制塊。由于本發(fā)明采用了信標(biāo)幀檢測和信標(biāo)幀丟失后信標(biāo)幀中繼的方法，信標(biāo)期信標(biāo) 幀丟失的無線通信設(shè)備可以在超幀的信道競爭訪問期階段接收鄰近無線通信設(shè)備的中繼 響應(yīng)信標(biāo)幀，而已有的方法只能在信標(biāo)幀階段接收信標(biāo)幀；相比于無重傳的情況，本發(fā)明 將中繼的思想引入到高速無線個域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層上，從而可利用無線環(huán)境的空間增益， 提高系統(tǒng)的魯棒性；同時，本發(fā)明中所設(shè)計的信標(biāo)中繼請求幀和信標(biāo)中繼響應(yīng)幀這兩種控 制幀均是在IEEE 802. 15. 3預(yù)留的協(xié)議接口范圍內(nèi)，因此在使用中對系統(tǒng)的開銷要求較 小；由于高速無線個域網(wǎng)中的無線通信設(shè)備在信道競爭訪問期采取的是載波偵聽沖突避免 (Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoidance, CSMA/CA)機制，采取立即 應(yīng)答的方式可以立即發(fā)送出信標(biāo)幀的信息，使得轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)成功到達(dá)目的設(shè)備的可能性大 大提高，從而提高了無線通信設(shè)備的魯棒性。本發(fā)明進行信標(biāo)幀中繼所依據(jù)的原理是一、高速無線個域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在高速無線個域網(wǎng)中，微微網(wǎng)是無線個域網(wǎng)的基本網(wǎng)絡(luò)單元，它是一種無線自組 織網(wǎng)絡(luò)，允許多個獨立的無線通信設(shè)備在一定的范圍內(nèi)進行點對點的通信。微微網(wǎng)由無線 通信設(shè)備和協(xié)調(diào)器組成。高速無線個域網(wǎng)時間管理是基于超幀的。超幀由以下三部分組 成a)信標(biāo)(Beacon)用于設(shè)置時間的分配，傳送微微網(wǎng)管理信息；信標(biāo)階段包括信 標(biāo)幀，還有任何由協(xié)調(diào)器發(fā)送的通告控制，作為信標(biāo)幀的拓展。b)信道競爭訪問期(CAP)用于傳達(dá)控制和異步數(shù)據(jù)。c)信道時間分配期(CTAP)包括管理信道時間分配(MCTAs)和信道時間分配(CTAs) ；MCTAs用于無線通信設(shè)備和協(xié)調(diào)器之間的通信，信道時間分配用于控制、同步流以 及異步數(shù)據(jù)的連接。二、高速無線個域網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)高速無線個域網(wǎng)定義一系列幀格式用于MAC幀的傳輸。MAC幀的格式如下表1所示表1MAC幀格式 幀控制攜帶MAC幀的相關(guān)信息。包括幀類型，安全性，應(yīng)答策略，重傳，以及分片 fn息o微微網(wǎng)ID 用于標(biāo)記微微網(wǎng)，為16比特的整數(shù)。目的ID 目的設(shè)備的設(shè)備號。設(shè)備號由無線通信設(shè)備在申請加入微微網(wǎng)的過程中 由協(xié)調(diào)器分配。設(shè)備號值為OxFF時為廣播幀的類型。源ID:源設(shè)備的設(shè)備號。分片控制用于包含分片信息。流索引協(xié)調(diào)器為每一個同步流提供一個唯一的流索引。幀負(fù)載包含數(shù)據(jù)幀的凈荷。幀校驗序列用于校驗數(shù)據(jù)幀。幀頭中幀控制的格式如下表2所示表2MAC幀頭幀控制格式 幀格式用于標(biāo)記幀的類型。幀類型值如下表3所示表3幀類型映照表 應(yīng)答策略用于指定接收方對接收到的幀進行應(yīng)答的方式。應(yīng)答策略如下表4所
不表4應(yīng)答策略映照表 三、信標(biāo)幀中繼時間的校準(zhǔn)高速無線個域網(wǎng)微微網(wǎng)中的所有無線通信設(shè)備同步于協(xié)調(diào)器的時鐘，無線通信設(shè) 備在接收到超幀信標(biāo)前導(dǎo)碼(Beacon preamble)時把超幀的時鐘設(shè)置為0，并開始計時，超 幀中的所有時間都是相對于信標(biāo)前導(dǎo)碼的。如果無線通信設(shè)備沒有接收到信標(biāo)前導(dǎo)碼，則 超幀的時間為0，并一直處于接收信標(biāo)前導(dǎo)碼的狀態(tài)。本發(fā)明方法中的無線通信中繼設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)幀之前，物理層首先發(fā)送一個包含 信標(biāo)前導(dǎo)碼的物理幀，用于啟動無線通信中繼請求設(shè)備的超幀時間，同時在轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)幀 里面包含一個時鐘校準(zhǔn)偏移量，這個偏移量用于解決轉(zhuǎn)發(fā)超幀與原始超幀的時間信息不同 步的問題，保證無線通信中繼請求設(shè)備在接收轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)幀后能夠同步超幀時間。其中時 鐘校準(zhǔn)偏移量At的計算公式如下A t = T2-I\+tp①式①中的T2為無線通信中繼設(shè)備發(fā)送信標(biāo)前導(dǎo)碼的時刻值；!\為無線通信中繼設(shè)備接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)前碼的時刻；tp為前導(dǎo)碼發(fā)送或者接收的時間。四、信標(biāo)幀中繼轉(zhuǎn)發(fā)方法采用信標(biāo)中繼轉(zhuǎn)發(fā)方法的具體步驟如下1、無線通信設(shè)備在超幀中檢測信標(biāo)幀是否丟失。設(shè)超幀的時間長度為Ts，信標(biāo)期 的時間為Tb，那么，如果無線通信設(shè)備在上次接收到超幀后Ts+Tb的時間內(nèi)沒有接收到信標(biāo) 前導(dǎo)碼或者接收信標(biāo)幀后幀校驗序列(Frame Check Sequence，F(xiàn)CS)校驗出錯，則認(rèn)為無線 通信設(shè)備信標(biāo)幀丟失。2、無線通信中繼請求設(shè)備發(fā)送信標(biāo)中繼請求幀。信標(biāo)中繼請求幀采用控制幀的方 式。中繼發(fā)起設(shè)備在選擇目的ID時可以從無線通信設(shè)備信道信息表中選取一個設(shè)備號作 為目的ID。設(shè)備信道信息表是無線通信設(shè)備在正常接收信標(biāo)幀時與其他無線通信設(shè)備在進 行數(shù)據(jù)交互過程中統(tǒng)計維護的，用于記錄其鄰近無線通信設(shè)備與該無線通信設(shè)備的鏈路信 道情況。如果無線通信設(shè)備沒有維護無線通信設(shè)備信道信息表，或者表中的內(nèi)容為空，信標(biāo) 幀丟失的無線通信設(shè)備可以選擇廣播號作為目的ID。這種情況下，其他無線通信設(shè)備需要 采用CSMA/CA的方式對信標(biāo)中繼請求幀進行應(yīng)答。由于無線通信中繼請求設(shè)備在發(fā)送完信 標(biāo)中繼請求幀后需要等待接收目的設(shè)備返回信標(biāo)幀的內(nèi)容，所以信標(biāo)中繼請求幀中的應(yīng)答 策略采取立即應(yīng)答。信標(biāo)中繼請求幀的幀頭內(nèi)容如下表5所示表5信標(biāo)中繼請求幀幀頭內(nèi)容 信標(biāo)中繼請求幀的控制塊格式如下表6所示表6信標(biāo)中繼請求幀控制塊格式
控制類型區(qū)分控制幀的類型。長度為控制塊負(fù)載的長度，等于偏移與信標(biāo)長度之和。預(yù)留在信標(biāo)中繼請求幀中沒有利用到，作為預(yù)留，可以填充0。3、無線通信中繼響應(yīng)設(shè)備發(fā)送信標(biāo)中繼響應(yīng)幀。無線通信設(shè)備正確接收到信標(biāo)中 繼請求幀后，如果信標(biāo)中繼請求幀中的目的ID與本無線通信設(shè)備的設(shè)備ID —致，或者信標(biāo) 中繼請求幀中的目的ID為廣播號，則無線通信設(shè)備需要響應(yīng)信標(biāo)中繼響應(yīng)幀。響應(yīng)幀的類 型屬于控制幀的類型。信標(biāo)中繼響應(yīng)幀是作為對信標(biāo)中繼請求幀的立即應(yīng)答幀的替代，無 線通信設(shè)備發(fā)送完信標(biāo)中繼響應(yīng)幀后，默認(rèn)其已經(jīng)成功到達(dá)無線通信中繼請求設(shè)備，所以 應(yīng)答策略選擇無應(yīng)答。信標(biāo)中繼響應(yīng)幀幀頭的內(nèi)容如下表7所示表7信標(biāo)中繼響應(yīng)幀幀頭內(nèi)容 4、無線通信中繼請求設(shè)備接收信標(biāo)中繼響應(yīng)幀。信標(biāo)中繼響應(yīng)幀幀的控制塊包含 超幀時鐘的偏移量和信標(biāo)幀，超幀時鐘的偏移量可以使無線通信中繼請求設(shè)備重中繼的信 標(biāo)幀中恢復(fù)出超幀的時間；信標(biāo)幀則是初始由協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)幀。信標(biāo)中繼響應(yīng)幀的控制塊格式如下表8所示表8信標(biāo)中繼響應(yīng)幀控制塊格式
控制類型區(qū)分控制幀的類型，且不同于信標(biāo)中繼請求幀的控制類型。長度為控制塊負(fù)載的長度，等于偏移與信標(biāo)長度之和。偏移信標(biāo)幀中繼時間校準(zhǔn)信息。信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)幀。設(shè)信標(biāo)幀信道的丟包率為E。若沒有采取中繼的方法，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀的到達(dá)率為P0 = 1-E②若無線通信設(shè)備采取定點中繼的方法，即指定第二個無線通信設(shè)備為無線通信中 繼響應(yīng)設(shè)備，則設(shè)備信標(biāo)幀的到達(dá)率為= 1-E2③若無線通信設(shè)備采取競爭中繼的方法，即使用CSMA/CA的方式進行競爭。設(shè)CSMA 的二進制退避窗口長度為N，無線通信中繼響應(yīng)設(shè)備的數(shù)目為m，那么一次退避成功的概率 為
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r nYmiN-k)""' mY{N-k)m-' ,、、^ 則采取一次退避下競爭中繼的信標(biāo)幀到達(dá)率為P2 = l-(l-Pb)E-PbE2⑤由于本發(fā)明采用了信標(biāo)幀檢測和信標(biāo)幀丟失后信標(biāo)幀中繼的方法，根據(jù)原理中的 超幀協(xié)議框架和幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計，將原有協(xié)議中預(yù)留的無形擴展接口進行具體利用，為信標(biāo) 幀的中繼提供了一種有形的具體技術(shù)方案，中繼時間的校準(zhǔn)和信標(biāo)幀丟失的檢測對信標(biāo)幀 中繼的可行性進行了論證，對方法的實施提供了原理支持，轉(zhuǎn)發(fā)后丟包率的計算給出了理 論上信標(biāo)幀中繼方法可以帶來的性能增益，其中，由于0彡E彡1，所以Pi < P0, P2 < P0,即 采取信標(biāo)幀中繼方法，無線通信設(shè)備的丟包概率變小了，從而提高了無線通信設(shè)備的魯棒 性。


圖1是本發(fā)明高速無線個域網(wǎng)中的無線通信設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是IEEE 802. 15. 3超幀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是信標(biāo)中繼的消息序列圖。圖4是一個包含5個無線通信設(shè)備的微微網(wǎng)示意圖。圖5是采取定點信標(biāo)幀中繼、采取競爭信標(biāo)幀中繼與沒有采用信標(biāo)幀中繼的性能 比較曲線圖。圖6是不同退避窗口下一次退避成功的概率與無線通信設(shè)備數(shù)目的關(guān)系比較曲 線圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明技術(shù)方案的具體實施方式
。實施例1 本發(fā)明基于高速無線網(wǎng)中微微網(wǎng)的通信模型，數(shù)字信號處理器(DSP) (1)用于提 供媒體訪問控制層(MAC)中幀的生成、解析等功能，相當(dāng)于提供媒體訪問控制層控制實體 (MLME)的功能?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(2)主要用于基帶的處理，進行物理層之間的編 解碼以及時間同步等功能，相當(dāng)于提供物理層控制實體(PLME)所需的功能。圖1為本發(fā)明高速無線個域網(wǎng)中信標(biāo)幀中繼的方法的無線通信設(shè)備系統(tǒng)框圖。協(xié) 議棧的資源交換中心(1-1)對上層應(yīng)用程序模塊來的數(shù)據(jù)包進行拆幀，合幀，以及數(shù)據(jù)幀 存儲和調(diào)度的功能。外部存儲器接口模塊(EMIF) (1-2)和外部存儲器接口邏輯控制模塊 (2-1)提供DSP和FPGA之間的數(shù)據(jù)交互通道，通用輸入/輸出模塊(GPI0) (1-3)提供DSP和 FPGA之間的控制信息交互通道。發(fā)送數(shù)據(jù)時基帶模塊需要經(jīng)過串轉(zhuǎn)并模塊(2-7)，將數(shù)據(jù) 依次送給CRC模塊(2-6)，然后經(jīng)過CRC模塊(2-6)添加CRC校驗，將數(shù)據(jù)幀封裝成物理幀 后經(jīng)過信道編碼模塊(2-5)編碼后送往無線電模塊(2-4)發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)時由無線電 模塊(2-4)接收下來后，將物理幀合成數(shù)據(jù)幀，通過CRC模塊(2-6)進行CRC校驗，如果CRC 校驗正確，通過CRC結(jié)果控制線(2-10)則通知信標(biāo)幀檢測模塊(2-2)，同時將數(shù)據(jù)幀交給 并轉(zhuǎn)串模塊(2-7)，通過外部存儲器接口模塊(1-2)和外部存儲器接口邏輯控制模塊(2-1) 將數(shù)據(jù)幀交給資源交換中心(1-1)。時鐘控制模塊(2-3)用于管理無線通信設(shè)備的超幀時 間。每個超幀開始時，時鐘控制模塊(2-3)中超幀的時間清為0。但時鐘控制模塊(2-3)檢 測到信標(biāo)前導(dǎo)碼后，超幀時鐘開始計時。如果FPGA (2)在信標(biāo)幀時鐘定時器超時時信標(biāo)幀 檢測模塊(2-2)還沒有接收到信標(biāo)幀，那么時鐘控制模塊(2-3)通過信標(biāo)丟失控制線(2-8) 通知DSP。DSP生成的幀通過外部存儲器接口發(fā)送給FPGA，再由FPGA發(fā)送出去。信標(biāo)幀檢 測模塊進行信標(biāo)幀的接收，如果檢測到信標(biāo)幀到達(dá)，則信標(biāo)檢測模塊通過信標(biāo)檢測控制線 (2-9)通知DSP，并且更新時鐘控制模塊的時間信息。循環(huán)冗余校驗?zāi)KCRC(2-5)對接收 的數(shù)據(jù)進行校驗，并向DSP返回檢測的結(jié)果。圖2為高速無線個域網(wǎng)中超幀結(jié)構(gòu)的示意圖。高速無線個域網(wǎng)時間管理是基于超 幀的。超幀包含三部分信標(biāo)期、信道競爭訪問期和信道時間分配期；信標(biāo)期階段由高速無 線個域網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器向無線通信設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀，信標(biāo)幀用于設(shè)置時間的分配，傳送微微 網(wǎng)管理信息；信道競爭訪問期用于傳達(dá)控制和異步數(shù)據(jù)，信標(biāo)幀丟失的無線通信設(shè)備在信 道競爭訪問期進行信標(biāo)幀中繼過程；信道時間分配期包括管理信道時間分配(MCTA)和信 道時間分配(CTA)，管理信道時間分配用于無線通信設(shè)備和協(xié)調(diào)器之間的通信，信道時間分 配用于控制、同步流以及異步數(shù)據(jù)的連接。圖3為高速無線個域網(wǎng)中的一個微微網(wǎng)，該微微網(wǎng)包含一個協(xié)調(diào)器dO(PNC，設(shè)備 ID =0x00)和五個無線通信設(shè)備(設(shè)備ID =0x01-0x05)。協(xié)調(diào)器與無線通信設(shè)備之間信標(biāo)幀 信道存在突發(fā)噪聲的，其丟包率為Pe。假設(shè)各個信道之間是相互獨立的。微微網(wǎng)中信標(biāo)幀 的長度為h。圖4為圖3所示的高速無線個域網(wǎng)中信標(biāo)幀丟失的無線通信設(shè)備dl進行信標(biāo)幀 中繼的消息序列圖。，在有信標(biāo)幀丟失的情況下，第一個無線通信設(shè)備dl進行信標(biāo)幀中繼的方法步驟如下(1)無線通信設(shè)備dl在超幀的信標(biāo)幀階段通過偵聽信道前導(dǎo)碼來判斷信標(biāo)幀是 否丟失。微微網(wǎng)中的所有無線通信設(shè)備在超幀信標(biāo)階段偵聽信標(biāo)前導(dǎo)碼并對接收的信標(biāo)幀 作循環(huán)冗余校驗，若在信道競爭訪問期的時間中斷到來時每個無線通信設(shè)備的基帶處理模 塊偵聽到由協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼且信標(biāo)幀的循環(huán)冗余校驗正確，則無線通信設(shè)備信標(biāo) 幀接收正確；若沒有偵聽到協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀丟失；若偵 聽到由協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼且信標(biāo)幀的循環(huán)冗余校驗錯誤，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀接 收錯誤，這種情況也確定為信標(biāo)幀丟失；時鐘控制模塊的定時器在每個超幀正確接收到信 標(biāo)幀后都會被及時復(fù)位。當(dāng)一個超幀的信標(biāo)幀丟失后，時鐘控制模塊的定時器減到0，則會 觸發(fā)FPGA的狀態(tài)機進入信標(biāo)幀丟失狀態(tài)，F(xiàn)PGA通過信標(biāo)丟失控制線(2-8)觸發(fā)DSP的中 斷，DSP收到中斷后進入信標(biāo)幀中斷處理模塊。(2)若有信標(biāo)幀丟失，則信標(biāo)幀丟失的無線通信設(shè)備dl在信道競爭訪問期廣播信 標(biāo)中繼請求幀。在超幀的信道競爭訪問期，信標(biāo)幀丟失的無線通信設(shè)備向任一正確接收到 信標(biāo)幀的無線通信設(shè)備廣播一個利用IEEE 802. 15. 3中控制塊類型為OxOOlD的控制幀封 裝成的信標(biāo)中繼請求幀(ROB Request, Relay of Beacon Request)；第一個無線通信設(shè)備 dl構(gòu)造一個信標(biāo)中繼請求幀，其幀頭的內(nèi)容如下表9所示表9實施例1中信標(biāo)中繼請求幀幀頭內(nèi)容 幀類型011表示該幀為控制幀。安全0表示不使用安全性保護。應(yīng)答策略00表示使用立即應(yīng)答的方式。
重試0表示無需重傳。更多數(shù)據(jù)0表示無后繼分片。目的ID =0x02表示第一個無線通信設(shè)備dl指定第二個無線通信設(shè)備d2為無線通 信中繼響應(yīng)設(shè)備，同時要求其他無線通信設(shè)備不需要為其提供信標(biāo)幀中繼功能。Oxff表示 第一個無線通信設(shè)備dl要求微微網(wǎng)中所有收到信標(biāo)中繼請求幀的無線通信設(shè)備為其進行 信標(biāo)幀中繼，這些無線通信設(shè)備通過載波偵聽沖突避免的方式競爭中繼信道。源ID =0x01為第一個無線通信設(shè)備dl的設(shè)備ID。信標(biāo)中繼請求幀的控制塊的格式如下表10所示表10信標(biāo)中繼響應(yīng)幀控制塊格式 其中的OxOOlD為信標(biāo)中繼請求幀控制塊的控制類型。根據(jù)IEEE 802. 15. 3中的 定義，0x00lD-OxOOFF為預(yù)留類型值范圍，這里取OxOOlD作為信標(biāo)中繼請求幀的控制類型。 如果將本實施例中選用的OxOOlD的控制塊替換為OxOOlD-OxOOFF中的任何一個的控制塊， 都可以實現(xiàn)相同的功能。LB+2是控制塊凈域的長度，等于超幀時鐘偏移量的長度與超幀長度之和。(3)微微網(wǎng)中的其他無線通信設(shè)備接收到信標(biāo)中繼請求幀后向發(fā)送信標(biāo)中繼請求 幀的無線通信設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)幀。接收到信標(biāo)請求幀的無線通信設(shè)備d2以鏈路層中的即刻 應(yīng)答機制(Imm-ACK，Immidiate Acknowledgement)所規(guī)定的最小響應(yīng)時間間隔向其請求 信標(biāo)幀中繼的無線通信設(shè)備dl回發(fā)一個包含轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)幀和時間差校準(zhǔn)信息的利用IEEE 802. 15. 3中控制塊類型為OxOOlF的控制幀封裝成的信標(biāo)中繼響應(yīng)幀(ROBResponse，Relay of Beacon Response)；第二個無線通信設(shè)備d2構(gòu)造的信標(biāo)中繼響應(yīng)幀如下表11所示表11實施例1中信標(biāo)中繼響應(yīng)幀幀頭內(nèi)容 應(yīng)答策略00表示采取無應(yīng)答的應(yīng)答方式。目的ID =0x01由于信標(biāo)中繼請求幀是由第一個無線通信設(shè)備dl發(fā)送的，所以該幀 的目的設(shè)備為第一個無線通信設(shè)備dl。源ID :0x02響應(yīng)設(shè)備的設(shè)備ID。信標(biāo)中繼響應(yīng)幀的控制塊的格式如下表12所示表12信標(biāo)中繼響應(yīng)幀控制塊格式 其中的OxOOlF為信標(biāo)中繼響應(yīng)幀控制塊的控制類型。根據(jù)IEEE 802. 15. 3中的 定義，0x00lD-OxOOFF為預(yù)留類型值范圍，這里取OxOOlF作為信標(biāo)中繼響應(yīng)幀的控制類型。 如果將本實施例中信標(biāo)中繼響應(yīng)幀選用的OxOOlF的控制塊替換為0x00lD-OxOOFF中的任 何一個與前面信標(biāo)中繼請求幀中已選定的控制塊類型值不同的控制塊，都可以實現(xiàn)相同的 功能。LB+2是控制塊凈域的長度，等于超幀時鐘偏移量的長度與超幀長度之和。(4)請求信標(biāo)幀中繼的無線通信設(shè)備通過接收到的信標(biāo)中繼響應(yīng)幀中攜帶的信標(biāo) 幀和時間差校準(zhǔn)信息，獲得信道時間分配表和時間同步信息。第一個無線通信設(shè)備dl接收 信標(biāo)中繼響應(yīng)幀，并對接收到得信標(biāo)幀進行解析，同時根據(jù)偏移域的信息對超幀的時間進 行同步。對第一個無線通信設(shè)備dl，信標(biāo)幀信道的丟包率E = PE.若沒有采取中繼的方法，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀的到達(dá)率為Pprot = 1-E若無線通信設(shè)備采取定點中繼的方法，即指定第二個無線通信設(shè)備d2為無線通 信中繼響應(yīng)設(shè)備，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀的到達(dá)率為Pprot = 1-E2若無線通信設(shè)備采取競爭中繼的方法，即第二個無線通信設(shè)備d2、第三個無線通 信設(shè)備d3、第四個無線通信設(shè)備d4與第五個無線通信設(shè)備d5使用載波偵聽沖突避免的方 式進行競爭。設(shè)二進制退避窗口長度為N，無線通信中繼響應(yīng)設(shè)備的數(shù)目為m，那么一次退 避成功的概率為 則采取一次退避下競爭中繼的信標(biāo)幀到達(dá)率為 信標(biāo)幀到達(dá)率Pprat= l-o. 2344E-0. 7656E2。圖5給出了同一退避窗口下不同信道條件系統(tǒng)的性能圖。橫軸表示信道的丟包 率，區(qū)間范圍從0到1，間隔為0. 01，縱軸為信標(biāo)幀的到達(dá)率。仿真中每個信道條件下信標(biāo) 幀發(fā)送的數(shù)據(jù)為100000。信標(biāo)幀的到達(dá)率為無線通信設(shè)備最終接受的信標(biāo)幀的數(shù)目處以總 的發(fā)包數(shù)目。從圖中可以看出，采取競爭的信標(biāo)中繼的性能曲線K2和采取定點中繼的性能 曲線K3在各種丟包率的情況下包接收率要好于無信標(biāo)中繼性能曲線K1，采取定點中繼的 性能曲線K3包接收率要好于在無線通信設(shè)備數(shù)目m = 4，退避窗口 N = 8時采取競爭的信 標(biāo)中繼的性能曲線K2。圖6是不同退避窗口下一次退避成功的概率與競爭無線通信設(shè)備數(shù)目的關(guān)系比 較曲線圖。橫軸表示網(wǎng)絡(luò)中無線通信設(shè)備的數(shù)目，縱軸為信標(biāo)幀的到達(dá)率。仿真中每種退 避窗口下信標(biāo)幀發(fā)送的數(shù)據(jù)為100000。信標(biāo)幀的到達(dá)率為無線通信設(shè)備最終接受的信標(biāo)幀 的數(shù)目處以總的發(fā)包數(shù)目。其中，表示在無線信道丟幀率E = 0. 1時不采取信標(biāo)中繼的信 標(biāo)幀到達(dá)率隨無線通信設(shè)備數(shù)變化的性能曲線P1 ；曲線P2、P3、P4和P5分別表示在無線信 道丟幀率E = 0. 1，退避窗口 N = 8、N = 16、N = 32和N = 64時采取競爭信標(biāo)中繼方法的 信標(biāo)幀到達(dá)率隨無線通信設(shè)備數(shù)變化的性能曲線。采取信標(biāo)中繼的方法在各種丟包率的情 況下性能要好于沒有采取信標(biāo)的方法，采取競爭信標(biāo)中繼時，信標(biāo)幀到達(dá)率依賴于退避窗 口的大小，退避窗口越大，系統(tǒng)的性能越好。定點信標(biāo)中繼的性能要好于競爭信標(biāo)中繼的方 法，但由于要維護網(wǎng)絡(luò)無線通信設(shè)備的狀態(tài)表，其系統(tǒng)開銷要大于競爭信標(biāo)中繼。由于本發(fā)明采用了信標(biāo)幀檢測和信標(biāo)幀丟失后信標(biāo)幀中繼的方法，信標(biāo)幀丟失的 無線通信設(shè)備有機會從鄰近的無線通信設(shè)備處得到重傳的信標(biāo)幀，使得無線通信設(shè)備的丟 包概率變小了，從而提高了無線通信設(shè)備的魯棒性。
權(quán)利要求
一種高速無線個域網(wǎng)中信標(biāo)幀中繼的方法，包括首先，無線通信設(shè)備在超幀的信標(biāo)幀階段通過偵聽信道前導(dǎo)碼來判斷信標(biāo)幀是否丟失；若有信標(biāo)幀丟失，則信標(biāo)幀丟失的無線通信設(shè)備在信道競爭訪問期廣播信標(biāo)中繼請求幀；微微網(wǎng)中的其他無線通信設(shè)備接收到信標(biāo)中繼請求幀后向發(fā)送信標(biāo)中繼請求幀的無線通信設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)幀；其特征在于微微網(wǎng)中的所有無線通信設(shè)備在超幀信標(biāo)階段偵聽信標(biāo)前導(dǎo)碼并對接收的信標(biāo)幀作循環(huán)冗余校驗，若在信道競爭訪問期的時間中斷到來時每個無線通信設(shè)備的基帶處理模塊偵聽到由協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼且信標(biāo)幀的循環(huán)冗余校驗正確，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀接收正確；若沒有偵聽到協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀丟失；若偵聽到由協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)前導(dǎo)碼且信標(biāo)幀的循環(huán)冗余校驗錯誤，則無線通信設(shè)備信標(biāo)幀接收錯誤，這種情況也確定為信標(biāo)幀丟失；在超幀的信道競爭訪問期，信標(biāo)幀丟失的無線通信設(shè)備向任一正確接收到信標(biāo)幀的無線通信設(shè)備廣播一個利用IEEE 802.15.3中控制塊類型為預(yù)留類型的控制幀封裝成的信標(biāo)中繼請求幀；接收到信標(biāo)請求幀的無線通信設(shè)備以鏈路層中的即刻應(yīng)答機制所規(guī)定的最小響應(yīng)時間間隔向其請求信標(biāo)幀中繼的無線通信設(shè)備回發(fā)一個包含轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)幀和時間差校準(zhǔn)信息的利用IEEE 802.15.3中控制塊類型為預(yù)留類型且不同于信標(biāo)中繼請求幀控制塊類型的控制幀封裝成的信標(biāo)中繼響應(yīng)幀；請求信標(biāo)幀中繼的無線通信設(shè)備通過接收到的信標(biāo)中繼響應(yīng)幀中攜帶的信標(biāo)幀和時間差校準(zhǔn)信息，獲得信道時間分配表和時間同步信息。
2.如權(quán)利要求1所述高速無線個域網(wǎng)中信標(biāo)幀中繼的方法，特征在于所述信標(biāo)中繼請 求幀的控制塊選自根據(jù)IEEE 802. 15. 3中定義的預(yù)留類型值范圍為0x00lD-OxOOFF中的控 制塊；所述信標(biāo)中繼響應(yīng)幀的控制塊選自根據(jù)IEEE 802. 15. 3中定義的預(yù)留類型值范圍為 OxOOlD-OxOOFF中的、但與信標(biāo)中繼請求幀的控制塊類型不同的控制塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速無線個域網(wǎng)中信標(biāo)幀中繼的方法，特征是無線通信設(shè)備在超幀的信道競爭訪問期向其他無線通信設(shè)備提出信標(biāo)幀中繼的請求，其他無線通信設(shè)備在接收到信標(biāo)請求幀后，將信標(biāo)幀和相應(yīng)的控制信息封裝在中繼響應(yīng)幀中，回發(fā)信標(biāo)幀丟失的無線通信設(shè)備，信標(biāo)幀丟失的無線通信設(shè)備通過中繼響應(yīng)幀攜帶的信標(biāo)幀和時間偏移信息，獲得信道分配表和時間同步信息。本發(fā)明的信標(biāo)幀中繼方法利用無線環(huán)境的空間增益和已有的協(xié)議預(yù)留接口，系統(tǒng)開銷較少，提高了無線通信設(shè)備信標(biāo)幀的接收率，最終提高了系統(tǒng)的魯棒性。
文檔編號H04W84/12GK101854207SQ20101014826
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者劉偉強, 徐升, 梁龍, 王衛(wèi)東, 陳曉輝 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)