CN1846364A - 无线局域网中的自适应功率控制机制 - Google Patents

Abstract

一种在无线局域网中由无线设备执行的功率控制方法，包括步骤：接收来自该无线局域网中的另一无线设备的信号；检测该接收信号的强度；和将信号强度检测结果作为功率控制信息嵌入到欲向该另一无线设备发送的信号中。通过该功率控制方法，无线设备根据嵌入在信号中的RSSI(接收信号强度指示)自动地计算和调整它的发射功率。

Description

无线局域网中的自适应功率控制机制

技术领域

本发明涉及一种无线局域网中的功率控制方法及装置，尤其涉及一种在采用IEEE802.11a/b协议的无线局域网中的功率控制方法及装置。

技术背景

无线局域网(WLAN)是一种数据通信系统，由于其可以通过无线电波发射和接收数据，从而减少了对有线连接的需要，同时WLAN混合了数据连接性和用户移动性的优点，且部署简单，因此，WLAN作为有线局域网的扩展或替代品可以被广泛应用在大楼或校园内。

采用IEEE802.11a/b协议的无线局域网是目前应用最多的无线局域网。这种无线局域网采用单元结构，将整个系统分成许多单元，每个单元称为一个基本服务集(BSS：Basic Service Set)，由执行相同的媒体访问控制(MAC)协议、以争用方式共享同一无线传输媒体的一组无线设备组成。每组无线设备包括：一个无线接入点(AP：Access Point)和若干个无线终端，这是基于固定设施(infrastructure)的模式。若干个无线终端也可不通过无线接入点，相互直接进行通信，这是端到端(peer-to-peer)模式。

为了防止多个无线设备同时使用相同的传输媒体发送数据而引起冲突，IEEE 802.11a/b协议提供了载波监听多路访问/冲突防止(CSMA/CA)技术。通过CSMA/CA技术，无线设备只有监测到传输媒体空闲时才使用传输媒体发送数据，这大大减少多个无线设备争用传输媒体引起的冲突。

但是在某些情况下，比如当无线设备A向无线设备B发送数据，如果无线设备C相距无线设备A较远而收不到无线设备A的信号时，无线设备C就认为传输媒体是空闲的，如果此时它也向无线设备B发送数据就会导致无线设备B不能成功接收这两个无线设备发送的数据，这就是所谓的“隐藏节点(hidden node)”问题。

为了解决“隐藏节点(hidden node)”问题，IEEE 802.11a/b协议采用了请求发送帧(RTS)和清除发送帧(CTS)机制。还是以上述的无线设备A、B、C为例，在无线设备A竞争获得传输媒体的使用权后，在向无线设备B发送数据之前，首先向无线设备B发送一个请求发送帧(RTS)以预约传输媒体用于发送预定长度的数据(通常为与媒体访问控制层服务数据单元的一个数据段相同长度的数据)，无线设备B收到请求发送帧(RTS)后向无线设备A返回一个清除发送帧(CTS)以通知其开始发送预定长度的数据，无线设备A收到清除发送帧(CTS)后开始向无线设备B发送预定长度的数据。对于无线设备C来说，虽然距离较远收不到无线设备A发送的请求发送帧(RTS)，但是它能收到无线设备B发送的清除发送帧(CTS)，因此在无线设备A向无线设备B发送数据期间，无线设备C虽然监测到传输媒体处在空闲状态，但是它知道这时无线设备A正在向无线设备B发送数据，所以它不会向无线设备B发送数据。

为了应用请求发送帧(RTS)和清除发送帧(CTS)机制，无线设备都有一个网络分配矢量(NVA)定时器，在它收到其它无线设备发送的请求发送帧(RTS)或清除发送帧(CTS)后，把网络分配矢量(NVA)定时器设置为所述其它无线设备使用传输媒体发送预定长度的数据需要的时间，在网络分配矢量(NVA)定时器时间计数到期之前，无线设备是不会使用传输媒体发送数据的。

由于采用了RTS/CTS机制，使用相同传输媒体发送数据的无线接入点和无线终端，既可以通过平等地竞争而获得发送数据的信道，又可以避免同时使用信道传送数据时发生冲突。

在由无线接入点和无线终端组成的无线局域网中，无线接入点(AP)就像是无线通信中的一个无线基站，负责将多个无线终端聚合到有线的网络上。无线终端通常是像笔记本电脑、个人手持终端等这样的可以移动的终端，通常使用电池供电。

由于无线终端使用的电池携带的电能有限，为了高效的利用有限的电能，无线终端应当能在不同工作情况下选择最合适的功率发射信号以节约电能。此外，随着用于移动办公的无线局域网的增多，无线局域网将变得越来越密集，在各个无线局域网之间的射频干扰和频率复用问题将变得越来越突出。

为了解决上述的两个问题，应当对无线设备进行功率控制，以使无线设备可以根据距离远近的不同而自动调节其发射功率。使用适当的功率发射信号，不仅可以节约电能，而且可以减少各个无线局域网之间的射频干扰和提高频率复用率。

但是，目前采用IEEE 802.11a/b协议的无线局域网没有用于无线设备的功率控制方法，因此相互通信的无线设备，无论距离远近，都使用标称的发射功率发射信号。虽然也有一些无线终端提供几个不同级别的发射功率供用户选择，但是这种选择是用户手工进行的，而不是无线终端根据需要自动和实时进行的。

综上所述，有必要给采用IEEE 802.11a/b协议的无线局域网增加一种用于无线设备的自适应功率控制方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于无线局域网中无线设备的功率控制方法及装置。在该方法及装置中，无线终端根据无线接入点发送的信号估算它的发射功率，以便无线终端可以根据与无线接入点距离远近的不同自动选择合适的功率值发送信号。

本发明的另一个目的是提供一种用于无线局域网中无线设备的功率控制方法及装置。在该方法及装置中，在无线设备发送的信号中嵌入功率控制信息，接收到该信号的无线设备可以根据嵌入的功率控制信息进行功率控制。

本发明的还有一个目的是提供一种用于无线局域网中无线设备的功率控制方法及装置。在该方法及装置中，通过利用请求发送帧(RTS)和清除发送帧(CTS)避免在使用本发明的功率控制方法时恶化无线局域网的“隐藏节点(hidden node)”问题。

按照本发明的一种在无线局域网中由无线设备执行的功率控制方法，包括步骤：接收来自该无线局域网中的另一无线设备的信号；检测该接收信号的强度；和将信号强度检测结果作为功率控制信息嵌入到欲向该另一无线设备发送的信号中。

按照本发明的一种在无线局域网中由无线终端执行的功率控制方法，包括步骤：接收来自无线局域网中无线接入点的信号；检测该接收信号中用于功率测试的信号强度；和根据该功率测试信号的强度检测结果，估算该无线终端向该无线接入点发送信号的发射功率。

附图简述

图1是本发明的信标信号(beacon signals)与功率调整点的关系示意图；

图2是为实现本发明的开环功率控制方法，无线终端射频部分的模块方框图；

图3是在本发明的闭环功率控制方法中，一个具有多个数据段的媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)的传输示意图；(上下箭头示出了功控信息的交换过程)

图4是本发明的具有功率控制域的物理层汇聚协议头的格式；

图5是本发明的一种使用请求发送帧(RTS)和清除发送帧(CTS)避免“隐藏节点(hidden node)”问题的方法示意图；

图6是本发明的一种源无线设备在数据发送失败后的通知方法示意图。

发明详述

在详细描述本发明的功率控制方法之前，首先需要说明：使用本发明功率控制方法的无线设备(无线接入点或无线终端)应当与现有采用IEEE 802.11协议的无线设备相兼容。

本发明提出的功率控制方法，根据工作原理不同分为：开环功率控制方法和闭环功率控制方法。

下面结合附图分别对这两种功率控制方法进行详细描述。

1、开环功率控制方法

本发明的开环功率控制方法是一种基于无线接入点发送的信号进行功率调整的功率控制方法。它的工作原理如下：

在一个基本服务集(BSS)中的无线接入点周期地向无线终端发送信标信号(beacon signals)；在该基本服务集(BSS)中的无线终端接收无线接入点发送的信标信号，并根据收到的信标信号计算接收信号强度指示(RSSI)；根据计算得到的接收信号强度指示(RSSI)和预定的发射功率估算准则，无线终端估算合适的发射功率；无线终端使用估算得到的合适的发射功率向无线接入点发送信号。

其中：所述预定的发射功率估算准则是指在确保所需数据传输速率的前提下，使估算得到的发射功率值最小。对于所述预定的发射功率估算准则，发射功率的估算应综合考虑接收信号强度，接收机灵敏度，所采用的传播模型等因素，同时在实际应用中还应考虑整个网络的部署和规划，具体的传播环境等，类似于蜂窝移动通信的功率控制中采用的方法。

无线终端除了可以根据信标信号估算其发射功率外，也可根据任何其它信号来估算功率。但利用信标信号是最可靠的，因为它是周期性发送的。

由于无线局域网(WLAN)采用时分双工方式，上行和下行信道可以认为是对称的，所以下行信道的测量结果可以用于上行信道。

为了使上述的开环功率控制方法能够跟踪无线局域网的信道变化，需要仔细选择信标信号的发射间隔。图1是信标信号(beaconsignals)与功率调整点的关系示意图。

为了应用本发明的开环功率控制方法，需要修改现有无线终端的射频部分的结构。图2是修改后无线终端的射频部分的模块方框图，如图所示，修改后无线终端的射频部分包括：信号接收模块10，用于接收来自无线接入点的信号；接收信号强度指示计算模块20，用于对接收机模块接收到的来自无线接入点的信号进行检测，并计算接收信号强度指示信息(RSSI)；发射功率估算模块30，用于根据接收信号强度指示计算模块20计算得到的接收信号强度指示信息(RSSI)和预定的发射功率估算准则，估算合适的发射功率；信号发送模块40，用于以发射功率估算模块30估算得到的发射功率向所述无线接入点发送信号。

2、闭环功率控制方法

本发明的闭环功率控制方法是一种基于IEEE 802.11a/b媒体访问控制层(MAC)协议的功率控制方法，它可以同时对上下行信道进行功率控制。

下面结合附图3，以一个具有多个数据段的媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)的传输为例，详细描述本发明的闭环功率控制方法(图中上下箭头表示功率控制信息的交换)。为了叙述的方便，在下面的描述中把发送数据的无线设备(无线终端或无线接入点)称为源无线设备，而把接收数据的无线设备(无线终端或无线接入点)称为目的无线设备。

如图3所示，本发明的闭环功率控制方法包括：源无线设备向目的无线设备发送媒体访问控制层服务数据单元的第一个数据段Fragment 0。在接收到源无线设备发送的数据段Fragment 0后，目的无线设备根据数据段Fragment 0计算接收信号强度指示信息(RSSI)，并把计算得到的接收信号强度指示信息(RSSI)嵌入到即将向源无线设备发送的对数据段Fragment 0进行确认的确认信号ACK0中，然后把确认信号ACK0发送给源无线设备；在接收到目的无线设备返回的确认信号ACK0后，源无线设备根据嵌在确认信号ACK0中的接收信号强度指示信息(RSSI)调整即将向目的无线设备发送数据段Fragment 1的发射功率，然后根据该确认信号ACK0，计算接收信号强度指示信息(RSSI)，并将接收信号强度指示信息(RSSI)嵌入到数据段Fragment 1中，最后使用调整后的发射功率向目的无线设备发送嵌入有接收信号强度指示信息(RSSI)的数据段Fragment 1；在接收到源无线设备发送的数据段Fragment 1后，目的无线设备根据嵌在数据段Fragment 1中的接收信号强度指示信息(RSSI)调整即将向目的无线设备发送确认信号ACK1的发射功率，然后根据数据段Fragment 1计算接收信号强度指示信息(RSSI)并把计算得到的接收信号强度指示信息(RSSI)嵌入到确认信号ACK1中，最后使用调整后的发射功率向源无线设备发送嵌入有接收信号强度指示信息(RSSI)的确认信号ACK1；以此类推，目的无线设备对随后从源无线设备中接收到的数据段按照数据段Fragment1的方式进行处理，而源无线设备对随后从目的无线设备中接收到的确认信号按照确认信号ACK0的方式进行处理，直到通信结束。

对于上述方法中的接收信号强度指示信息(RSSI：Receive SignalStrength Indicator)，图4显示了它在帧中的放置位置。如图所示，接收信号强度指示信息(RSSI)可以嵌在发送信号的物理层协议数据单元(PPDU)的物理层汇聚协议头(PLCP Header)中目前没有使用的服务域(Service)内，或者在物理层汇聚协议头(PLCP Header)中新增一个的功率控制域(如图4所示，这里的双引线表示在物理层汇聚协议头的后部增加一个功率控制域，而不是将整个物理层汇聚协议头作为功率控制域)，然后把接收信号强度指示(RSSI)嵌在它里面。

上述是本发明的闭环功率控制方法。通过本发明的闭环功率控制方法，无线设备(无线终端或无线接入点)可以自动调整它的发射功率以使用最小的功率值发送信号，实现本发明的目的。

但是在使用本发明闭环功率控制方法传输数据时，如果不采取一定的措施会恶化无线局域网固有的“隐藏节点(hidden node)”问题。因为正在使用传输媒体发送数据的无线设备，通常在使用本发明的功率控制方法时它的发射功率比不用功率控制方法时小，这样就有更多的其它无线设备不能监测到传输媒体正在被使用，因此争用传输媒体的冲突也就更容易发生。

图5显示了一种使用请求发送(RTS)帧和清除发送(CTS)帧的方法，以避免在使用闭环功率控制方法传输数据时恶化“隐藏节点(hidden node)”的问题。

如图5所示，在源无线设备竞争得到传输媒体的使用权后，在使用传输媒体向目的无线设备发送数据之前，源无线设备首先以标称的发射功率向目的无线设备发送一个请求发送帧(RTS)，以预约传输媒体用于发送一个与媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)相同长度的数据(而不是媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)的一个数据段)。接收到该请求发送帧(RTS)后，目的无线设备以标称的发射功率向源无线设备返回一个清除发送帧(CTS)以通知其开始发送所述与媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)相同长度的数据。源无线设备收到清除发送帧(CTS)后，使用图3描述的闭环功率控制方法向目的无线设备发送所述与媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)相同长度的数据。而处在同一个基本服务集(BSS)的其它无线设备在收到源无线设备发送的请求发送帧(RTS)或目的无线设备发送的清除发送帧(CTS)后，设置它们的无线网络矢量(NAV)定时器为源无线设备发送所述与媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)相同长度的数据需要的时间。这样在无线网络矢量(NAV)定时器时间计数到期之前，即源无线设备发送所述与媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)相同长度的数据的期间，处在同一个基本服务集(BSS)的其它无线设备不会使用传输媒体发送数据。

通过上述的描述可知，图5的方法确保在源无线设备使用传输媒体发送与媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)相同长度的数据的期间，只有源无线设备与目的无线设备使用传输媒体通信，而处在同一个基本服务集(BSS)的其它无线设备都不使用传输媒体，这样既避免了“隐藏节点(hidden node)”问题，又使得源无线设备与目的无线设备在通信过程中可以利用闭环功率控制方法以节省电源和减少对相邻基本服务集(BSS)的射频干扰。

在应用本发明的闭环功率控制方法传输数据的过程中，在使用请求发送(RTS)帧和清除发送(CTS)帧避免恶化无线局域网的“隐藏节点(hidden node)”问题时，需要有相应的方法在源无线设备发送数据失败后通知处在同一个基本服务集(BSS)的其它无线设备重新竞争传输媒体的使用。

图6显示了一种源无线设备发送数据失败后的通知方法。如图所示，在数据发送失败后，比如在确认定时器时间计数到期后没有接收到确认信号(ACK)或者出现别的导致数据传输失败的情况，源无线设备以标称的发射功率向处在同一个基本服务集(BSS)的其它无线设备发送一个失败通知帧(FAF：Failure Announcement Frame)以通知它们数据发送失败和要求它们把网络分配矢量(NAV)定时器设置为0。处在同一个基本服务集(BSS)的其它无线设备收到源无线设备的失败通知帧(FAF)后，设置它们的网络分配矢量(NAV)定时器为0，然后开始对传输媒体进行新一轮的竞争。为了重传传输失败的数据，该源无线设备也加入对传输媒体的竞争。

本发明的闭环功率控制方法，在无线设备中同时需要硬件和软件的支持。

用于无线设备的功率控制装置包括：一个接收装置，用于接收来自另一无线设备的信号；一个检测装置，用于检测该接收信号的强度；一个嵌入装置，用于将信号强度检测结果作为功率控制信息嵌入到即将向该另一无线设备发送的信号中；一个调整装置，用于根据嵌入在所述接收信号中的功率控制信息，调整即将向所述另一无线设备发送信号的发射功率；一个发送装置，用于向所述另一无线设备发送一个用于预约传输媒体以发送预定长度的数据的请求发送帧(RTS)，和在所述接收装置收到来自所述另一无线设备的清除发送帧(CTS)后，使用预约的传输媒体向所述另一无线设备发送预定长度的数据，此外，该发送装置，还可以在收到请求发送帧(RTS)后，以标称的发射功率，发送一个清除发送帧(CTS)，和当数据传送失败时，以标称功率向其他无线设备发送失败通知帧(FAF)；以及一个竞争装置，用于与所述其他无线设备一起竞争传输媒体以发送数据。

以上描述的是本发明的开环功率控制方法及装置和闭环功率控制方法及装置。为了取得更加良好的效果，所述的两种功率控制方法及装置可以联合起来使用。

另外，采用本发明中的功率控制机制的产品应该与现有的802.11b/a产品兼容，使其能够与现有的无功率控制机制的产品通信。在设置基本服务集/独立基本服务集(BSS/IBSS)时增加一个模式选择操作或在PLCP头中增加一个模式比特，用来选择功率控制模式或非功率控制模式就可以实现这一点。

有益效果

综上所述，通过本发明的开环功率控制方法及装置，使得无线终端可以根据无线接入点发送的信号自动的调整它的发射功率；通过本发明的闭环功率控制方法及装置，使得无线设备可以根据另一无线设备嵌入在信号中的接收信号强度指示自动地计算和调整它的发射功率；还通过利用请求发送(RTS)帧和清除发送(CTS)帧避免使用本发明的闭环功率控制方法及装置引起的“隐藏节点(hidden node)”的问题。

本领域技术人员应当理解，本发明所公开的用于无线局域网中无线设备的功率控制方法及装置，可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (19)

1、一种在无线局域网中由无线设备执行的功率控制方法，包括步骤：

(a)接收来自该无线局域网中的另一无线设备的信号；

(b)检测该接收信号的强度；和

(c)将信号强度检测结果作为功率控制信息嵌入到欲向该另一无线设备发送的信号中。

2、如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

(d)根据嵌入在所述接收信号中的功率控制信息，调整欲向所述另一无线设备发送信号的发射功率。

3、如权利要求1或2所述的方法，其中，所述功率控制信息嵌入在该发送信号的物理层协议数据单元的物理层汇聚协议头(PLCPHeader)的服务域(Service)中。

4、如权利要求1或2所述的方法，其中，所述功率控制信息嵌入在该发送信号的物理层协议数据单元的物理层汇聚协议头(PLCPHeader)中新增的一个功率控制域中。

5、如权利要求1或2所述的方法，其中在执行步骤(a)之前，还包括步骤：

以不小于标称发射功率的数值，向所述另一无线设备发送一个请求发送帧(RTS)，以预约传输媒体来发送数据；和

在收到来自所述另一无线设备的清除发送帧(CTS)后，使用预约的传输媒体向所述另一无线设备发送数据。

6、如权利要求1或2所述的方法，其中在执行步骤(a)之前，还包括步骤：

在收到来自所述另一无线设备的一个请求发送帧(RTS)后，以不小于标称发射功率的数值，向所述另一无线设备发送一个清除发送帧(CTS)，以通知所述另一无线设备开始通过所述预约的传输媒体发送数据。

7、如权利要求5所述的方法，其中所述通过预约的传输媒体发送的数据是一个与媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)有相同长度的数据。

8、如权利要求6所述的方法，其中所述通过预约的传输媒体发送的数据是一个与媒体访问控制层服务数据单元(MSDU)有相同长度的数据。

9、如权利要求1或2所述的方法，还包括步骤：

(e)如果数据传送失败，则以不小于标称发射功率的数值，向其他无线设备发送失败通知帧(FAF)；

(f)与所述其他无线设备一起竞争传输媒体以发送数据。

10、如权利要求1或2所述的方法，适用于无线终端或无线接入点之中的任意一个。

11、一种在无线局域网中由无线终端执行的功率控制方法，包括步骤：

接收来自无线局域网中无线接入点的信号；

检测该接收信号中用于功率测试的信号强度；和

根据该功率测试信号的强度检测结果，估算该无线终端向该无线接入点发送信号的发射功率。

12、如权利要求11所述的方法，其中，所述的功率测试信号是无线接入点周期性发送的信标信号(beacon signals)。

13、一种在无线局域网中使用的无线设备，包括：

一个接收装置，用于接收来自该无线局域网中的另一无线设备的信号；

一个检测装置，用于检测该接收信号的强度；和

一个嵌入装置，用于将信号强度检测结果作为功率控制信息嵌入到欲向该另一无线设备发送的信号中。

14、如权利要求13所述的无线设备，还包括：

一个调整装置，用于根据嵌入在所述接收信号中的功率控制信息，调整欲向所述另一无线设备发送信号的发射功率。

15、如权利要求13或14所述的无线设备，还包括：

一个发送装置，用于向所述另一无线设备以不小于标称发射功率的数值发送一个请求发送帧(RTS)，以预约传输媒体来发送数据；和用于在所述接收装置收到来自所述另一无线设备的清除发送帧(CTS)后，使用预约的传输媒体向所述另一无线设备发送数据。

16、如权利要求13或14所述的无线设备，还包括：

一个发送装置，用于在收到来自所述另一无线设备的一个请求发送帧(RTS)后，以不小于标称发射功率的数值，向所述另一无线设备发送一个清除发送帧(CTS)，以通知所述另一无线设备开始通过所述预约的传输媒体发送数据。

17、如权利要求13或14所述的无线设备，还包括：

一个发送装置，用于当数据传送失败时，以不小于标称发射功率的数值，向其他无线设备发送失败通知帧(FAF)；

一个竞争装置，用于与所述其他无线设备一起竞争传输媒体以发送数据。

18、一种在无线局域网中使用的无线终端，包括：

一个接收装置，用于接收来自无线局域网中无线接入点的信号；

一个检测装置，用于检测该接收信号中用于功率测试的信号强度；

一个估算装置，用于根据该功率测试信号的强度检测结果，调整该无线终端向该无线接入点发送信号的发射功率。

19、如权利要求18所述的无线终端，其中，所述的功率测试信号是无线接入点周期性发送的信标信号(beacon signals)。

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