CN1513270A - 在无线多中继段网络中提供增大的数据通过量的方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种增加多中继段无线链路的数据通过量的方法。提供一种不必使用全向收发信机就减轻自干扰的方法。描述了在多中继段无线通信***中用于信道分配的分配协议。这些协议导致这样的信道分配：即，增加了网络容量利用率并且使该***对本地干扰(1550)和人为干扰是强健的。

Description

在无线多中继段网络中提供增大的数据通过量的方法和***
发明领域
本发明涉及无线***领域，尤其涉及增加无线多中继段(multi-hop)链路的端点之间的数据通过量。
发明背景
使用无线装置来传输数据正变得日益普遍。源和目的地两个无线装置可以互相直接通信。例如，一个蜂窝电话与一个蜂窝基站通信，从而提供对公众电话交换网的语音连接。另一示例是一个无线局域网，其中无线客户装置(client device)与一个接入点进行通信。
数据传输可以从源到目的地是单向的，或者可以是双向的，其中数据业务也从目的地传送到源。在源和目的地之间的数据通过量的最大速率(此后简单称之为通过量)是一个重要参数，其表征源和目的地之间的数据信道的性能。尽可能地增加通过量是理想的。
在某些情况下，对于源和目的地无线装置，理想的是通过中间无线装置来路由或者中继它们的数据传输。这些中间装置通常被称为路由器、转发器或者中继器。当源和目的地不在彼此传输范围内时可能需要这些中间装置。其它无线装置也可用来中继数据，形成从源到目的地的一条链路条(chain)，链路条中的每一链路是一个无线装置，它处在始发装置的传输范围中。链路条中的无线装置数目可以小至一个，或者可以大至所需要的数目。图1示出了一个标记为S 100的源，它经由标记为I1 110、I2 120、I3 130、I4 140、I5 150和I6 160的中间无线路由器与一个标记为D 170的目的地通信。各路由器之间的双向箭头表明已经在那些路由器之间形成了一条链路。例如，节点I1 110可以与节点I2 120直接通信，且反之亦然。然而，为了达到I4 140，节点I1必须通过节点I2 120和I3 130通信。
半双工收发信机是可以发射或接收但是不能在同一时刻发射与接收的无线装置。具有IEEE 802.11接口的个人计算机提供了一个半双工收发信机的示例。无线装置也可以由每一节点处的一个单独的发射机和接收机组成。如果发射机和接收机可以同时发射并接收来自另一节点的数据，则该无线装置被称作全双工收发信机。全双工收发信机的一个示例是IS-95 CDMA蜂窝电话。图2说明了半双工和全双工收发信机之间的差别。如图所示，全双工收发信机可以同时发射并接收，而半双工收发信机只能接收或发射。然而，半双工收发信机通常比较便宜，并且更易于得到。因此，许多装置使用半双工收发信机。经常在每一装置中包括两个半双工收发信机，以便一个半双工收发信机可以发射数据而另一个可以接收数据。
正如MANET、DARPA SURAN等等所描述的，在无线ad hoc网络中使用了一种现有技术方法来实现无线装置的链路条或网格(mesh)。两个无线装置通过平衡对等无线装置来彼此通信，从而路由或中继数据。所设想的应用为诸如包含战场(军队)通信和移动(民间)网络在内的网络。
形成无线装置链路条的另一现有技术方法是收发信机和全双工转发器，它们构成Metricom网络的基础设施[美国专利5,479,400]。转发器位于路灯杆顶，其将信息从客户机用户的调制解调器中继到有线接入点，反之亦然。
无线装置必须装备有天线以便接收和传送数据。全向天线在水平面上的所有方向以同等强度发射或接收信号。如果天线不是全向的，则认为它们是定向天线，并且这些天线具有在水平面上非圆形对称的辐射模式。
在图3中说明了一种假设的定向天线的方向性，该定向天线被连接到水平面上的一个源S。如图所示，源S 300只可与目的地D2 320通信，而不能与D1 310、D3 330、D4 340、D5 350以及D6 360中的任何一个通信，因为该天线不在那些方向上发射或接收。Radiant Plc.所使用的一种现有技术方法在构成一个链路条的各无线装置中的发射机和接收机上都应用方向性链路[www.radiantnetworks.com]。
由于方向性链路在时间的任意给定瞬时只允许某一个固定方向的通信，所以它们对于许多形式的陆上通信过分约束。对于诸如上面提到的MANET和DARPA SURAN的这类现有技术的应用，由于方向性链路将妨碍在随机方向上形成无线装置之间的ad hoc网状网，所以它们是不可使用的(与全向链路相反)。在这些应用中，可能原先不具有一个给定的无线装置和另一无线装置之间方向的知识。因此，用方向性链路瞄准天线出现一个难题，尤其是当使用一连串无线装置建立通信时更是如此，可以基于无线装置网络中的变化来重新配置这一连串的无线装置，所述变化包括引入其中一个装置或者其中一个装置出现故障。
发明内容
本发明的目的是提供一种增加多中继段无线链路的数据通过量的方法。描述了一种在多中继段无线通信***中使用分布式协议进行信道分配的方法。这些协议导致这样的信道分配：即，增加了网络容量利用率并且使该***对本地干扰和人为干扰是强健的。
附图说明
通过示例而非限制性的方式说明了本发明，在附图中，同样参考编号是指同样的元件。其中：
图1是使用ad hoc无线网络的现有技术通信***的***示意图。
图2是说明半双工和全双工收发信机之间区别的示意图。
图3是使用定向天线的现有技术通信***的***示意图。
图4说明了无线网状网的一个实施例。
图5说明了由多个节点处的一组半双工收发信机形成的一连串无线链路的一个实施例。
图6是分配到多中继段网状网拓扑结构中的各个链路的信道实施例***示意图。
图7是分配到图2所示多中继段链路条中的链路的信道实施例***示意图。
图8是分配到多中继段网状网拓扑结构中的各个链路的信道实施例***示意图。
图9是用于将信道分配到多中继段网状网拓扑结构中各个链路的协议实施例的流程图。
图10说明了节点的一个实施例。
图11是使用下行链路信道发现协议进行信道分配的一个实施例的流程图。
图12说明了一个预定分组的格式的实施例。
图13是信道分配的一个实施例的***示意图。
图14是信道分配的另一实施例的***示意图。
图15是说明对干扰的响应的***示意图。
图16是一***示意图，说明对附加到该***中的一个新节点的响应。
图17是信道分配的另一实施例的***示意图。
最佳实施方式
描述了一种在无线网络中对节点的信道分配方案。该方法包括：对于一个节点，分配第一信道给上行链路，并且对于一个节点，分配第二信道用于下行链路。该方法还保持第一信道和第二二信道不同于该节点的默认网关的上行链路信道。通过保持彼此互不干扰的多个信道，节点之间的干扰被最小化。所示应用集中注意力在增加无线链路的通过量上。此外，它处理了新节点加入***以及外部节点引起***内干扰的问题。通过提供在每一节点处执行的一个分布式协议，中央服务器即不需要控制每个节点的信道分配。因此，本***可用于大型网络，并且规模从小网络到大网络均无任何问题。
一条无线链路条的通过量至少受如下限制：
1.构成该链路条的每个单独无线链路的通过量；
2.每一中间无线装置将它接收到的数据传输到该链路条下一无线装置上(即转发数据)的速度；和
3.对于具有全向发射机的无线装置而言，在链路条中一对无线装置之间进行的数据传送与另一对无线装置之间进行的数据传送的干扰(我们将称之为无线链路链路条的自干扰，或者简单地称为自干扰)。
自干扰引起一个特别重要的问题。这种干扰阻碍了链路条中的通信带宽达到单一链路的速率。
图5说明了由一组位于每一节点S 510，I1...I6，D 530处的半双工收发信机形成的一条无线链路串。图5中画出了两个框来表示节点I2 520B和I3 520C的传输范围，它们具有全向发射机。该连接简要而言，通过箭头连接的两个节点处于彼此传输范围内，而反之未通过箭头连接的两个节点则不处于传输范围内。在S 510与D 530通信的过程中，每一中间节点将不得不将数据从S 510中继到D 530，并且对于从D 530到S 510的通信也是同样。如果I2 520B正在发射，那么I1 520A与I3的520C的收发信机将处于接收范围之内。同样地，如果I3 520C发射，那么它的发射可以被I2 520B和I4 520D接收到。
当I1 520A正在向I2 520B发射时以及I2 520B正在向I3 520C发射时，就产生一种形式的自干扰。从I2 520B进行的发射干扰了在I2 520B接收来自I1 520A的发射。诸如802.11b之类的MAC/PHY分层协议标准通过执行载波侦听来减轻这种形式的自干扰，从而使得节点I2 520B只是在信道空闲时(即它的相邻节点I1 520A和I3 520C两者都不发射时)发射。这实际上将链路条中任何节点获得的有效通过量减少到链路容量的一半。解决此问题的一种方法是在每一节点处设两个收发信机，每一收发信机操作在不同的信道或扩展码上。通过使用两个收发信机，每一节点可以同时发射和接收数据。通过对两个收发信机使用不同的信道或扩展码，收发信机之间的自干扰就被减弱或消除。
当I1 520A正在向I2 520B发射而I3 520C正在向I4 520D发射时，就产生另一种形式的自干扰。I3 520C的发射也传播到I2 520B，并且干扰从I1 520A到I2 520B的发射。
同样地，如果I3 520C试图向I2 520B发射而I1 520A试图向I2 520B发射，则两个发射将干扰并从而被中断。通过执行一种RTS/CTS机制，则这种形式的自干扰可在诸如IEEE 802.11b之类的MAC/PHY分层协议标准中得到处理：当I1 520A有数据要发送给I2 520B时，它发布一个RTS(请求发送)控制分组给I2 520B，I2 520B将信道保留一段时间。如果I2 520B可接收数据，则它用一个CTS(清除发送)控制分组来响应I1520A，该控制分组使得I1 520A可以在所请求的时间间隔期间向I2 520B传送数据。在I1 520A和I2 520B进行传送期间，除了I1 520A与I2 520B之外的任何节点均偶尔听到(overhear)RTS或CTS，或者两者都必须保持静音。在图5的示例中，当I1 520A正在向I2 520B发射的时候，节点S 510(它偶尔听到RTS)和节点I3 520C(它偶尔听到CTS)必须保持静音。换言之，在如图5所示的节点串中，每三个节点中只有一个节点可以在一个给定时刻发射。这实际上将通过量局限到单个链路容量的三分之一。这被称为“1/3问题”。可以看出：通过量的这种下降是在多个无线链路上转发数据的网状网的特性。
作为这种情形在实践中的一个示例，考虑尚未得到许可的(unlicensed)2.4GHz ISM频带，该频带被分成每个为22 MHz的三个非重叠信道。虽然在一个特定环境中获得的实际通过量可能低得多，但是诸如Prism II(www.Intersil.com)之类的半双工无线芯片组能够胜任高达11 Mbps的原始数据速率。不过为了说明，让我们假定链路就是工作在11 Mbps。如果这些无线装置(S、I1、I2、I3、I4、I5、I6、D)的网状网如图4所示进行配置，则由于1/3问题，在网格(mesh)中被两个以上数目的中继段分开的任何两节点之间获得的实际通过量不会好于1/3*(Mbps)＝3.67 Mbps。
为了将这种形式的自干扰影响减到最少，可以让每个链路独立地工作而不被发生在其它相邻链路上的发射所干扰。每一中继节点可以装备有两个(半双工)无线收发信机，一个用于“上行链路”，一个用于“下行链路”。每个半双工收发信机都能够接收并发射——虽然二者不能同时进行。
这种设置中的其中一个半双工收发信机的发射，对于另一个半双工收发信机对来自更远距离的无线装置的另一发射的接收而言，可能会造成干扰。这在本领域中被称为“远近问题(Near-Far Problem)”。对于一个实施例，通过使两个半双工收发信机工作于不同的信道上或者在一个扩频***中用不同的扩展码进行操作来解决这个问题。由于在收发信机设计中的缺点，可能有信号泄漏到有效频带之外(宽旁瓣(broadside-lobe))。对于一个实施例，用滤波器电路来消除或抑制不想要的旁瓣。对于一个实施例，进一步使与不同的半双工收发信机相关的发射元件(天线)实现物理分离，从而减轻远近问题。
本发明结合了将相邻链路之间的干扰减到最少以及解决“1/3问题”的技术，从而允许多中继段链路上的通过量达到单一链路的容量而在容量利用率方面得到三倍的增量。
在一个实施例中，相邻链路上的收发信机工作于不同“信道”上。对于一个实施例，信道是频率信道。术语“信道”在广义上被理解为是指按照这样一种方式将数据格式化的方法：使该数据与其它数据的传输相区别。例如，一个蜂窝电话传输可以与一个电视广播有效区分开，因为它们发生在不同的频率“信道”上。另一方面，在水平偏振光波上的一个数据传输可以与垂直偏振光波上的一个数据传输区分开。因此，可以通过极化区分“信道”。在ISM频带示例中，一条信道可以是可用于直接序列扩频传输的十一个频带中的一个频带。可替代地，在一个扩频CDMA***中，每个信道可以有一个不同的扩展码；或者每个信道可以对应于以信息比特调制的发射波形的一个不同极化。在一个实施例中，在只有一个无线接口(收发信机)的节点上执行这个信道分配方案，该无线接口在上行链路和下行链路信道之间按顺序切换(根据传输的目的地)——这样就解决了1/3问题，但是由于无线装置的半双工性质，所以通过量只有链路容量的一半。在另一实施例中，在具有两个无线接口(收发信机)的节点上执行这个信道分配方案，其中一个无线接口工作于“上行链路”信道上，另一个工作于“下行链路”信道上。在这个实施例中，通过量达到全链路容量。
这种解决方案说明于图6，其中中继I1 620A、I2 620B和I3 620C各自拥有两个半双工收发信机；S 610在“信道”2上与I1 620A通信；I1 620A在“信道”3上与I2 620B通信；而I2 620B在“信道”1上与I3 620C通信；并且对于该链路条是其后的每一链路重复此信道分配。
作为另外一个示例，在图7中说明了一个ad hoc无线网状网的信道分配。所示每个链路工作于“信道”1、2或者3上。如果在三个“信道”之一上的传输没有干扰任何其他信道上的传输(没有”交叉信道干扰”)，则这类信道分配消除了干扰。只要有至少3个“信道”并且只要每一节点能够在这些信道中的多个信道上发射和接收，那么就可以执行这种方案。
如果存在交叉信道干扰，则上面所建议的方案可以降低自干扰，但并未将其消除。例如在下列情况下，不同信道上的传输可能会彼此干扰：
1.信道在频率间隔中重叠；或者
2.如果从一个频率信道到附近信道的数据信号泄漏大到足以引起不可忽略的干扰。
在一个实施例中，通过将信道的频率间隔分开得足够远来减少每个信道对其他信道造成的干扰。甚至即使信道的频率间隔被分开，由于收发信机设计中的缺点仍然可能有信道间串音，使得RF信号泄漏到预定频带之外。在一个实施例中，通过使用滤波器电路来缓和该问题。对于一个实施例，对于装置可能工作在其上的每个信道都有一个相应的滤波器电路。当一个特定信道被选择时，合适的滤波器电路被切换到该***中。对于另外一个实施例，每个收发信机与单个滤波器相关。滤波器可以被调谐以应用于选定的频率，对信号进行滤波从而只发射和/或接收适当的信号。
在一个实施例中，与一般在码分多路复用中所看到的一样，收发信机被扩频调制，并且相邻链路操作在正交扩展码上。这允许即使在同一信道上也能无干扰地接收。在一个实施例中，通过在每个链路的终端使用定向、扇区化或者智能天线从物理上隔离相邻链路，从而可以将信道间干扰减到最少。在图6中描述的信道分配解决了如上所述的“1/3问题”。
如图8中说明的，本发明还结合了在多中继段网状网拓扑结构中将信道分配到个体链路的一个协议。现在有这样的路由协议：它们容许无线网络中的每个节点获悉对该网络中一个特别节点(″服务器”)的中继段数。在2000年12月29日申请的标题为“Method And System ToProvide A Routing Protocol For Wireless Devices”(为无线装置提供路由协议的方法和***)、美国申请号No.09/751,262中公开了这种路由协议的一个示例。
关于从任何客户机到服务器的中继段数目的信息在本发明的应用中被用于确定信道分配。当网络被初始化时，路由协议运行于一个公共信道上并且建立节点间的路由。在一个实施例中，路由协议运行在其上的公共信道是单独的一个频带。在另一实施例中，公共信道是一个唯一扩展码。在一个实施例中，公共信道是一个唯一空间特征标记(signature)或者辐射模式。在一个实施例中，公共信道是所发射的无线数据的一个唯一极化。在另一实施例中，路由协议操作在所有可用频带、码和/或空间模型(spatial pattern)上。可以使用将公共信道从标准通信信道中区分开来的替换方式。
由于所述***被假设具有最小值为三个可用的无干扰信道，所以下文中为了简洁，将这些信道称为信道1、2和3。
如果通过路由协议的操作，一个节点确定其距服务器有N个中继段，则它将无线接口A设置到信道N(mod 3)+1并将无线接口B设置到(N+1)(mod 3)+1。按照早先讨论的方案，这确保了不同的链路使用相异信道。图9是节点根据上述方案设置其信道的示范流程图。在方框910处，从一个上行节点中收到一个路由分组。在方框920处，节点确定该路由分组是否来自其默认网关。选择默认网关的流程的一个实施例描述于共同待决的美国专利申请No.09/751,262中。如果路由分组不是来自本节点的上行节点，则流程继续进行到达方框930，并且该路由分组被抛弃而流程结束。如果在方框920处，节点确定该路由分组来自该节点的默认网关，则流程继续进行到达方框940。
在方框940处，通过默认网关确定到达服务器的中继段数。对于一个实施例，这个数据被携带于该路由分组内。对于另外一个实施例，另外一个分组可以携带此信息。中继段数被规定为N。
在方框950处，第一接口的信道被设置为(N(mod X)+1)，其中N是到服务器的中继段数，而X是可用信道的数目，可用信道数目至少为三。通过使用最小值三个信道，避免了上行和下行的干扰。这点将在下面更详细地讨论。可是，如果三个以上的信道可用，则***可以利用任意数目的信道。
在方框960处，第二接口的信道被设置为((N+1)(mod X)+1)。这样可确保这两个接口具有不同信道。然后本流程在方框970结束。
使用图9的流程，在一个三信道***中，图8的节点I1 820A距服务器S 810有一个中继段，它将其上行链路接口设置到信道(1 mod 3)+1＝2而将其下行链路接口设置到信道(1+1 mod 3)+1＝3。同样，图8中的节点I2距服务器S 810有两个中继段，它将使其上行链路接口设置到信道(2 mod 3)+1＝3而将其下行链路接口设置到信道(2+1 mod 3)+1＝1。这些分配是以上文概述的信道分配为根据的。因此，与通过中央授权或者通过手动干预的强迫手段相反，本发明的***通过节点本身自动的独自判断而向无线网络中的所有节点提供一种分布式的并且协调的信道分配。此外，节点基于路由分组中携带的信息来作出其判断。这允许网络无缝扩展而不必附加用于信道分配的开销。
除了在上面讨论的自干扰问题，还有其他干扰问题，它们是由工作于该频带中的其它装置或者由故意或无意的人为干扰所引起的。这样的干扰通常也降低网络中节点获得的通过量，并且在极端的情况下可能会致使网络不可使用。FCC施加于尚未得到许可的频带中的操作的规则被用于促进在同一区域中多个经营者和网络的共存。这些限制包括对任何发射机的总辐射功率的限制以及对天线增益的限制。另外，在尚未得到许可的频带中(扩频或OFDM)中指令的调制方案提供了某种程度的干扰拒绝(interference rejection)性能。可是实际上，这些规则是缓和而不是解决了在同一区域中多个网络的共存问题。在一个给定时刻正在发射的一个外部节点(不属于本网络的一个节点)可能会(取决于它的接近度以及辐射功率等等)干扰本网络内的数据传输。该外部节点实际上提高了本底噪声，从而降低了网络中接收机处的信噪比。另外一种可能的干扰是保留在本频带内的噪声源。多个网络在同一地理区域中的共存是一个重要的实际问题，随着多个经营者当前在尚未得到许可的频带中所进行的广泛的网络配置，该问题的重要性很可能会增加。
尚未得到许可的频带具有多个可供使用的信道(或者频带或者扩展序列或者跳频模式)。通过适当的信道选择，即使存在干扰源时网络运营者也能够实现有效的数据传输。更普遍地，在具有多个可用信道的任何多中继段无线通信***中，有效的信道化方案可能在更好的频谱效率(频率再用)和改良的干扰抑制方面导致显著增益。对于一个实施例，一个分布式的和动态的信道分配协议甚至在本地干扰或人为干扰存在时也被用来解决自干扰问题(三分之一问题)。
基本的假设是：有某些信道的设置使得在这些信道中任何一个上的传输不干扰(或者极小干扰)在任何其它信道上的同步传输——上述这些传输在同一地理区域中进行。一般来说，有一个平滑渐变(gradation)，其从互相强烈干扰的信道延伸到彼此几乎无影响的信道。这些非干扰信道的数目可能很大，因此可能有许多方式来选择每个链路上的信道分配，而使得在各个传输之间几乎没有干扰。此处的术语信道是指从一个最大的无干扰信道组中选择的一个或多个信道。对于一个实施例，用最少三个非干扰信道来确保消除上述的自干扰(三分之一问题)。
对于一个实施例，每个节点可以具有两个以上无线接口。例如，在2.4GHzISM频带中，有3个非重叠并因此无干扰的信道。如果此频带被使用，则一个装置可以具有三个无线接口，即3个半双工无线收发信机，每个收发信机使用三个可用非干扰信道中相异的一个信道。通过在第三信道上使用低功率传输，即可避免对于默认网关的上行传输的干扰。可替代地，在具有3个以上信道的***中，可以使用3个以上的收发信机。
如果一组信道分配满足这样两个条件：没有节点被分配相同信道对于上行链路和下行链路(条件E1)；以及没有节点被分配一个下行链路信道，而该信道被分配给它的默认网关用于其上行链路(条件E2)，则该组信道分配被称为是“有效的”。
例如，一个无效分配可以是这样一个分配：一个节点Z对于其上行链路及其下行链路具有相同的信道(信道1)。这种分配违反了关于有效的第一条件(E1)。这种无效导致节点Z不能同时发射和接收，因为发射和接收彼此干扰。无效分配的另一示例是：节点Z的下行链路信道与它的默认网关(节点X)的上行链路信道相同，不满足关于有效的第二条件(E2)。这种无效导致当节点Z进行下行传输而节点X进行上行传输时节点Z与节点X引起干扰。因为通常传输不是全方向性的，当节点Z进行下行链路传输时，其传输也到达节点X的上行链路而导致干扰。
依据这种定义，任何有效的信道分配都解决1/3问题。作为一个示例，早先在此专利申请中概述的信道分配方案导致一种有效分配。一般来说，对于***存在其它的有效分配，所有这些分配都解决1/3问题并且因此在无干扰条件下是等价的。可是，在干扰存在时，这些有效分配中的一个或多个分配可能优于其他分配。下文的目的是示范一个导致有效信道分配的协议，该有效信道分配在干扰存在时提供最大干扰拒绝。
以上建议的信道分配方案在其实施中具有某些自由度。对于一个实施例，该方案利用三个信道，实际上任意数目的信道都是可用的。此外，对于选择三个信道供使用的这种设置，在早先建议的***中实际上有6种分配信道的方法，而这6种分配通过三个选定信道的排列而不同。虽然这6种分配在无干扰源存在时在性能方面是等价的，但当存在的干扰可能是物理上处于本地并正在特定信道上发射时，6种分配的其中一种可能实际上优于其他分配。因此，理想的应该是按照能额外提供最大干扰抑制而导致最佳共存这样一种方式来分配信道。
上述分布式的协议导致一种有效信道分配，其解决1/3问题同时提供优良的干扰拒绝。对于存在干扰时在一个多中继段无线网络中的有效信道分配问题来说，有两个要素：(1)出自每一节点的上行链路和下行链路的“最佳”信道的识别，和(2)对上行链路和下行链路的这些信道的分配。
图10说明了节点的一个实施例。对于一个实施例，网络中的每个节点都具有一个软件代理(″信道管理器″)1010，它定期地在每一可用信道上与附近下行节点上的相应软件代理通信并且确定哪一信道对应最佳链路质量。在确定了最佳下行链路信道之后，信道管理器1010命令附近下行节点上的信道管理器切换到那个信道。
信道管理器1010包括一个注册分组构造器(constructor)1015，它构造要下行发送的注册分组。信道管理器1010还包括链路估计器1020和分配器1025，它们估计被测试的每个信道，并且分配最佳信道给下行链路。信道管理器1010可以由定时器1030周期性地触发。对于一个实施例，信道管理器1010还可以由低效检测器1035触发。低效检测器1035使用来自存储器1040的数据监视有效条件R1和R2。条件E1和E2应用于整体分配(通过所有节点和链路)，而条件R1和R2在始发下行信道发现协议(Downstream Channel Discovery Protocol)的节点处被本地应用。
因此，如果节点的向上信道、节点的向下信道或者节点的默认网关的向上信道之中任何两个信道完全相同时，则低效检测器1035即触发信道管理器发出该下行链路信道发现协议。
进一步示出的是收发信机1050，其具有所示的两个信道，每个信道具有它自己的滤波器。对于一个实施例，单个滤波器1065、1075可以被分配给每个收发信机，并且滤波器可以被调谐来为选定的适当信道条件进行滤波。对于另外一个实施例，滤波器1065、1075实际上可以由多个单独的滤波器组成。滤波器1065、1075可以对应被使用的每一信道而在适当的滤波器电路中进行切换。
节点还可以包括与每个收发信机相关的定向天线1080、1085。虽然两个定向天线1080、1085被说明为彼此紧邻，但是对于一个实施例，上述天线被分开一个最大距离以便限制干扰。
一个给定节点上的信道管理器1010周期性地或者响应于特定事件而发出一个下行链路信道发现协议。
图11是使用下行链路信道发现协议的信道分配的一个实施例的流程图。该流程从方框1110开始，此时在给定节点上的信道管理器在公共信道(用于发送路由信息以及其它控制信息的信道)上发送一个广播信息，表明它正在计划测试其下行链路。距该给定节点一个下行中继段的所有节点(即该给定节点是其默认网关的所有节点)用确认分组来响应这则消息，该确认分组表明它们准备参与该链路测试。距该给定节点不是一个下行中继段的所有节点则忽略该广播。
在方框1115，该给定节点或者说始发节点确定可以被用作其下行链路的所有信道。列出的每个信道都出自于最大的非干扰信道组，其中该非干扰信道未被用于该始发节点的上行链路(条件R1)，也未被用于该始发节点的默认网关的上行链路(条件R2)。
在方框1120，构成并发送预定分组。预定分组还可以包含有关信道正被用于给定节点的上行链路的信息。预定分组表明链路将在其上受到测试的信道的序列以及将执行测试的时刻。不需要所有节点上的时钟都同步。对于一个实施例，广播中的定时信息是距当前时间(currenttime)的一个相对偏移，如果时钟不同步，则在各个节点上的该相对偏移可以是不同的。
可以被用于此操作的一个预定分组的示例如图12所示。图12的预定分组可以被用于如图15所示的网络中。节点Z可以发送一个预定(Reservation)，向它的下行相邻节点表明它将在5秒内切换到信道11，继续保留在该信道5秒，然后切换到信道7，继续保留在那个信道5秒，最后切换到信道5并在此继续保留5秒。预定分组还指示在Z的上行链路上正使用的信道是信道1。注意：这些时间只是示范性的，可以使用其他定时。
在方框1125处，始发节点监控对预定分组作出响应而发送的确认。对于一个实施例，该预定分组被接收此分组的一个下行中继段处的所有节点所确认，同时被接收它的所有其他节点忽略。
在方框1130处，始发节点监视在选定信道上被其下行节点发送的分组。在预定分组中规定的每一时刻(或者时间偏移)，该给定节点以及已经同意参与链路测试的一个下行中继段处的所有节点将专用于此链路的接口切换到保留给该预定分组中这一时隙的信道。在切换到该规定信道之后，每一下行节点等待一个随机的小时间间隔，然后发送一个预先确定的固定数目的分组给始发节点的信道管理器。
在方框1135，始发节点估计由分组示出的链路质量。在一个实施例中，通过链路上的分组差错率估计链路质量。始发节点的信道管理器计数接收到的(未恶化的)分组总数，并且将它与发射总数进行比较。可以通过将恶化的和未恶化的分组相加来确定发射总数，并且基于对广播的最初确认的节点响应，还可以计算根本没有从中接收分组的节点。信道管理器使用此数据来确定该特定信道上的下行链路质量。在一个实施例中，链路质量可以基于一个通过量品质因数。始发节点的信道管理器测量为了发自下行相邻节点的数据传输而观测到的通过量，并且使用此数据来确定该特定信道上的下行链路质量。在一个实施例中，链路质量估算量是操作于该特定信道的链路上所观测到的信噪比。这个链路质量估算量列表是说明性的而不是穷尽性的，对本领域技术人员来说其它估算量显而易见。在一个实施例中，通过计入相应于该链路所接收到的未恶化分组数目，并将该数目与相应于这个链路的下行节点所发射的分组数目进行比较，所述信道管理器分别估计在每一链路包括其下行链路上的该特定信道的性能。
在方框1140，该流程确定在预定分组中规定的所有信道是否已经受到估计。如果还没有，则流程返回到方框1130监控下一信道。
在一个实施例中，在流程已经循环通过预定分组中规定的所有信道之后，在方框1145处，始发节点基于每一信道的链路质量统计值确定用于下行链路的“最佳”信道。在一个实施例中，用于下行链路的最佳信道的确定也可以基于已往在该信道观测到的链路质量。在一个实施例中，给定节点分别确定包括下行链路的每一链路的“最佳”信道。
在确定用于下行链路的最佳信道或信道组之后，在方框1150，始发节点的信道管理器广播一个分配分组来宣布其选择。处于一个下行中继段处的每一节点确认此分组并将其上行链路切换到该分配分组中规定的信道，而且从那时以后继续保留在这个信道上，直到下一轮链路测试为止。对于一个实施例，每个下行节点被分配同一信道。对于另一实施例，如果正在使用三个以上信道，则不同的下行节点可以接收不同的信道分配。因此，对于一个实施例，信道管理器可以向每个节点发送一个直接消息而非广播以分配其信道。
在方框1155，已经完成下行链路信道发现协议，本流程结束。
对于一个实施例，当一个节点最初加入该网络时它将发出下行链路信道发现协议。如果在任何时候分配到其下行链路的一个或多个信道不满足上述两个条件，即其下行链路信道不同于其上行链路信道且其下行链路信道不同于其默认网关的上行链路信道，它还将发出该协议。它还将周期性地发出该协议。对于一个实施例，用于发现下行链路信道的周期可能长至一天，即每天一次发出下行链路信道发现。对于另外一个实施例，发现下行链路信道的周期可以短至一小时。
通过在网络中的每个节点处运行下行链路信道发现协议而实现整个网络的信道分配。易于看出：通过在每个节点应用条件(R1)和(R2)，网络作为一个整体所实现的分配保证是有效率的(即满足条件(E1)和(E2))。
图13与14示出可能由运行此协议而导致的信道分配的两个示例。在一个实施例中，有多个信道被选择用于发自一个给定节点的下行链路，其中每一链路包括该下行链路被分配一个特定信道。图13说明可导致的一种信道分配的示例。图13中的始发节点被标记为Z 1310。节点Z 1310可以处于结构中的任意位置，但是如图所示，节点Z 1310有一些下行节点。应当指出，图13中的节点Z 1310在信道1、2和6上通信。节点Z 1310可以是有3个(或更多个)无线接口的一个无线装置。图13说明了节点Z 1310选择多个下行链路信道的情况。这样使节点Z 1310得以建立优选信道用于与其每个下行节点通信。
图14说明了一个替换实施例，其中单个信道被选择用于一个发自给定节点的下行链路，并且所有链路包括该下行链路分享此信道。在图13和14中，分配均满足条件(E1)和(E2)。因此，此方案提供一种分布式的机制，用于当存在干扰时在一个多中继段无线网络中实现有效的信道分配(可通过最低分组损失率度量)。
此方案具有完全分布式(基于本地可用信息做出所有判断)的优点以及具有低计算复杂性(所涉及的计算是在不同的可用信道上的简单分组差错率比较)或类似质量估计的优点。该方案对窄带干扰以及占用一个或多个***信道的干扰都敏感。
作为一个示例，假定***中的信道分配如图15所示，并且这组分配是按照上述协议执行最佳干扰拒绝的有效分配。现假定操作于信道1上的干扰1550在接近节点W 1510处出现，如图15所示。当干扰出现之前在时刻T1，信道的最佳分配是将信道1用于从节点W 1510到节点X1520、Y 1530和Z 1540的下行链路。当存在干扰时“最佳”分配是不同的，因为由于干扰1550接近所以信道1现在不可用。链路测试协议按照为它设置的周期而启用并且测试链路WX 1525、WY 1535和WZ 1545。链路测试协议将发现：由于链路质量因干扰而恶化，使得信道1成为次最佳的，并且使另一信道(在这里编号为信道2)成为更好的。
因此，在时刻T2，通过发送一个分配分组给各节点X 1520、Y 1530和Z 1540，各链路WX 1525、WY 1535、WZ 1545即被切换到信道2。虽然信道2是一种在节点X 1520处满足条件(R1)和(R2)的分配，但是它在节点Z 1540处不满足条件(R1)，因为节点Z 1540的下行链路信道也是信道2。因此节点Z必须发出下行链路信道发现协议以重新设定它对节点U 1560和V 1570的下行链路信道，因为它的上行链路节点已经被改变到信道2。这导致在T2之后短时间内的时刻T3将链路ZU 1565和ZV1575从信道2再分配到信道3。
作为另一示例，如图16所示，假定一个新节点T 1650在如图16所示的位置1650处加入网络。注意：新节点T 1650是在节点W 1610和X1620的范围内。当它链接到***中时，节点T 1650收到有关公共路由信道的消息并且获悉它的默认网关将被设置为W 1610。在一个实施例中，它还从路由消息中获悉与X 1620的数据通信将被引导到信道1上。节点T 1650然后将它的上行链路信道设置为1。为了配置其下行链路信道(如果它具有距离它处于一个下行中继段处的相邻节点的话，比如示出的节点Q 1680)，它将发出下行链路信道发现协议，如上所述。
对于一个实施例，可以使用下行链路信道发现的一个替换方案。如果在***中有N个非干扰信道可用，则一个装置可具有多达N个接口，每个接口固定工作于不同的信道上。在图17中说明的下行链路信道发现协议的实施例的操作导致每个链路的“最佳”信道分配。协议的这个实施例的操作与早先描述的操作之间的区别为：在链路测试阶段，每个节点基于预定分组的内容来切换接口而不是切换信道。例如，图17中的链路Z-U被分配给信道2。假定信道2对应于装置Z 1740上的接口I和装置U 1760上的接口III。节点Z 1740将它的下行链路连接设置到节点U 1760以便使用接口I，而节点U 1760则将其路由设置到Z 1740以便使用接口III。所述协议在以这种方式实现时，它除了是一种信道方案之外，也是一种接口选择(或路由)方案。
在前述的说明中，本发明已经参考其特定示范实施例得到了说明。但显而易见的是，可以不偏离在所附权利要求中阐明的本发明的主要精神和范围而对其进行各种修改和变化。因此，本说明书和附图被视为说明性的而不是限定性的。

Claims (30)

1.一种节点的信道分配方法，包括：
对于一个节点，分配第一信道给一上行链路；
对于一个节点，分配第二信道用于一下行链路；和
保持第一信道和第二信道不同于一个上行节点的上行链路信道。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个接口都为半双工。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述信道是频率信道。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述信道是扩频CDMA***中的不同扩展码。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述信道是所发射波形的不同极化。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述信道是由接收机中的智能天线或自适应天线阵所确定的不同空间特征标记。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
对于该节点，基于从该节点到另一个节点的中继段数来分配第一信道和第二信道。
8.如权利要求7所述的方法，其中有多个下行链路节点并且该多个下行链路节点使用多个下行链路信道。
9.如权利要求7所述的方法，其中从路由分组携带的信息中确定所述中继段数。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述路由信息在网络中是在***中所有可用信道或一些可用信道上传播的。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述路由信息在网络中是在一个专用信道上传播的。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述节点的上行链路信道由该节点的默认网关分配。
13.如权利要求12所述的方法，其中对于一个节点分配下行链路信道包括：
确定用于通信的多个可能信道；
发送一个预定分组来触发对所述多个可能信道中的每一个的测试；和
基于对所述预定分组的响应来确定一个最佳信道。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述测试包括：
每一下行节点发送多个分组给所述节点；和
估计具有最佳链路质量的一个信道。
15.如权利要求14所述的方法，其中通过所述链路上的通过量来估计链路质量。
16.如权利要求14所述的方法，其中通过测量所述链路上的分组差错率来估计链路质量。
17.如权利要求14所述的方法，其中通过所述链路上观测到的信噪比来估计链路质量。
18.如权利要求14所述的方法，其中通过所述链路上观测到的延迟来估计链路质量。
19.一种确定链路质量的方法，包括：
响应于一个预定分组，发送预定数目的分组给一个始发节点；和
在该始发节点，基于无差错接收的分组数目来推断一个分组差错率；和
基于该分组差错率，从该始发节点分配最佳质量信道给下行连接。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述最佳质量信道包括多个下行链路信道，并且对一个下行节点的每一下行连接使用所述多个下行链路信道的其中之一。
21.一种确定链路质量的方法，包括：
响应于一个预定分组，发送预定数目的分组给一个始发节点；和
在该始发节点，基于无差错接收的分组数目来推断一个通过率；
和
基于该通过率，从该始发节点分配最佳质量信道给下行连接。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述最佳质量信道包括多个下行链路信道，并且对一个下行节点的每一下行连接使用所述多个下行链路信道的其中之一。
23.如权利要求22所述的方法，其中周期性地并且是在发自一个给定节点的所有下行链路上以及在所有可用信道上执行所述确定，以便确定用于下行链路的信道或信道组的选择，为其获取最佳链路质量。
24.一种分配通信信道而在无线网状网中导致增强抗外部干扰能力的方法，该方法包括：
通过接收来自每一下行节点的多个分组来为多个信道中的每一个周期性地估计一个下行信道；和
基于链路质量选择多个信道中的最佳信道作为下行信道。
25.如权利要求24所述的方法，其中该方法导致***的这样一种信道分配：即，消除了相邻链路或下一相邻链路之间的干扰。
26.如权利要求24所述的方法，其中要在连接两个节点的链路上使用的所述通信信道被较小数目的中继段处的节点分配给接入点。
27.如权利要求24所述的方法，其中所有链路包括发自一个给定节点的下行链路均被分配给同一信道。
28.如权利要求24所述的方法，其中链路包括发自一个给定节点的下行链路可以被分配给不同的信道。
29.如权利要求24所述的方法，其中响应于干扰或人为干扰的存在，***的信道分配可以改变，该干扰或人为干扰在该***所使用的一个或多个信道上发射。
30.如权利要求24所述的方法，其中基于在每个链路上观测到的链路质量来推断干扰或人为干扰的存在。
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