CN103891379A - 一种信道选择方法及相应的WiFi设备和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为在WiFi网络的接入点之间进行多频带信道共享的Wi-Fi接入网络的多频带接入点的信道选择方法。第一频带被称为传输频带，第二频带被称为信号频带并且有比所述传输频带更宽的无线电覆盖范围。根据本发明，这个方法(1)包括：步骤(EM)，在信号频带内传输第一相关信息，所述第一相关信息涉及接入点对传输频带的占用；和步骤(REC)，在信号频带内接收第二相关信息，所述第二相关信息涉及相邻接入点对传输频带的占用，所述步骤伴随传输频带内的每一个传输步骤被执行。

Description

一种信道选择方法及相应的WiFi设备和计算机程序

技术领域

本发明涉及电信领域。在该领域内，更具体地，本发明涉及无线电通信领域，也被称作无线通信，它包括由来自电气与电子工程师学会(IEEE)的802.11标准及以下各条标准化的WiFi网络。这些标准保障了符合标准的无线通信设备之间的互操作性。

下文中，术语“WiFi”应被理解为通过无线电覆盖整个通信区域。

本发明在WiFi网络基础设施的环境中进行描述，其中多个接入点共存，并允许站例如和终端或者远程服务器建立通信。

更确切地，本发明涉及专用于WiFi设备的无线电频带的频率占用，尤其是在IEEE802.11n标准中定义的5千兆赫(GHz)附近的频带，和在IEEE802.11ah标准中定义的868.68兆赫(MHz)附近的频带，更具体地，它涉及一种从多个无线电信道中选择一个无线电信道的机制，当WiFi设备装配有多个无线电接口，使其能够在至少两个不同的频带上发送数据或信令帧时，可在WiFi***中使用所述机制。这些设备的无线电信道被叫做多频带信道。

在这里，术语“WiFi设备”用于表示组成基本服务集(BSS)的装置，它由接入点及与该接入点相关联的站(即，位于所述接入点的无线电覆盖区域内的站)组成。本发明处于这样一个环境，其中设备可能属于不同的BSS。

背景技术

当WiFi设备有数据要传输，它需要接入传输信道。鉴于WiFi设备是多频带的，且每个频带一般有多个信道，接入传输信道要求有事先选择好的信道。现有的信道选择机制对应于集中模式或分散模式。

在集中模式中，作为明确定义的频率规划的函数，控制器强制每个接入点选择一个信道。

在分散模式中，作为对其可用相关信息(例如信道占用率和噪声水平)的函数，WiFi接入点进行信道选择。为得到可用于选择的相关信息，接入点可以：

·通过监听传输来运行被动扫描，或通过在整个频带上交换帧来对所有传输信道运行主动扫描(即“探寻请求/响应”)，以在多个被扫描信道中找到信道的占用。这个占用信息可通过使用空闲信道评估(CCA)测量的长期时段机制来获取，它使得计算信道被占用以及信道空闲期间的时间成为可能。然而，该测量可能被隐藏设备干扰，所述隐藏设备即能够在不被其他站或接入点听到的情况下进行传输的站或接入点。参考图1，当两个站STA1和STA2在接入点AP的相对两侧，并且彼此相距足够远以使得不能检测到来自另一个站的传输时，这些站被叫做相互“隐藏”。在这样的情况下，即使隐藏站STA2，或者也许是STA1，可能正在占用信道，站STA1或站STA2也可认为该信道为空闲并接入该信道，或者

·仅对由相邻接入点发送的“信标”进行解码，其中传输有IEEE802.11k标准中定义的BSS负载信息，该负载信息为有关信道指定传输信道的占用。该信息也可能被隐藏设备干扰。

使用上述已知方法为进行信道选择而恢复相关信息，需要扫描被接入点使用的当前传输信道以外的至少一个传输信道。因此，为了在能够执行扫描之前切换信道，所述接入点必须停止在其当前激活信道上的监听或传输。尤其当为了缓解通信量过载，需要进行信道选择时，这个限制可能是不利的。

发明内容

本发明以信道选择方法的形式为在设备间进行多频带信道共享的WiFi网络提供了有利的、新的解决方案，第一频带为“传输”频带，和第二频带为“信令”频带且比传输频带具有更大的无线电覆盖范围，该方法比已知方法更有效。

因此，本发明提供了一种在WiFi网络的设备间进行多频带信道共享的WiFi网络中为多频带WiFi设备选择信道的方法，第一频带为“传输”频带，和第二频带为“信令”频带且比传输频带具有更大的无线电覆盖范围。该方法包含：

·在信令频带传输第一相关信息的步骤，该信息涉及设备对传输频带的占用；和

·在信令频带接收第二相关信息的步骤，该信息涉及相邻设备对传输频带的占用，这些步骤与传输频带中的任一传输步骤同时发生。

既然信令频带对于多个WiFi设备、接入点、WiFi网络站是共用的，因此每个设备能恢复与附近WiFi设备对传输频带的占用相关联的相关信息，而不需要中断发生在传输频带中的传输。依靠选出的与传输频带相关的信令频带，信令频带的覆盖范围大于传输频带覆盖范围的事实使得解决与被隐藏的传输频带相关联的设备的问题成为可能，或至少可能显著减少被隐藏设备的数量。

通常，多频带WiFi网络是这样的，第一频带对数据传输表现出更好的特性(更好的数据速率，……)，而第二频带对范围表现出更好的特性(低数据速率，……)。因此，第一频带被认为是数据传输频带，第二频带被认为是信令频带。

举例来说，WiFi网络是WiFi接入网络，其传输频带,参照符合IEEE802.11n标准的网络，对应于5GHz频带；其信令频带,参照符合IEEE802.11ah标准的网络，对应于868MHz到868.6MHz的频带。所述WiFi网络有至少两个多频带接入点AP(5GHz频带+868MHz频带)以及一个或多个站。IEEE802.11ad标准定义了多频带模式，尽管在该标准中其定义仅涉及指定频带，它适用于所有WiFi***(11a、b、g、n、ac、ad、af、ah，……)。鉴于传输频带中心频率和信令频带中心频率的差别，信令频带的覆盖范围范围明显大于传输频带。当信令频带有多个信道时，为了广播WiFi接入网络中的相关信息，WiFi网络的多频带接入点共享公共的信令频带。

举例来说，关于WiFi设备对传输频带的占用的相关信息可提供在传输频带中WiFi设备使用的信道的标识。

例如，IEEE802.11n和IEEE802.11ac标准为多信道传输作了如下规定：40MHz的2个传输信道，80MHz的4个传输信道，80+80MHz或160MHz的8个传输信道。替换地或者附加地，相关信息可能涉及接入点、也可能是与其进行通信的站在传输频带中对信道的负载或占用。信道占用经常通过计算用于传输的时间和信道空闲期的时间之间的比率(占空度)来确定。IEEE802.11标准中定义了几个度量：对应于上述定义的“BSS负载”(IEEE802.11n)；增加了更精确的关于信道上通信量类型信息的“Q负载(Qload)”(IEEE802.11aa)；“扩展的BBS负载”(IEEE802.11ac)，其通过考虑对应于同时传输至有多个传输天线的***中的多个用户的可能性的多用户-多输入多输出(MU-MIMO)传输，以及考虑在40MHz、80MHz、80+80MHz和160MHz的传输模式，从而扩展定义。对于每种模式，存在一个度量，其使得计算接入点使用的每个信道中的信道占用成为可能。

替换地或者附加地，相关信息可与设备的带宽要求相关联。

举例来说，信息可与等量带宽相关联，所述等量带宽即可在100％的时间内用于设备的理论带宽。

相关信息也可与位置信息相关联，或与关于可见的、即在所谈及设备的无线电覆盖范围内的其他设备的信息相关联。在这样的情况下，尤其当相邻设备、接入点、站不具备多频带功能并且不能在信令频带内传输相关信息时，相关信息可与那些设备使用的信道及其负载相关联。在这样的情况下，该信息必须通过在数据传输频带中扫描来获得。

第一和第二相关信息可与相同或不同种类的信息相关联。

因此，一个给定设备连同相邻设备、即位于信令频带的相同覆盖区域内的设备使用由每个运行本发明的信道选择方法的设备所确定的在传输频带中的信道。所述设备不需要在数据传输频带的相同信道上，并且能够经由公共的信令频带接收关于其他设备的相关信息。知道关于传输频带占用信息的所述设备有利地使得可能在本发明的信道选择期间将该占用考虑进去，因此可能限制相邻设备间的信道共享。

在本发明的实施中，第一相关信息以广播模式传输。

广播模式的有利之处在于它不要求设备间的任何信令交换以获得关于传输信道的占用信息。

在本发明的实施中，相关信息被封装在帧内，所述帧具有为了将会话从多频带WiFi网络的第一信道传送至第二信道而被填充的字段。

第一信道不同于第二信道。第一和第二信道可能属于传输频带中相连或不相连的子频带。

该实施尤其适用于符合IEEE802.11ad标准的WiFi网络，在其中定义了多频带模式。然而，尽管该模式是在具体的频带上定义的，其适用于所有WiFi***(IEEE802.11a、b、g、n、ac、ad、af、ah，……)。当设备拥有两个运行在两个不同频带上的WiFi接口时，使用该模式。IEEE802.11ad的临时文本指明可在信标、关联请求/响应帧或探寻请求/响应帧中传输的多频带元素(multiband element)。该多频带元素对拥有多频带功能的设备的性能进行广播。在IEEE802.11ad标准中，该元素在一个传输频带中广播，并表明另一个传输频带的存在。具体地，频带ID字段使得可能定义哪一个其他的频带被涉及，多频带STA性能字段定义在所述其他频带中的设备起到的作用(接入点AP、站STA等)。当第一频带不再能以令人满意的方式传递数据时，例如由于饱和，所述多频带元素具体服务于第一信道到第二信道的快速会话传送。用关于信道占用的相关信息填充该元素对于避免选择一个已经有负载或者甚至已在其饱和极限的信道尤其有利。在本发明中，一个频带被认为是信令频带，且所述元素在这个频带上广播，而会话传送发生在传输频带的子频带之间。

在本发明的实施中，所述方法进一步包含:

·在设备和相邻设备间的信令频带上交换帧的步骤，所述设备传输信道切换请求帧，并等待来自相邻设备的、表明其接受或拒绝信道切换响应帧。

当针对设备的需要存在足够多的空闲信道时，该实施尤其有利，但是当即使设备需要信道相连而这些信道并不相邻时，情况则不是这样。举例来说，设备可能需要连续的80MHz，而关于占用的相关信息表明有两个40MHz的信道空闲，但它们不相连。

在该实施中，设备发起与另一设备的协商过程，使得所述另一设备切换信道，以释放一个与空闲信道相邻的信道。

该协商通过设备之间在信令频带上交换帧来实现：具体是信道切换请求帧和信道切换响应帧。

请求帧可包含下列元素：

·包含在请求中的传输频带的标识

·从信道切换中获益的设备的标识；

·传输信道切换请求的设备的标识(当切换的受益方没有多频带WiFi界面，且传输请求的设备代表其进行切换处理时，该标识可能不同于前面的标识)；

·用于信道切换的空闲信道索引；和

·一个或多个信道的标识，当满足其自身的带宽要求时(假设这些带宽要求已包括在多频带元素中)，接收请求的设备能够切换到这些信道。

响应帧可包括下列元素：

·包含在请求中的传输频带的标识；

·从信道切换中获益的设备的标识；

·传输信道切换请求的设备的标识；

·对信道切换请求的接受或拒绝；

·如果接受，对目标信道的表明；和

·如果接受，对在信道切换前要耗费的时间的表明。

本发明还提供了多频带WiFi设备。更具体地，该WiFi设备预计用于有多个多频带接入点的多频带WiFi接入网络，第一频带被称为“传输频带”，和第二频带被称为“信令频带”且比传输频带具有更大的覆盖范围。

本发明的WiFi设备包含：

·用于经由传输频带的多频带信道传输和接收数据帧的收发器部件；

·适用于在信令频带中传输和接收信令帧的收发器部件，该信令帧包括关于所述设备及相邻设备各自对传输频带的占用的相关信息；和

·分别用于传输频带和信令频带的收发器部件，其联合地适用于同时进行传输和接收。

这样的WiFi设备尤其适用于运行上述本发明的信道选择方法。例如，它可以是接入点或WiFi站。

在本发明的实施例中，WiFi设备是这样的，信令频带中的收发器部件包含广播部件。

在一个优选实施中，本发明信道选择方法的步骤由以分别合并在电路、例如芯片中的一个或多个模块的形式的程序指令来确定，这些电路自身可能被安装在例如WiFi设备的电子装备中。当程序(或其模块)被载入到一个计算器部件，例如处理器或等效器件，且通过执行所述程序来控制其操作时，也可运行本发明的信道选择方法。

因此，本发明也适用于计算机程序(或其不同模块)，尤其是在数据介质上或在数据介质中并适于运行本发明的计算机程序。该程序可使用任何编程语言，可以是源代码、目标代码或源代码和目标代码之间的中间代码的形式，例如部分编译的形式，或以任何其他需要的形式来实施本发明的方法。

数据介质可以是能够存储程序的任意实体或装备。举例来说，介质可以包括存储装置，诸如随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，例如光盘(CD)ROM，或微电子电路ROM，或真正的磁记录装置，例如硬盘，或安装通用串行总线(USB)键上的电子可编程只读存储器(EPROM)。

替换地，数据介质可以是合并了所述程序的集成电路，该电路适用于执行所谈及的方法或在其执行中使用。

此外，所述程序可被转变为可传输的形式，例如电或光信号，适宜于经由电缆或光缆，通过无线电或其他方式来传递。具体而言，本发明的程序可从英特网类型的网络下载。

因此，本发明还提供了数据介质上的计算机程序。当要运行信道选择方法的WiFi设备载入并执行所述程序时，该程序包括程序指令，它适用于在多频带WiFi设备中，通过使用本发明的一种方法，为多频带WiFi接入网络运行信道选择方法。

当WiFi设备载入并执行所述程序以运行信道选择方法时，本发明还提供了包括程序指令的数据介质，该程序指令适用于由多频带WiFi设备通过使用本发明的方法来为多频带WiFi接入网络运行信道选择方法。

附图说明

在阅读下列仅作为说明性而非限制性示例给出的具体实施例的描述中，本发明的其他特性和好处显现得更明显，参照附图，其中：

·图1是一个示意图，显示了在有接入点AP的无线通信***中站STA1和STA2的基本服务集(BSS)的基础设施，站STA2对于站STA1是隐藏的，该图的描述以现有技术为参考；

·图2是一个示意图，显示了有8个接入点和1个终端的多频带WiFi接入网络；

·图3是一个流程图，显示了本发明的信道选择方法的主要步骤；

·图4是一个图表，沿频率轴显示了与接入点AP相邻的接入点对传输频带信道的占用率；

·图5是一个图表，沿频率轴显示了与接入点AP相邻的接入点对传输频带信道的占用率，并有一个窗口显示运行本发明的方法时由接入点AP选择的信道，在所示例子中频带的占用符合接入点对两个相邻空闲信道的要求；

·图6是一个图表，沿频率轴显示了与接入点AP相邻的接入点对传输频带信道的占用率，并有一个窗口显示运行本发明的方法时由接入点AP选择的信道，在所示例子中频带的占用并不完全符合接入点对4个相邻空闲信道的要求；

·图7显示了接入点AP和接入点AP2之间协商的运行，当接入点AP发现频带的占用不符合其自身要求后，使得接入点AP2切换信道，并释放它正在占用且与一组3个空闲信道相邻的信道，如图6所示；

·图8是对适合运行本发明信道选择方法的WiFi设备的一个简化结构示例的示意图。

具体实施方式

如图2所示，所考虑的WiFi通信网络有9个WiFi设备，其中至少8个，AP、AP1-AP7具体运行接入点功能。这些设备在下面被称作“接入点”，AP，它们可能对应于网关或中继设备。设备STA尤其指的是终端。WiFi设备装配有多个无线电接口，使其能够在至少两个频带上传输帧。

在这样的WiFi网络环境下描述本发明，所述WiFi网络具备以符合IEEE802.11n标准的网络为参考的、对应于5GHz频带的传输频带，和以符合IEEE802.11ah标准的网络为参考的、对应于868MHz到868.6MHz频带的信令频带。

本发明涉及在共享相同传输频带的WiFi设备(AP和STA)之间的信令信道中广播信息，以改进该频带中无线电频谱的占用。

在图2的图示中，来自接入点AP的信令频带BS的无线电范围覆盖所有接入点AP1-AP7以及终端STA。其他所有多少有些椭圆的形状代表每个设备传输频带的无线电覆盖范围。

虽然其在标准中的定义仅包含特定频带，IEEE802.11ad标准仍定义了一种适用于所有WiFi***(11a、b、g、n、ac、ad、af、ah……)的多频带模式。

当设备有两个在两个不同频带运行的WiFi模块时，使用此模式。

图3是一个流程图，显示了由接入点AP运行本发明的信道选择方法的主要步骤。

方法1包含在信令频带上传输第一相关信息连同接入点AP对传输信道的占用的步骤EM。

方法1具有在信令频带接收第二相关信息并涉及相邻接入点对传输频带的占用的步骤REC。

传输步骤EM和接收步骤REC连同由接入点AP在传输频带上的任一传输步骤一起执行。

在实施中，第一相关信息由接入点AP以广播模式传输。

在实施中，相关信息被封装在帧中，该帧具有为了将会话从多频带WiFi网络的第一信道传送至第二信道而填充的字段。

IEEE802.11ad标准的原始版本描述了如在下列表1中制定的“多频带元素”：

	元素ID	长度	多频带控制	频带ID	管理类	信道编号	BSSID	信标间隔
									字节	1	1	1	1	1	1	6	2

表1

该元素表明了具备多频带功能的设备的性能。在一个频带上广播的情况下，它具体借助“频带ID”字段来显示其他频带的存在并识别它。“多频带STA性能”字段具体定义了在所述其他频带的设备所起的作用：即接入点(AP)或终端(STA)。它可以和关联请求/响应帧或探寻请求/响应帧一起，使用信标来传输。

在实施中，“多频带元素”以相关信息来扩充。该元素封装在由接入点AP、AP1-AP7在信令频带上广播的帧中。

本发明方法的一个具体实施描述如下并在图4-7中显示。

接入点通过建立有关所有可用信道占用的数据库来优化其信道选择。在图4中，传输频带的信道由锥形代表，实线部分代表信道的占用率。

如果针对接入点AP的带宽需求，有足够多的空闲信道(即无论何种传输模式：20MHz、40MHz、80MHz、80+80MHz、160MHz，未被相邻的AP1-AP7占用的信道)，则接入点AP占用空闲信道。如图5所示，例如，接入点AP需要40MHz的带宽，且占用在图中被方框包围的、可用的40MHz。

如图6所示，如果不存在足够多的空闲信道，则接入点AP处于和相邻接入点共用信道的状态。接入点AP优先选择那些产生干扰很少或不产生干扰的信道，即属于在远端但可在信令频带中被检测到的BSS的信道。该信息具体可从以下信息中提取：信令频带中传输的位置信息，信令频带中接收和广播的接收功率，信令频带中广播的AP的负载信息，或对接入点AP占用的主要信道的指定扫描。举例来说，如图6所示，接入点AP要求80MHz的带宽。既然没有可用的80MHz的连续带宽，第一个实施中的接入点AP将自己置于和相邻接入点AP2共用信道的状态，所谈及的信道在图中被方框所包围。

下面描述一个不同的实施。回到接入点AP要求80MHz带宽的当前示例，结果发现针对所述接入点的要求，的确存在足够多的空闲信道，但这些信道并不相邻。涉及占用且可用于接入点AP的相关信息表明代表40MHz的两个相邻信道是空闲的，代表60MHz的三个相邻信道是空闲的，而这两组信道被一个接入点AP2占用的信道分隔开。

在此实施中，接入点AP发起如图7所示的协商过程，来与接入点AP2协商其切换信道c并释放其正在占用且和这组三个空闲信道相邻的信道。

通过在信令频带中在接入点之间交换帧来进行所述协商。接入点AP传输信道切换请求，接入点AP2以信道切换响应进行响应。

如果接入点AP2接受，它切换信道，并且接入点AP连同其三个相邻信道一起占用释放的信道，在图7中，所谈及的这些信道被方框所包围。

以上描述的本发明是一个接入点的实施。以相似的方式，通常通过端对端操作，本方法可由尤其是在网状网络中运行的站来实施。

图8是对多频带WiFi设备AP或STA的一个简化结构示例的示意图，该设备适合于运行本发明的信道选择方法。所述WiFi设备尤其适用于具备多个多频带接入点的多频带WiFi接入网络，第一频带被称作“传输”频带，和第二频带被称作“信令”频带且比传输频带具有更大的覆盖范围。

WiFi设备AP、STA包含：

·收发器部件EMt、REt，用于经由传输频带的信道传输和接收数据帧。这些部件包含传统的表现与传输频带相对应的频率特性的传输***EMt和接收***REt；

·收发器部件EMs、REs，适合于在信令频带中传输和接收信令帧，所述帧包括涉及接入点和相邻接入点各自对传输频带的占用的相关信息。这些部件有传统的传输***EMs和接收***REs，所述传输***和接收***表现与信令频带以及传输和接收相关信息相对应的频率特性。

用于传输和信令频带的各收发器部件EMt、REt、EMs、REs联合地应用以适合于同时进行传输和接收。通常，这些收发器部件具有带阻滤波器，用于强力衰减一个频带中与另一频带相关的信号。

这些收发器部件通常与计算器部件PRO、例如微处理器或数字信号处理器(DSP)相连接，由微程序控制这些装置以产生用于传输的相关信息的帧，并利用从相邻接入点接收的相关信息。所述计算器部件也可以由微程序控制以发起与相邻接入点的协商过程，来使其切换信道并释放与空闲信道相邻的信道。

Claims (8)

1.一种在WiFi网络的设备之间进行多频带信道共享的WiFi网络中为多频带WiFi设备选择信道的方法(1)，第一频带为“传输”频带，和第二频带为“信令”频带且比所述传输频带具有更大的无线电覆盖范围，所述方法的特征在于其包含:

·在所述信令频带(BS)中传输第一相关信息的步骤(EM)，该信息涉及设备对所述传输频带的占用；和

·在所述信令频带(BS)中接收第二相关信息的步骤(REC)，该信息涉及相邻设备对所述传输频带的占用，这些步骤和在该传输频带中的任一传输步骤同时发生。

2.如权利要求1所述的在WiFi网络的设备之间进行多频带信道共享的WiFi网络中为多频带WiFi设备选择信道的方法(1)，，其中以广播的模式传输所述第一相关信息。

3.如权利要求1或2所述的在WiFi网络的设备之间进行多频带信道共享的WiFi网络中为多频带WiFi设备选择信道的方法(1)，其中所述相关信息被封装在帧中，该帧具有为了将会话从所述多频带WiFi网络的第一信道传送至第二信道而填充的字段。

4.如权利要求1至3中任一项所述的在WiFi网络的设备之间进行多频带信道共享的WiFi网络中为多频带WiFi设备选择信道的方法(1)，所述方法还包含：

·在所述设备和相邻设备之间的信令频带上交换帧的步骤，所述设备传输信道切换请求帧并等待来自相邻设备的、表明其接受或拒绝信道切换的响应帧。

5.一种用于多频带WiFi网络的多频带WiFi设备(AP、STA)，该WiFi网络具备多个多频带设备，第一频带为“传输”频带，和第二频带为“信令”频带且比所述传输频带具有更大的无线电覆盖范围，所述设备适合于运行信道选择方法，其特征在于包含：

·经由所述传输频带的多频带信道传输和接收数据帧的收发器部件；

·适用于在所述信令频带传输和接收信令帧的收发器部件，所述信令帧包括关于所述设备和相邻设备各自对传输频带的占用的相关信息；和

·分别用于所述传输频带和所述信令频带的收发器部件，其联合地适用于同时进行传输和接收。

6.如前述权利要求中任一项所述的多频带WiFi网络(AP、STA)，其中：

·所述信令频带中的收发器部件包含广播部件。

7.一种在数据介质上的计算机程序，所述程序包括程序指令，当所述程序被加载并由设备执行以运行信道选择方法时，该程序指令适用于运行如权利要求1至4中任一项所述的在WiFi网络的设备之间进行多频带信道共享的WiFi网络中为多频带设备选择信道的方法。

8.一种包括程序指令的数据介质，当所述程序被加载并由设备执行以运行信道选择方法时，所述程序指令适用于运行如权利要求1至4中任一项所述的在WiFi网络的设备之间进行多频带信道共享的WiFi网络中为多频带设备选择信道的方法。

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