协议栈和802.11无线LAN标准
通常用所谓的协议栈来描述数据通信系统，协议栈将操作系统所 需的任务序列分成逻辑上相关的组，通常所说的层。从概念上来说， 较高层具有较高的抽象层次；例如，用户应用在最高层，而负责通过 空气或铜线传输数据的电路在最低层。
这是802.11无线局域网(WLAN)标准的一个例子，其简化形式 如图1所示。802.11协议栈分为所谓的MAC(媒体存取控制)层和 所谓的PHY(物理)层。当传输设备在传输时，设备的MAC层从上 面层得到消息，在前面附加寻址和控制信息，并在后面附加差错校验 信息，并确定无线媒体是空闲的，并将扩展的消息传送到传输设备的 PHY层。PHY层对数据进行格式化以便传输，添加PHY特定信息(例 如前导(preamble)和传输率信息)，调制数据并将其传输到天线上。 在接收设备，对等PHY层用PHY特定信息接收传输的数据，并将 MAC层消息发送到MAC层。在此，校验接收消息是否出错，且如果 消息被寻址到所述设备，则将数据传送到较高层。
这个逻辑上组织成分开层的一个好处是，可添加或增强对单个层 特定的功能，同时保留与系统中其它层的兼容性，且能实现不同的物 理层。比如，原始802.11WLAN标准定义了在无线电或红外线链路 上操作的物理层，而802.11a是对802.11标准的增强，其提供了在无 线电链路上传输数据的更高速率(达54Mbp/s)。在MAC层，802.11e 标准草案提出对基本802.11MAC协议的若干增强，以支持更高的吞 吐量以及更好地排定数据发送。
图2a示出了与PHY层交换的802.11MAC数据帧的基本结构。 数据帧的头32个字节是MAC标题，其包含控制和寻址信息，包括帧 的总传输持续时间(这取决于长度和传输率)。然后接着是可变长度 的数据域，其包含实际消息。最后，在数据帧上计算出称为帧校验序 列(FCS)的4字节循环冗余校验和，并将其附加上。这给接收机提 供了检测传输中是否发生差错的能力。
前向纠错
802.11e草案在其发展的一个阶段，包含了在MAC层实现差错控 制编码的提议。这个差错控制编码(称为前向纠错或FEC)是一种标 准技术，以在接收端可纠正若干传输差错的方式，将已知的冗余量添 加到数据上。这在服务质量应用中非常重要，因为减少包差错的概率 就减少了需要重新传输的平均量，并因此有助于减少传输中的平均延 迟。
该提议的一个关键方面是反向兼容性：由于协议原因，重要的是 非FEC知道(aware)的站能够接收并解码MAC标题。所述提出的 解决方案是图2b所示的帧格式。首先，在标题和数据上计算帧校验 序列，并将其附加在该帧上。这称为FEC FCS，因为只有FEC知道的 站将其用于在解码之后检测差错。
在包括内部FEC FCS的帧上，用里德-所罗门编码将几个16字 节FEC块添加到该帧上。这些块的第一个出现在MAC标题之后：这 意味着，从非FEC知道的站来看，FEC信息是数据帧的一部分，并且 没被解释(interpret)。最后，好像该帧是非FEC数据帧一样处理它， 并计算外部FCS。这允许非FEC知道的站确定它们是否已正确接收该 帧(并因此可利用标题信息，因为那是它们所关心的一切)。
与802.11a PHY层的相互作用
802.11a高速率PHY层提供了操作在5GHz无线电频带内高达 54Mbps的数据率。802.11g草案PHY标准在2.4GHz无线电频带内使 用基本相同的调制格式，并因此，当试图受益于MAC层FEC时，在 此所讨论的问题适用于大多数新IEEE 802.11WLAN装置。
802.11a PHY层得到MAC层帧，并在数据上进行加扰，以便使 传输的已调序列的特性与正在传输的消息无关。图3所示为在802.11a 标准中指定的加扰器电路，且它由其输出与输入数据相异或(XOR) 的线性反馈移位寄存器组成。生成的序列由延迟单元D1-D7的初始状 态唯一定义，其被称为加扰器的种子值。对于每个传输的消息，该标 准定义这个种子值应该设置为伪随机非零状态。
在接收机，必须将同样的种子值加载到延迟单元中。这样在接受 机就能生成同样序列，并将其与输入数据流相异或，从而恢复原始数 据。为能实现这一点，将7个零位的序列附加在该消息的前面(接着 是9位，它的使用准备用于将来对该标准的补充)。整个在前面附加 的16位域称为服务域。因为已知原始数据的头7位是零，所以有可 能从传输的序列中推断出加扰器的初始状态。
显然，本设计的校正功能取决于成功接收这7位，以便能够正确 对加扰器进行初始化。如果加扰器初始化不正确，则整个后续消息会 被破坏，因为会生成错误序列。当制定原始802.11a标准时，没有提 出MAC层中的纠错，因此该差错的传播不重要：任何差错都意味着 该信息将被丢弃。然而，当试图实现MAC层纠错时，该差错传播极 大限制了可能在中到高信噪比的纠错水平。从根本上，必须丢弃帧的 概率变成由在7位加扰器初始化序列中具有一位或多位差错的概率所 决定，而不是由具有无法校正数据中的差错的概率所决定。
这些差别在图4中用图示出了：实线示出了对于给定基础 (underlying)位差错率发生在224的给定块中多于8个八位位组差错 的概率(即，FEC失效的概率)，假设位差错互不相关。虚线示出了 发生在加扰器初始化域中的一个或多个差错的概率(加扰器失效的概 率)。显然，在基础位差错率高于大约10-2.7时，FEC失败的几率(在 任一给定224个八位位组FEC块中多于8个八位位组差错)大于在7 位加扰器差错中出错的几率。然而，当基础差错率减少时，具有FEC 的理论合成包差错率应该迅速变得非常小，但由于解扰器的差错传播 问题这不会发生。
对于802.11b PHY，同样对数据进行加扰。在此情况下，采用所 谓的自同步加扰器，其有如下优点：在正确接收几个信息位之后，相 应的解扰器自动与传输加扰器同步，而无需单独传输加扰器种子。然 而，在出现传输差错时，必须再次进行这个同步，导致在加扰器输出 比在输入出现的差错更多。
在典型的应用中，MAC层前向纠错是所希望的，诸如音频和视 频数据流的分配，容许的位差错率通常很低。在来自FEC系统的理论 性能与由加扰器差错传播引起的限制之间的差别，特别对于802.11a， 意味着必须接受较高的传输功率或较低的范围，以在这些情况下保持 给定的性能水平。
负责802.11e标准草案的任务组所作的说明，主要是差错控制编 码最适合位于PHY层。其原因是，这样有可能在已执行对数据的加 扰之后再执行差错控制编码步骤，并因此在解扰和可能发生差错传播 之前校正传输差错(包括传输加扰器种子中的差错)。这种修正超出 了802.11e任务组的范围。任何这种修正都还会有附加要求，也就是 非FEC知道的设备(例如用符合标准的802.11a或802.11b PHY层) 必须能够接收至少MAC标题，并通过FCS确定正确的传输。然而， 目前没有已知的解决方案用于在PHY层的差错控制编码。
在PHY层包括差错控制编码的困难在于：确保当前(传统的) 符合标准的设备能够正确译解消息的标题部分，并确定是否正确接收 到该帧。
因此需要一种使差错控制编码能够具有降低的差错传播风险并 同时使传统设备能够对至少帧的标题进行解码的方法。

本发明的目的是提供一种在基于包的数据传输系统中(更具体地 说在基于包的无线局域网中)对帧进行差错控制编解码的方法。
根据本发明，这可由此用如下方法来实现：在传输设备的PHY 层接收来自MAC层包括标题、数据部分和帧校验序列的帧，并用间 隙扩展所述帧，并生成前向纠错数据，并写入该间隙中。然后对具有 插入纠错数据的扩展帧进行加扰，并生成外部帧校验序列，并将其附 在所述帧上，之后传输整个帧。在接收设备的PHY层接收所述帧。 校验外部帧校验序列，并响应差错来应用纠错算法，之后对所述帧进 行解扰，删除前向纠错数据，并将所述帧恢复为其初始状态。
本发明的另一目的是，提供一种对帧进行差错控制编码和解码的 方法，使符合当前标准的设备(所谓的传统设备)能够对接收帧的标 题部分进行解码，而不必能够对接收帧的数据部分进行解码。然而， 传统设备能对帧的数据部分进行解码这一点并不重要，因为所提出的 解决方案将只用于知道所述方法并通过某高层协议已协商了其应用 的两个设备之间。
为了从差错控制编码中获得最大好处，有必要在从传输设备的帧 加扰与传输之间执行差错控制编码步骤，并在接收设备的接收与解扰 之间纠正差错。然而，为了保持反向兼容性，同样有必要通过常规 802.11设备可验证整个包的正确接收，以及通过这种设备能对标题域 进行解码。
附图说明
下面参考附图更详细地描述本发明，附图中：
图1示出了802.11WLAN协议栈的例子，
图2a示出了常规802.11MAC帧格式，
图2b示出了802.11e FEC MAC帧格式，
图3示出了802.11a PHY加扰器，
图4示出了由加扰器失效和FEC失效而引起的包差错概率，
图5示出了在传输机和接收机用于常规802.11PHY层的已知过 程的流程图，
图6示出了根据本发明方法的第一个实施例的流程图，
图7示出了根据本发明方法的第一个实施例在传输设备的不同阶 段，
图8示出了根据本发明生成外部帧校验序列的方法的流程图，
图9示出了根据本发明方法的第一个实施例在接收设备的不同阶 段，
图10示出了根据本发明方法的第二个实施例的流程图。

用类似于在802.11e标准草案中提出的差错控制编码的结构，示 例出根据本发明所提出的方法，但这个结构决不是必需的；发明部分 是在加扰之后如何在PHY层可以对帧应用通用前向纠错算法，而不 影响与传统802.11设备的兼容性。图5示出了常规802.11PHY层在 帧上执行的顺序，在此为了简化，如在802.11a PHY层中在前面附加 加扰器种子或802.11b PHY层的前导序列之类的任务，都包括在数据 的通用标题格式化下面。
参考图6-10描述传输设备与接收设备之间的根据本发明方法的 两个不同实施例。第一实施例其优点是，较容易执行加扰并生成外部 FCS；而第二实施例其优点是，在11b系统中较容易执行解扰。
根据本发明方法的第一实施例的流程图如图6所示。在传输设备 在帧上该方法的不同阶段的效果如图7所示(作为示例示出了类似于 802.11e的FEC结构，但几乎可以采用任何FEC算法)。
在传输设备：
传输设备的PHY层接收并格式化来自MAC层的常规802.11帧， 该帧包括标题(其包含帧长度信息)、数据部分和FCS(或FEC FCS)。 对于802.11a的情况(或基于802.11a的其它PHY标准)，标题必须 还具有在它前面附加的16位服务域(全零)，以允许差错控制码保 护解扰器初始化值。有可能并且可以期望，还保护由PHY层添加的 其它域。
从帧的标题后开始，通过制造空间或向帧中插入间隙来扩展该 帧，以容纳任何期望的额外FEC信息。可任意分配这些用于FEC信 息的间隙；此外，有可能作为标题部分后的信息上应用FEC的一部分 执行交错(interleaving)，以进一步增强FEC性能，并有可能复制标 题部分以进一步保护。为了清楚起见，图7示出了作为基于块的校验 和的FEC数据的简单分配，类似于以前的802.11e FEC提议。
为了允许由传统设备解释，于是更新帧标题中的长度信息以对应 于帧的长度，其包含用于FEC信息的插入间隙，并还使能够包含外部 帧校验序列。随后根据定义用于传输设备的PHY层的标准加扰技术， 对由此扩展的帧进行加扰。由此对至少部分帧应用所选的加扰算法， 从而获得加扰的帧。在802.11a系统中，只对很小一部分PHY特定标 题信息进行加扰(全零服务域)。在802.11b系统中，对包含前导的 整个帧进行加扰。
然后对至少部分加扰的帧应用FEC算法，从而生成FEC数据， 该数据随后被放到之前插入的间隙中：如果还执行数据的交错，则在 该过程中这些间隙的位置可改变。
最后，生成所谓的外部帧校验序列(OFCS)。这个OFCS定义 为如果非FEC PHY接收机对该帧进行解扰则会计算它。然后对OFCS 进行加扰，并将其包含在或附加到加扰的帧中。图8示出了生成这个 OFCS的一个可能过程：应该注意，在非FEC知道的接收机正确接收 该帧时，提供与那个接收设备计算的值一致的FCS值的任何过程都是 适用的。在实际实现中，有可能将生成外部帧校验序列与加扰并生成 FEC数据的过程相结合，以提高效率。
下面描述根据本发明生成OFCS的过程的流程图，如图8所示。 通过对包含FEC数据的帧应用已知的解扰算法，来对加扰帧进行解 扰。在包含FEC数据的至少部分解扰帧上计算OFCS，并随后将其包 含在或附加到解扰帧中。最后，对包含OFCS的解扰帧进行加扰。从 而获得具有非FEC知道的设备能解释的加扰外部帧校验序列的加扰 帧。
在接收设备：
在接收设备的接收过程也在图6中示出了，图9示出该方法不同 阶段的效果。接收设备可选择地首先对接收的帧进行解扰并校验 OFCS(这会发生在非FEC知道的设备中，或在希望利用传输差错的 低概率的系统中，以对于正确接收的帧跳过该纠错步骤)，或首先立 即丢弃OFCS(这会发生在不希望执行OFCS校验阶段的FEC知道的 设备中)。
根据本发明图6和图7中方法的第一选项，是通过在解扰帧上(除 了OFCS)计算FCS并然后比较这两个值来执行的。这个步骤允许接 收设备绕过纠错机制，并减少无错包上所需的处理量，对于低差错的 环境这将是重要的节约。然后可从加扰的帧中丢弃OFCS，因为内部 FCS或FEC FCS会指示数据的解码是否成功。
如果确定OFCS不正确，或OFCS没校验就被丢弃了，则在至少 部分剩余的加扰帧上调用所选的纠错机制。这个纠错机制基于插入的 FEC数据。然后根据定义用于接收设备的PHY层的适当机制，对结 果(有希望无差错的)帧进行解扰。对于802.11b解扰器，或任何其 它自同步解扰器，有必要计算FEC数据之后的正确解扰器状态。这可 通过用在传输设备插入的间隙数据的加扰形式来替代插入的FEC数 据来实现。根据紧接在间隙之前的数据，可容易地确定出各种情况下 应用于该间隙数据的加扰序列。
对于正确的OFCS、或不正确的OFCS、或未校验的OFCS中的 任一种情况，随后都丢弃之前在传输设备插入到该帧中的间隙；并将 标题中的长度信息恢复为其初始值。在此，结果是具有包含FCS的符 合802.11的MAC帧，其可被发送到接收设备的MAC层。
图10示出了根据本发明方法在传输设备与接收设备之间的第二 实施例的流程图。
在传输设备：
类似于根据本发明的第一实施例，传输设备的PHY层从MAC层 接收包含标题、数据和FCS(FEC FCS)的常规802.11帧。对于802.11a 的情况(或基于802.11a的其它PHY标准)，该标题必须还具有在它 前面附加的16位服务域(全零)，以允许差错控制码保护解扰器初 始化值。有可能且可以期望还保护由PHY层添加的其它域。
为了使通过插入前向纠错数据和外部帧校验序列(OFCS)能够 在将来扩展该帧，更新接收帧标题的长度域。然后，根据为传输设备 的PHY层所选的标准加扰算法，对具有更新标题的帧进行加扰。
对加扰的帧应用预定的FEC算法，从而生成FEC数据。将这个 数据插入到加扰帧的数据部分和FEC FCS中。随后，以与根据本发明 方法的第一实施例类似的方式，生成OFCS并将其包含在加扰帧中， 如图5所示。生成OFCS的过程与根据本发明的第一实施例相同，如 图8所示。
最后，传输加扰的帧。
在接收设备：
根据本发明方法的第二实施例的接收过程也在图10示出了。接 收设备可以类似于根据本发明方法的第一实施例的方式可选择地首 先对接收的帧进行解扰并校验OFCS(这会发生在非FEC知道的设备 中)，或首先立即丢弃OFCS。
以与根据本发明方法的第一实施例类似的方式，执行对接收的 帧进行解扰并校验OFCS的第一种情况。如果确定OFCS是正确的， 则丢弃OFCS，并删除插入的FEC数据，并对该帧进行解扰。
如果确定OFCS不正确，或OFCS根本没校验就被丢弃了，则在 剩余的加扰帧上调用所选的纠错机制。从而删除插入的FEC数据，并 根据为接收设备的PHY层定义的适当机制对(有希望无差错的)帧 进行解扰。
对于校验的正确OFCS、或校验的不正确OFCS、或未校验的OFCS 中的任一种情况，最后都将标题中的长度信息恢复为其初始值，并重 新格式化该帧，并将其传送到接收设备的MAC层。
任一非FEC有能力(capable)设备的接收过程
对无意中接收到传输帧的非FEC有能力的接收设备，根据上述根 据本发明方法的任一实施例，扩展的MAC帧看来是具有正确标题、 数据部分和有效帧校验序列的有效802.11MAC帧。由于接收设备不 同于预定的接收者，它不会解释该数据段，附加的FEC过程是看不见 的。
根据本发明的方法，还可执行在设置为知道FEC帧结构但选择不 实现纠错算法的设备上：这种设备可对这种帧中的数据进行解码，但 不能利用相对于差错改进的鲁棒性(并且实际上差错率会稍高，因为 扩展的帧较长)。例如，这在希望接收具有应用的差错控制编码的数 据广播的低成本设备中是有用的。
根据本发明的方法提供了这样一种机制：将前向纠错结合到 802.11a/g和802.11b PHY层中，同时在协议层保持与不实现该技术的 设备的反向兼容性(即，所有站都能对帧的协议特定部分进行解码， 但只有FEC有能力的设备才能对帧的数据部分进行解码)。这个技术 可用在专有解决方案中，或可形成对IEEE 802.11标准的新扩展的基 础。
根据本发明的方法通常适用于任何基于包的数据传输系统，无线 或有线，在该系统中希望增加PHY层差错控制，同时保持关于对传 输包的协议特定(即非数据)部分进行解码的反向兼容性。