通信装置与传输参数调整方法

技术领域

本发明涉及一种应用于通信装置内的碰撞检测以及传输参数调整机制，特别涉及一种可有效检测碰撞的碰撞检测方法，以及根据检测结果有效减少碰撞发生的传输参数调整方法。

背景技术

载波侦听多路存取(Carrier Sense Multiple Access，缩写CSMA)及碰撞避免(Collision Avoidance，缩写CA)为无线传输系统中一种避免或是减少碰撞的方式。然而，CSMA及CA并不能完全避免碰撞或是干扰对于整个传输所带来的影响，尤其是在WiFi使用的2GHz/5GHz等免费通道中，由于多个不同的通信系统同时分享着有限的频宽，且彼此无法检测，因此碰撞更容易发生。

为了减少碰撞的发生，有效率的检测碰撞的情形将是非常重要的课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种应用于通信装置内的碰撞检测以及传输参数调整机制，以解决传统技术中无法准确检测传输碰撞的问题，并通过可真实反映通道环境的检测结果有效地调整后续传输的参数。

本发明的一实施例提供一种通信装置，包括无线收发装置以及处理器。无线收发装置用以传送或接收无线信号，并且包括一碰撞检测装置。碰撞检测装置用以于无线收发装置传送一封包之前的一第一时间区间检测一无线传输通道内的能量，并对应地产生一检测结果。第一时间区间涵盖无线收发装置自一接收状态转换为一传送状态的一时间区间。处理器用以根据检测结果调整至少一传输参数。

本发明的另一实施例提供一种传输参数调整方法，包括：于一通信装置传送一封包之前的一第一时间区间检测一无线传输通道内的能量，并对应地产生一检测结果；以及根据检测结果调整至少一传输参数，其中第一时间区间涵盖通信装置的一无线收发装置自一接收状态转换为一传送状态的一时间区间。

通过结合本发明所提出的碰撞检测以及传输参数调整机制，可有效率地检测碰撞，并且可进一步的根据检测结果正确地调整传输参数，使得传输效能可有效改善。

附图说明

图1是显示根据本发明的第一实施例所述的通信装置的范例方框图。

图2是显示根据本发明的第一实施例所述的碰撞检测时序图。

图3是显示根据本发明的第一实施例所述的状态转换与碰撞检测时序图。

图4是显示根据本发明的第二实施例所述的通信装置的范例方框图。

图5是显示根据本发明的第二实施例所述的碰撞检测时序图。

图6是显示根据本发明的一实施例所述的传输参数调整方法范例流程图。

符号说明

100、400：通信装置

110、410：天线

120、420：碰撞检测装置

130、430：无线收发装置

140、440：处理器

450：反馈信号消除装置

RX：接收状态

T1、T2、T3、TS_R2T、TS_T2R：时间区间

TX：传送状态

具体实施方式

图1是显示根据本发明的第一实施例所述的通信装置的范例方框图。通信装置100可包括至少一天线110、碰撞检测装置120、无线收发装置130以及处理器140。值得注意的是，图1为一简化的通信装置示意图，其中仅显示出与本发明相关的元件。本领域普通技术人员均可理解，一通信装置当可包含许多未示于图1的元件，以实施无线通信及相关的信号处理的功能。

无线收发装置130用以通过天线110传送或接收无线信号。碰撞检测装置120用以于无线收发装置130传送封包之前或是传送封包之后的时间区间内执行碰撞检测，其中碰撞检测可包括能量检测与封包特征检测。更具体的说，碰撞检测装置120可执行能量检测，用以检测无线传输通道内的能量，并对应地产生一检测结果，以及/或执行封包特征检测，用以检测无线传输通道内是否有符合一既定特征的封包被传送，并对应地产生一检测结果。处理器140用以根据检测结果调整至少一传输参数。如本文所用，“A及/或B”以及“A与B中的至少一者”是指列出的关联项目(A、B)中的一个或多个的任意组合(例如为A、B或A与B的组合)。

为了阐述本发明的操作，图1中是将碰撞检测装置120绘制于无线收发装置130外，以区分封包传输的操作以及碰撞检测的操作。然而，必须注意的是，于本发明的实施例中，碰撞检测装置120可被实作为无线收发装置130的一部分，亦可被实作为设置于无线收发装置130外的一独立装置。当碰撞检测装置120被实作为无线收发装置130的一部分时，碰撞检测装置120被设置于无线收发装置130内，并且可被实作为无线收发装置130的基频信号处理电路的一部分。

根据本发明的第一实施例，通信装置100可依循802.11通信规范所规定的CSMA或CA通信协定运行，并且运行于半双工传输模式。即，当无线收发装置130发射封包时，无法同时进行封包接收的动作。

一般而言，在CSMA或CA的通信环境中，所有的传送装置在发送封包之前，都需要进行碰撞避免的处理(CA)，也就是检测通道是否为空闲(Clear Channel Assessment，缩写CCA)，若为空闲，则等待讯框间隔(Interval Frame Space，缩写IFS)时间之后再次检测是否为空闲，若为空闲，则判断可发送封包。

当无线收发装置130内的一个通信协定层(例如，媒体存取控制(medium accesscontrol，缩写为MAC)层)通过上述流程判断可发送封包时，可产生对应的指令通知另一个通信协定层(例如，实体层)，以通知该层所对应的元件(例如，基频信号处理电路与射频信号处理电路)将其状态自接收状态切换至传送状态以传送封包。此时，若无线收发装置130被设计为半双工的无线收发电路，则于实体层进入传送状态后便无法执行CCA。

由于各通信协定层之间的信号传递以及各通信协定层的状态切换均需要时间，因此，无线收发装置130需要一段转态时间TS_R2T从完全的接收状态(RX mode)转换为完全的传送状态(TX mode)，所述完全的切换是指无线收发装置130内部与传送/接收操作相关联的各层级均切换至对应的状态，而此段转态时间为通信规范(例如，802.11通信规范)所允许的。同样的，当无线收发装置130完成封包的传送后，也需要一段转态时间TS_T2R从完全的传送(TX)状态转换为完全的接收(RX)状态。

然而，在所述的转态时间内，仍可能有未被检测到的传送行为发生于无线传输通道中，例如，网络中的另一个装置可能于非常相近的时间点决定开始传送封包，而此未被检测到的传送行为便可能导致传送端的封包传送发生碰撞。当碰撞发生时，传送端所传送的封包便有可能无法被接收端正确地收下，导致封包错误率大增，影响传送数据的品质，更有可能致使传送端误认为是因为传输速率过快导致错误发生，进而降低传输速率。然而，当传输速率降低时，传送封包所需要的时间会被拉长，导致碰撞机率更加提升，使得传输品质更为恶化。

为解决上述问题，本发明于通信装置内至少配置碰撞检测装置(例如，120/420)，用以于传送封包之前、传送封包之后或是正在传送封包的时间区间内执行碰撞检测。

图2是显示根据本发明的第一实施例所述的碰撞检测时序图。碰撞检测装置120可于无线收发装置130传送封包200之前的一段时间区间T1内以及于无线收发装置130传送封包200之后的一段时间区间T2内执行碰撞检测，其中时间区间T1涵盖无线收发装置130自接收状态转换为传送状态的一时间区间，时间区间T2涵盖无线收发装置130自传送状态转换为接收状态的一时间区间。

图3是显示根据本发明的第一实施例所述的状态转换与碰撞检测时序图。由图中可看出射频电路(可包含无线收发装置130内的射频处理电路以及天线)的状态切换与MAC层的状态切换具有时间延迟(latency)。亦即，当MAC层决定可开始传送封包并且自接收状态RX转换为传送状态TX时，射频电路并未能立刻自接收状态转换为传送状态。于本发明的实施例中，碰撞检测装置120可于传送封包之前的时间区间T1执行碰撞检测，而时间区间T1涵盖无线收发装置130自接收状态转换为传送状态的时间区间，或者以通信协定层的角度来看，涵盖MAC层自接收状态转换为传送状态与射频电路自接收状态转换为传送状态的时间延迟，例如图中所示的时间区间TS_R2T，且时间区间T1的长度可大于或等于时间区间TS_R2T的长度。

于本发明的实施例中，碰撞检测装置120于时间区间T1执行碰撞检测包含能量检测，如图3所示，能量检测的操作于时间区间T1被致能(以位准被拉高表示)。

通过于时间区间T1执行碰撞检测，可有效检测出传统技术中当无线收发装置130处于转态过程而无法检测到的碰撞。

此外，于本发明的实施例中，碰撞检测装置120可于传送封包之后的时间区间T2执行碰撞检测，时间区间T2可起始于无线收发装置130完成封包的传送的一时间，并且可涵盖无线收发装置130自传送状态转换为接收状态的时间区间，或者涵盖MAC层自传送状态TX转换为接收状态RX与射频电路实际执行封包接收的时间延迟，例如图中所示的时间区间TS_T2R，且时间区间T2的长度可大于或等于时间区间TS_T2R的长度。

根据本发明的一实施例，时间区间T2可起始于无线收发装置130完成封包的传送的一时间，并且时间区间T2的长度亦可被设计为与等待该封包的一确认回复(Acknowledge)的时间长度相关，其中等待确认回复的时间可以是一个短讯框间隔(ShortInterval Frame Space，缩写SIFS)，而时间区间T2的长度可大于或等于通信规范所定义的SIFS时间长。

于本发明的实施例中，碰撞检测装置120于时间区间T2执行的碰撞检测包含能量检测与封包特征检测，如图3所示，能量检测与封包特征检测的操作于时间区间T2被致能(以位准被拉高表示)。此外，应可理解的是，本领域普通技术人员可依实际设计需求调整时间区间T1及时间区间T2的长度，以及能量检测操作与封包特征检测操作重叠的时间。

通过于时间区间T2执行碰撞检测，可有效检测出传统技术中当无线收发装置130处于转态过程而无法检测到的碰撞，并且当无线收发装置130未能接收到确认回复时，可根据碰撞检测结果判断是否因时间区间T2发生碰撞而导致无法接收到确认回复或者因封包未能被正确传送至接收端而导致无法接收到确认回复。举例而言，时间区间T2的长度可被设定为转态所需的时间TS_T2R加上短讯框间隔(SIFS)的时间。假设碰撞检测装置120于时间区间T2的一开始便检测到碰撞发生，可推断封包于传送过程中与其他封包或能量发生碰撞。若碰撞检测装置120于时间区间T2开始后经历一段时间才检测到碰撞发生，则可推断其他封包或能量与通信装置所欲接收的确认回复发生碰撞。

图4是显示根据本发明的第二实施例所述的通信装置的范例方框图。通信装置400可包括至少一天线410、碰撞检测装置420、无线收发装置430、处理器440以及反馈信号消除装置450。值得注意的是，图4为一简化的通信装置示意图，其中仅显示出与本发明相关的元件。本领域普通技术人员均可理解，一通信装置当可包含许多未示于图4的元件，以实施无线通信及相关的信号处理的功能。

无线收发装置430用以通过天线410传送或接收无线信号。碰撞检测装置420用以于无线收发装置430传送封包之前、传送封包之后或是正在传送封包的时间区间内执行碰撞检测，其中碰撞检测可包括能量检测与封包特征检测。更具体的说，碰撞检测装置420可执行能量检测，用以检测无线传输通道内的能量，并对应地产生一检测结果，以及/或执行封包特征检测，用以检测无线传输通道内是否有符合一既定特征的封包被传送，并对应地产生一检测结果。处理器440用以根据检测结果调整至少一传输参数。

根据本发明的第二实施例，反馈信号消除装置450用以通过天线410自无线电接口接收一检测信号，并且根据检测信号与无线收发装置430的一传送信号产生一处理过的信号。在另一实施例中，反馈信号消除装置450不通过天线410直接从无线收发装置430接收检测信号。更具体的说，反馈信号消除装置450可通过自检测信号减去传送信号以产生处理过的信号，其中，检测信号的振幅于相减操作前可适度地被抑制，且反馈信号消除装置450可于模拟域或数字域执行相减操作。碰撞检测装置420可自反馈信号消除装置450接收处理过的信号，并且根据处理过的信号于无线收发装置430正在传送封包的时间区间内检测无线传输通道内的能量及/或检测无线传输通道内是否有符合一既定特征的封包被传送。

同样地，于本发明的实施例中，碰撞检测装置420与反馈信号消除装置450可被实作为无线收发装置430的一部分，例如基频信号处理电路的一部分，亦可被实作为设置于无线收发装置430外的独立装置。

图5是显示根据本发明的第二实施例所述的碰撞检测时序图。碰撞检测装置420可于无线收发装置430传送封包200之前的一段时间区间T1内、传送封包200之后的一段时间区间T2以及正在传送封包200的一段时间区间T3内执行碰撞检测，其中时间区间T1涵盖无线收发装置430自接收状态转换为传送状态的一时间区间，时间区间T2涵盖无线收发装置430自传送状态转换为接收状态的一时间区间，时间区间T3与无线收发装置430传送封包200的时间区间重叠。本领域普通技术人员当可根据图5推导出如图3所示的时序图，因此不再赘述。

于本发明的第二实施例，通过额外于时间区间T3执行碰撞检测，可有效检测出当无线收发装置430正在传送封包时所发生的碰撞。

根据本发明的一实施例，碰撞检测装置120/420可根据一能量阈值执行能量检测，其中此能量阈值可由处理器140/440动态地根据系统需求调整。此外，此能量阈值亦可根据通信规范的规定而设定。举例而言，能量阈值可设定为低于通信规范中所定义的封包最低能量，如此可进一步检测到隐藏点(hidden node)的能量。此外，根据本发明的一实施例，碰撞检测装置120/420可根据一些特定的特征描述(profile)执行封包特征检测，用以检测无线传输通道内是否有符合一既定特征的封包被传送。举例而言，正交分频多工(Orthogonalfrequency-division multiplexing，缩写OFDM)的封包具有重复的特性，碰撞检测装置120/420可通过此特性判断是否检测到的信号/能量为一OFDM的封包。通过特定的特征描述过滤及判断检测到的能量，碰撞检测装置120/420可判定检测到的能量属于噪声的能量或封包的能量。根据本发明的一实施例，若检测到的能量属于噪声，处理器140/440可不将其视为碰撞发生，或者不根据此碰撞结果调整传输参数。反之，若检测到的能量属于封包的能量，处理器140/440可根据此碰撞结果调整传输参数。

根据本发明的一实施例，当碰撞检测装置120/420于时间区间T1检测到能量，可通知无线收发装置130/430，尝试取消接下来的封包传送排程。若检测到能量的时间够早，可成功取消接下来的封包传送，以避免碰撞发生。若无法取消接下来的封包传送，则可将此检测结果记录下来，以供后续调整传输参数使用。

根据本发明的一实施例，处理器140/440可根据时间区间T1、T2以及/或T3的检测结果统计于时间区间T1、T2以及/或T3内所发生的碰撞次数，并且根据统计结果调整传输参数，其中传输参数可选自一群组，其包括一传输速率、一竞争视窗长度、一要求传送/允许传送的传送机制的启用、一重送机制的启用、一封包聚合机制的启用、一发送机会的使用、该发送机会的一时间长度、一传输功率、一传输频宽以及一传输频带。

举例而言，假设通信装置100/400于一既定时间区间内传送的1000笔封包中有700笔传送成功，300笔传送失败。于传统技术中若仅根据此数据判断，则极可能因为失败率过高(30％)而决定降低传输速率。然而，于本发明的实施例中，处理器140/440可根据检测结果统计出于既定时间区间内发生碰撞的次数为250次，则处理器140/440可根据此统计结果重新计算真正的失败率为6.7％，并根据此失败率决定如何调整传输速率(其调整幅度将小于失败率30％的情况)，或者可决定无须调整传输速率。如此一来，可避免误判需降低传输速率的情境。此外，处理器140/440亦可根据此统计结果判断是否调整封包的传输时间，以避免再次发生碰撞。

举另一例，在802.11系统中的等待时间是一个分散式协调功能(DistributedCoordination Function，缩写DCF)讯框间隔(DCF IFS，缩写DIFS)加上一段随机数产生的竞争视窗(Contention Window)。当处理器140/440根据统计结果发现碰撞机率过高，可调整竞争视窗的选取方式，例如，放大随机数选取的数值范围，以调整竞争视窗长度，进而降低碰撞的机率。

举又另一例，802.11通信规范中定义了要求传送(Request to Send，缩写RTS)-允许传送(Clear to Send，缩写CTS)与CTS2SELF两种传送机制/保护机制，但并没有指定使用的时机。处理器140/440可根据统计结果判断是否启用要求传送/允许传送等机制。例如，当碰撞率过高时，决定于后续的封包传送启用此机制。

举又另一例，由于广播封包(Broadcast或Multicast packet)无对应的确认回复(Acknowledge)，因此传送端无法得知接收端是否正确收到广播封包。因此，处理器140/440可根据统计结果判断是否启用重送机制。例如，当碰撞率过高时，决定重送广播封包。

举又另一例，处理器140/440可根据统计结果判断是否启用封包聚合(frameaggregation)机制，或者适度的调整封包聚合的个数，以达到最佳的通道使用效率。其中封包聚合是用以将多个封包合在一起变成一个封包，如此可有效率地减少资源竞争的次数借此提升通道使用效率。例如，当碰撞率过高时，决定于后续传送停用封包聚合机制或者减少封包聚合的个数。

举又另一例，802.11e(QoS)通信规范中定义了发送机会(TxOP)来作为增加通道使用效率的手段，而参数TxOP limit代表了一次发送最大长度。在TxOP期间，封包会一个接着一个发送而不需要重新竞争通道使用权，然而，一旦在TxOP期间发生碰撞，很有可能会导致连续性的封包碰撞，进而影响通道使用效率。因此，处理器140/440可根据统计结果判断是否使用发送机会，以及/或调整TxOP的时间长度。例如，当碰撞率过高时，决定于后续传送停用发送机会或者缩短TxOP的时间长度。

举又另一例，碰撞检测装置120/420可将检测到的能量强度告知处理器140/440，处理器140/440可根据此信息判断是否调整传输功率。例如，当干扰能量过高时，处理器140/440可增加传输功率，以提高后续传送封包的信噪比(SNR)，减少传送失败率。

除上述的应用外，于本发明的一实施例中，碰撞检测装置120/420可执行全频段的碰撞检测。更具体的说，碰撞检测装置120/420可利用一滤波器过滤自无线电接口接收到的信号，其中此滤波器的滤波范围可被设定为通信装置100/400执行无线通信所使用的整个频带，碰撞检测装置120/420根据滤波过的信号执行全频段的碰撞检测。

于本发明的另一实施例中，碰撞检测装置120/420可于多个子频带执行碰撞检测。更具体的说，通信装置100/400执行无线通信所使用的频带可被切分为多个子频带，碰撞检测装置120/420可利用多个滤波器过滤自无线电接口接收到的信号，其中各滤波器的滤波范围可被设定为对应的一子频带的范围，用以分别滤出各个子频带的信号。碰撞检测装置120/420根据滤波过的信号对各个子频带执行碰撞检测，并将各个子频带的检测结果提供给处理器140/440。处理器140/440可根据检测结果决定是否于后续传送中使用较小的频宽进行传输，及/或选择碰撞次数较低的子频带进行传输，以降低碰撞的机率。

图6是显示根据本发明的一实施例所述的传输参数调整方法范例流程图。

步骤610：通信装置决定传送一封包。如上述，MAC层经由上述流程判断通道为空闲后，决定传送封包。

步骤620：于传送该封包之前、传送该封包之后及/或传送该封包的过程中执行碰撞检测。

步骤630：取得碰撞检测结果。

步骤640：根据检测结果调整至少一传输参数。

通过结合本发明所提出的碰撞检测以及传输参数调整机制，可有效率地检测碰撞，并且可进一步的根据检测结果正确地调整传输参数，使得传输效能可有效改善。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。