CN102017717A - 用于多信道无线网络的mac协议 - Google Patents

Abstract

通过调度每个“家庭”信道上的设备来定期访问其它“外来”信道以传播和侦听这些信道上的广播信息，来提供在不同信道上操作的无线网络的分布式协调。在家庭信道上传输的广播分组中的信息由作为代表家庭信道中的其它设备而操作的“代理设备”的被调度的设备中继到外来信道上的设备。在一个优选实施例中，此代理过程的各个方面被优化以减少开销和延迟。每个信道被配置为相对于外来设备辨别家庭设备，以避免家庭设备和外来设备之间的竞争。外来信道上所获得的信标时隙被保留以便于返回代理设备。在家庭信道中，锚定设备提醒其它设备代理设备临时不存在，并且保存家庭信道上代理设备的信标时隙。

Description

用于多信道无线网络的MAC协议

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年4月25日提交的美国临时申请第61/047905号的权益。

技术领域

本发明涉及通信领域，并且特别涉及一种用于整合在不同的信道上操作的无线网络的方法和***。

背景技术

由于提高频谱使用效率、提高性能以及降低成本/复杂度的前景，能够动态地管理多个频道的多信道媒体访问控制(MC-MAC)协议受到了不断增长的关注。特别值得注意的是，可以期望使用捷变/认知无线电的机会频谱(opportunistic spectrum)使用在许多环境中很大程度地增加多信道可用性。

与对于更好的频谱再用和增加的数据速率的要求相结合，能够使用在每个设备中典型地可用的单个收发机来以高度动态的方式利用多个频道的MAC协议的开发得到了增长。多信道MAC协议可以通过将公共网络划分为多个单信道网络，来提供在减少冲突并且允许更多的同时传输以及因而更高效的频谱利用方面的性能优势。以此方式，公共网络中的设备能够在不同的信道中并行通信，而不相互干扰。特别有优势的是，所述划分可以被设计为支持具有服务质量(QoS)要求的业务。

用于无线通信的IEEE 802.11MAC(媒体访问控制)标准已经被设计用于在单个频道中操作多个设备。802.11a和802.11b物理层支持在多个频率之间动态切换，但802.11MAC实施不动态地使用多个频道来在公共逻辑网络内实现增加的带宽和频谱利用。公共多信道网络可以例如是具有用于处理不同的任务(音频-视频传送、数据传送、命令和控制等等)的不同信道的家庭网络。以类似的方式，公司网络可以包括用于不同部门的不同信道。

无线多信道通信中的一个重要的设计考虑是如何允许不同信道上的设备协调和共享诸如邻近节点列表、信道预留状态、同步时钟等等之类的有关网络的信息，同时仍提供跨信道的有效并且高效的通信和频谱利用。各种形式的频率跳变技术已经被提出，以便提高公共网络内的频谱利用，但是，取决于实施例，频率跳变经常导致诸如广播和多播的支持、设备发现延迟等等之类的协议设计问题。特别值得注意的是，大多数频率跳变技术不适应上述机会频谱使用，其中信道可用性随时间改变。

在许多无线网络中，通常在被称为信标分组(或者简称信标)的特殊分组上承载网络控制信息。信标典型地由网络设备周期性地广播。这些信标分组包含的信息的一些示例为：网络标识符、每信道的邻近节点列表、同步定时器、节点的容量、信道预留状态等等。

通过传输或者侦听这些广播信标分组，网络设备可以执行诸如使定时器同步、学习和传播信道预留状态等等之类的与网络管理有关的若干操作。在单信道无线网络中，信标分组的传输机制相对简单：信标由网络设备使用TDMA(时分多址或者时隙预留)或者CSMA(基于竞争的多路访问)来在排定的时刻周期性地传输。由于信标分组是广播分组，因此单信道无线网络中的网络设备可以通过随时间的推移侦听信道介质而容易地获得所有的网络管理信息。

然而，在其中网络设备可以被调谐到不同信道的多信道无线网络中，将信标分组广播到多信道网络上的所有信道变为有挑战性的问题，因为在一个信道上传输的信标分组将不被其它信道上的设备听到。

用于在多信道网络上的设备之间共享信息的最常见的技术是使用“交会(rendezvous)信道”，其中来自每个信道的设备在预定的时刻聚集以交换数据。然而，使用专用的公共交会信道具有很多的限制。

除了维持单独的交会信道所需要的开销和资源之外，这样的公共网络的范围是有限的。也就是说，来自所有信道的所有交会的设备必须在彼此的通信范围内。

使用交会信道来参与形成公共逻辑网络也可能是次优的。如果在各个信道配对之间共享的信息的量是明显不平衡的，则参与交会信道所需要的开销对于具有相对大量的共享通信的信道中的设备可能不成比例地高。

另外，在诸如上面提到的捷变/认知无线电环境之类的共享频谱环境中，其中网络在无干扰的基础上建立在“当前未使用的”频带上，并且一检测到较高优先级的用户就必须离开频带，除非交会信道被持续操作，否则难以实现用于检测交会信道必须被重新定位并且通知网络中各个信道上的所有设备交会信道已经被重新定位的高效的技术。

发明内容

有利的是允许单信道设备在各种频道上操作以高效使用可用的频谱并且提高网络的整体带宽。也将有利的是能够整合在不同的频道上操作的现有无线网络以形成由这些多个物理网络组成的逻辑网络。

这些及其它优点可以通过在不同的信道上操作的无线网络的分布式协调来实现。不同信道上的设备被配置为传播并且侦听广播信息。在不同信道上的设备之间引入多跳通信，其中多跳通信是由信道空间中，而不是地理空间中的设备之间的分离而引发的。在一个信道上传输的广播分组中的信息通过被临时调度(dispatch)到其它信道以充当代表相同信道中的其它设备而操作的“代理设备”的设备而被中继到其它信道上的设备。在一个优选实施例中，此代理过程的各个方面被优化以减少开销和延迟。

为了便利其它信道中的代理设备的高效操作，每个信道中的设备被配置为辨别代理设备并且为这些代理设备提供专用的资源。在一个优选实施例中，一个或者多个信标时隙被分配以供外来代理设备使用。以此方式，可以避免典型地与针对信标时隙与外来子网络中的设备竞争关联的延迟。

为了最小化与外来信道上的设备同步所需要的时间，每个代理设备被配置为使与外来信道关联的状态信息(包括外来信道的当前时序参数)安全，并且被配置为当其返回家庭信道时将此状态信息传送到家庭信道上的其它设备。以此方式，来自家庭信道的随后被调度的代理设备将避免典型地与发现外来信道的时序参数关联的延迟。如果为每个标识的外来信道分配信标时隙，则代理设备还被配置为将时隙标识传送给家庭信道上的设备，由此避免典型地与获得信标时隙的分配关联的延迟。

当所选择的设备不存在于其家庭信道时，家庭信道上的锚定(anchor)设备被配置为：通过通知发送方被调度的代理设备临时不存在，或者通过作为用于临时保留业务直到被调度的代理设备返回为止的存储转发设备而操作，来处理针对被调度的代理设备的业务。以此方式，避免了通常与在给定信道中重新登记返回设备并且重新建立到该设备的路由选择关联的延迟。

这些特征允许多个频道的鲁棒的和分布式的协调，支持经由多个信道的广播/多播，并且使得能够实施多个其它方案。最后，由于所提出的方法是完全分布式的，因此网络可以应付可能例如由于更高优先级的用户的出现而导致的若干时段的信道不可用。

此多信道信标周期结构与这些外来信标时隙一起提供了对于属于不同信道的设备的分布式多信道协调的完全支持，而不依赖公共交会信道。另外，通过在每个信标分组中包含的信息，设备可以快速地学习邻近的信息，跨多个信道的同步得到支持，设备发现被简化，并且频谱利用被最大化。

附图说明

参照附图，更详细地并且通过示例来解释本发明，附图中：

图1图示了根据本发明的各方面的多信道网络的示例时序图；

图2图示了根据本发明的各方面的多信道网络的分布式协调的示例流程图；

图3图示了根据本发明的多信道网络的示例框图；

在所有附图中，相同的参考标号指相同的元件或者执行基本上相同的功能的元件。为了例示的目的而包括附图，这些附图不意在限制本发明的范围。

具体实施方式

在下面的描述中，为了说明而非限制的目的，阐述了诸如特定架构、接口、技术等之类的特定细节，以便提供对于本发明的彻底的理解。然而，对于本领域普通技术人员来说将显而易见的是，本发明可以在背离这些特定细节的其它实施例中实行。为了简单和清楚的目的，省略了对公知设备、电路和方法的详细描述，以便不以不必要的细节混淆本发明的描述。

尽管这里呈现的原理特别好地适用于在各种信道上操作单个网络，但是本发明不限于单个网络。例如，每个信道可以由不同的网络使用，并且这里呈现的技术可以被用于便利在这些不同的网络之间的通信。为了易于参考，除了上下文需要时，不在多信道网络和多个单信道或者多信道网络之间进行区分，因为本发明的总的原理适用于它们中的每一个。

图1图示了用于多个信道X、Y、Z的面向信标的协议的示例时序图。在每个信道上的通信的每个超帧110的信标周期120期间，信道上的设备在所获得的信标时隙121、122上传输信标信号。在设备通过在第一信标时隙121中广播信标信号而在信道上开始通信之后，通常使用基于半竞争的访问来获得信标时隙122。新的设备监视信标周期120以标识“最后”使用的信标时隙，并且在下一超帧，在最后使用的时隙之后的下一时隙中传输其信标信号。如果多个新的设备在相同的下一时隙期间传输，则导致冲突，并且竞争的设备“放弃”以及尝试以离时隙时间的开始的不同延迟进行传送。只要设备在时隙周期内发送信标信号，设备就保留其时隙位置。提供程序以当在多个超帧上在较低位置的时隙中检测到间隔时使设备在时隙位置中下移，表明设备已经放弃了其所获得的时隙。

信标信号被用于宣告与设备有关的信息，包括其当前状态。第一信标时隙121中的信标信号还可以包括诸如所获得的时隙的数目等等之类的关于信道的状态的信息。如果设备具有要发送的消息，则信标信号还将包括所预期的目的地的标识，用于通知目的地设备在数据周期期间监视传输以接收所传输的消息。在数据周期期间未被排定来发送或者接收消息的设备可以进入“休眠”模式以保存电力，直到下一信标周期为止。

如这里所使用的，术语“家庭设备”被用于指在给定的信道上常规地操作的设备，术语“家庭信道”被用于指给定的设备在其上常规地操作的信道。以类似的方式，术语“外来设备”被用于指在给定的信道上不常规地操作的设备，术语“外来信道”被用于指给定的设备不在其上常规地操作的信道。术语“消息”一般指被特意地从来源传送到目的地的一组数据，而“数据”是可以包括消息、信标信息、状态信息等等的更一般的术语。

根据本发明的一个方面，为了整合信道X、Y、Z，家庭设备被临时调度来充当每个外来信道上的家庭信道的代理。不同的家庭设备可以在不同的时刻被调度，以避免使单个设备承受用于提供此代理服务的全部负担。

作为代理，被调度的设备被配置为：使用接收和存储来自一个信道的数据，然后当所述被调度的设备到达其它信道时将所存储的数据传输到所述其它信道的存储转发技术，来将数据从其家庭信道传送到外来信道或者将数据从外来信道传送到其家庭信道。

可选地，由于每个信道调度代理到每个其它信道，这提供了双边的(bilateral)布置，因此代理设备可以被配置为仅处理诸如从外来信道到其家庭信道的数据之类的一个方向的业务流。在此布置中，具有要发送到外来信道的消息的家庭设备仅仅等待，直到来自该信道的代理到达家庭信道为止。

类似地，如果代理被配置为仅处理从家庭信道到外来信道的业务，则一旦使外来信道察觉家庭信道，家庭设备就不需要被调度到该外来信道，直到以及除非存在需要被传输到外来信道的数据，或者如所需要的使外来设备察觉家庭设备。该方法也使得决定要调度哪个家庭设备作为代理的过程直截了当：具有要发送到外来信道的消息的任意设备被调度作为对于该信道的下一个代理，并且保持代理对于外来信道周期性刷新，直到另一设备具有要发送到外来信道的消息为止。

在很大尺寸的网络中，与在外来信道上登记并且向家庭信道重新登记关联的开销可能致使此代理技术不切实际或者最好也是效率非常低的，特别是在使每个代理访问的调度持续时间短暂的情况下。因此，在一个优选实施例中使用多个技术来最小化此开销。

根据本发明的一个方面，每个信道X、Y、Z被配置为在家庭设备和外来设备之间进行辨别，并且在这样做时能够减少外来代理设备面对每个访问的竞争的量。在一个优选实施例中，将被提供给家庭设备的信标时隙与被提供给代理设备的信标时隙隔离。通常，外来信道的数目远小于家庭设备的数目，因此利用此隔离，外来信道之间的竞争将少得多。

另外，由于可以期望外来信道的数目相当稳定，因而在一个优选实施例中，将信标时隙分配给外来信道与在家庭设备之间进行分配相比明显更持久。也就是说，当间隔在外来信标时隙中出现时，在代理设备返回其家庭信道时，所述代理设备不被排除，除非不存在达到延长的周期。以此方式，到达的代理设备可以通过在其之前所获得的时隙中设置信标而立即宣告其存在，而不重新登记到该信道上，并且不遇到竞争。

以类似的方式，当家庭设备离开家庭信道以成为外来信道上的代理设备时，保存其信标时隙达延长的周期，由此避免由于在家庭信道上的重新登记而导致的返回时的延迟以及由于竞争导致的延迟。优选地，每无论何时家庭设备充当代理设备，上面提及的用于填充信标周期中的间隔的程序就被暂停，使得在所述家庭设备不存在时保持所述家庭设备的时隙位置。

在一个优选实施例中，通过使家庭设备竞争排序较低的时隙位置124并且使外来设备竞争排序较高的时隙位置126(由图1中更深的阴影所图示)，而保持家庭设备与外来代理设备之间的隔离。取决于特定环境，可以设置最大数目的外来时隙位置；否则，可以在家庭设备与外来设备两者之间基于先来先服务而获得时隙，直到没有空的时隙剩余为止。

根据本发明的另一方面，当家庭设备被用作对于外来信道的代理设备时，另一家庭设备充当“锚定”设备以在代理设备不存在时代表所述代理设备。在一个实施例中，锚定设备在代理设备的所获得的信标时隙中周期性地发送信标信号，以确保不将该时隙确定为已经被放弃。信标信号优选地包括“临时不可用”的状态指示符。通过在家庭信道上的代理设备的信标时隙上维持此信标设置，现有的路由选择表条目以及其它配置参数不受代理设备的临时不存在的影响，由此避免与更新这样的配置数据关联的开销。

可替代地，由于期望所有设备监视每个信标信号，因而可以在锚定设备的信标信号中宣告代理设备的临时不存在。

在另一实施例中，代替宣告代理设备临时不可用的是，锚定设备可以被配置为接收寻址到代理设备的消息，并且存储所述消息，直到代理设备返回为止。在一个优选实施例中，锚定设备充当路由器并且不代表代理设备确认接收，由此避免在代理设备不返回的情况下或者另外在当代理设备返回时锚定设备不能将消息转发给代理设备的情况下的数据完整性问题。

图2图示了用于提供用于家庭信道的代理服务的示例流程图。设备A是要将代理服务提供给外来信道Y的家庭信道X中的家庭设备，设备B是要提供锚定服务的家庭设备。在210、211中，设备A和B两者一开始在家庭信道X上操作。

在215中，设备A获得期望传递给外来信道的来自家庭信道的任何信息，并且在220中通知设备B其需要锚定。优选地，在221中设备B确认其作为锚定的角色，在225中设备A在接收到此确认时改变到信道Y，并且在228中设备B开始其在家庭信道上代表设备A的角色。

在230中，设备A使用外来信标时隙(126)之一来加入外来信道。如果这是来自家庭信道的设备第一次加入外来信道，则其获得下一可用的外来信标时隙。在图1的示例中，这将是最后获得的外来信标时隙的前一时隙。在一个优选实施例中，由于不期望代理设备在外来信道上持续操作，因此如果外来信道被配置为保存所获得的代理时隙，则外来设备之一典型地在第一信标周期中宣告最后获得的外来信标时隙。

如果这是对于外来信道的返回访问，并且外来信道被配置为保存所获得的代理时隙，则代理设备仅仅通过在设备A的家庭信道的之前所获得的代理时隙中设置信标来宣告其存在。如后面进一步讨论的，当代理设备返回家庭信道时，其广播例如包括所获得的代理时隙的标识的与外来信道有关的状态信息。

在235中，设备A开始在外来信道Y上的操作。在240和245中，设备A分别发送家庭信道数据和接收外来信道数据(如果有的话)。尽管图示为用于此数据传送的单个顺序步骤，本领域技术人员将认识到，在需要时此传送将通常作为一系列双向传送而发生。除了来自外来信道的明确的消息传送之外，代理设备还收集包括时序信息、时隙分配等等的关于外来信道的状态信息。

在数据传送完成之后，在250中设备A将其信道改变回信道X，并且在260中重新加入家庭信道。由于在设备A不存在期间设备B已经在家庭信道上代表设备A，因此设备A能够以最小的延迟重新加入信道。设备A将遇到的唯一的竞争是设备B代表设备A发送信标信号。优选地，设备B不在设备A的时隙中持续发送信标信号，因此此竞争将是最小的。

在重新加入家庭信道时，在270中设备A传送包括上面提及的状态信息的其从外来信道获得的数据，并且在280中继续在家庭信道上的常规操作。如上面所注意到的，状态信息包括时序信息和诸如所获得的代理时隙编号之类的代理时隙信息(如果对应的外来信道保存代理时隙分配的话)。基于外来信道状态信息，家庭设备例如可以同步其时钟、传播信道监视信息，并且了解可通过外来信道达到的设备。

家庭信道上的设备可以使用来自外来信道的时序信息以调整家庭信道上的超帧时序，从而减少代理设备所经受的周期时间。例如，在图1中，由于信道时序被较好地分布，因此代理设备可以在小于一个完整的超帧持续时间中从一个信道切换到另一个信道。如果信标周期是重叠的，则等待其它信道信标周期可能花费整个超帧持续时间或者更多。另外，利用每个不重叠的信标周期之间的一些间隔，可以使得代理设备能够监视所有外来信道的状态，同时还维持其自身的信标信号发送。

当设备B检测到设备A的存在时，其在261中终止其锚定角色，并且在271中代表设备A传送其可能已经接收到的任何数据。

图3图示了多信道(X，Y，Z)网络的示例框图。设备A 310和设备B320被配置为例如使用被调谐到信道X的收发机312来在家庭信道330上常规地操作。

设备A 310中的控制器314被配置为通过将收发机312分别调谐到信道Y和Z而允许设备A作为对于外来信道340、350的代理而操作。作为代理，设备A 310执行上述功能中的一些或者全部。如上所述，在设备A 310充当代理时，设备B 320被配置为锚定设备以在家庭信道X330中代表设备A 310。当设备A 310完成数据收集或者在所选择的信道(Y和/或Z)上分发代理任务时，控制器314将收发机312重新调谐到信道X，并且设备A 310重新加入家庭信道X 330。在设备A返回时，设备B 320终止其锚定功能，并且如上所述地通知设备A 310代表设备A收集的任何数据。

上文仅仅例示了本发明的原理。因此，将认识到：本领域技术人员将能够设计尽管未在这里明确描述或者示出、但是包含本发明的原理并且因而在下面的权利要求的精神和范围内的各种布置。

在解释这些权利要求时，应当理解：

a)词语“包括”不排除在给定权利要求中所列之外存在其它的元件或动作；

b)元件前面的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件；

c)权利要求中的任何附图标记不对其范围进行限制；

d)若干“装置”可以由相同项或者硬件或软件实现的结构或功能表示；

e)每个所公开的元件可以包括硬件部分(例如包含分立和集成的电子电路)、软件部分(例如计算机编程)以及其任意组合；

f)硬件部分可以包括模拟和数字部分中的一个或两者；

g)除非另外特别说明，所公开的任何设备或其部分可以组合在一起或者分离为进一步的部分；

h)除非特别表明，不意在需要动作的特定的顺序；以及

i)术语“多个”元件包括两个或者更多请求保护的元件，并且不暗示元件数目的任何特定范围；也就是说，多个元件可以少至两个元件。

Claims (15)

1.一种用于经由在不同的信道上操作的无线网络进行传送的方法，所述方法包括：

在家庭信道上的第一组多个设备之间传送消息；

在外来信道上的第二组多个设备之间传送消息；以及

将与所述家庭信道关联的状态信息通过被调度到所述外来信道的所述第一组多个设备的代理设备传输到所述外来信道。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：当所述代理设备返回到所述家庭信道时，将与所述外来信道关联的状态信息通过所述代理设备传输到所述家庭信道。

3.如权利要求2所述的方法，其中与所述外来信道关联的状态信息包括与所述外来信道关联的时序信息。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：将消息从所述第一组多个设备中的一个或者多个设备通过所述代理设备传送到所述第二组多个设备中的一个或者多个设备。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：将消息从所述第二组多个设备中的一个或者多个设备通过所述代理设备传送到所述第一组多个设备中的一个或者多个设备。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述状态信息是在超帧的信标周期期间由所述代理设备通过信标信号传送的。

7.如权利要求6所述的方法，其中对于要在超帧的数据周期中由所述代理设备传输的消息，所述状态信息标识所述外来信道中的目的地设备。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述信标信号将所述代理设备辨别为来自外来信道。

9.如权利要求6所述的方法，还包括：保留代理信标时隙以供所述代理设备使用并且供来自所述家庭信道的其它代理设备使用。

10.如权利要求6所述的方法，还包括：保留代理信标周期以供所述代理设备使用并且供来自其它信道的其它代理设备使用。

11.如权利要求1所述的方法，还包括：通过所述家庭信道的锚定设备通知所述家庭信道上的设备来自所述家庭信道的代理设备临时不存在。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述状态信息包括所述家庭信道上的第一组多个设备中的每个设备的标识。

13.一种用于经由在不同的信道上操作的无线网络进行传送的设备，包括：

收发机，用于在多个可选择的信道上操作；以及

控制器，用于控制所述收发机，其中所述控制器被配置为：在家庭信道上操作所述收发机以确定所述家庭信道的状态，并且在外来信道上操作所述收发机以将所述家庭信道的状态传送到所述外来信道的设备。

14.如权利要求13所述的设备，其中所述收发机被配置为在超帧的信标周期期间将所述家庭信道的状态通过信标信号传送到所述外来信道的设备，并且被配置为在所述超帧的数据周期期间将消息从所述家庭信道的设备传送到所述外来信道的设备。

15.一种计算机程序，其被包含在计算机可读介质中，被配置为使得用于经由在不同的信道上操作的无线网络进行通信的无线设备中的控制器：

同第一信道上的第一组多个设备进行通信；

改变到第二信道；

同所述第二信道上的第二组多个设备进行通信；

将与所述第一信道上的设备关联的状态信息传输到所述第二信道上的设备；

改变到所述第一信道；并且

将与所述第二信道上的设备关联的状态信息传输到所述第一信道上的设备。

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