TWI408921B - 操作一無線網路之方法 - Google Patents

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Description

操作一無線網路之方法
本發明關於用於運作一無線網路之一種方法，於該網路中至少某些裝置具有多重無線電協定的能力。本發明具有對個人區域無線網路或微網之特別但非單獨(exclusive)的應用，而該網路或微網具有取決於該應用之各種資料速率與訊息的需求。
裝置可藉其通訊之現代數位無線網路提供使用者許多優點，特別是在個人區域網路的區域，使用者可於其中使用關於身體之先進樣式的各種裝置。該網路傾向使用一單一無線電協定，其設計用於特殊應用空間/情境(scenario)。該協定的範例包括受限於端對端(peer-to-peer)或主從(master/slave)語音/資料個人區域網路之藍芽技術、及受於低功率低資料速率網路之極蜂。逐漸普遍的IEEE 802.11協定為另一範例，該協定有各種許多"口味"(flavours)(a、b、g)且被視為一通用區域網路(LAN)的取代。
藍芽協定版本1.1(可從藍芽特殊興趣團隊(Bluetooth Special Interest Group，BT-SiG取得)、於編寫時、將主從微網限定成每一主裝置只能有七個動作的從裝置。此外，該規範允許從裝置進入到該裝置於該通道(channel)不參與但仍為該微網一成員之一"駐留"(park)模式。然而，其仍需要從該微網主裝置接收同步或"信標"(beacon)訊號，以為了維持頻率跳躍(frequency hop)的同步化。於該駐留模式中， 一從裝置的基頻(baseband)基本上為在電力節省模式中睡眠(asleep)。
一藍芽主裝置無法命令一裝置進入該駐留模式，僅能請求其如此做。如果該請求被拒絕，則該主裝置可強迫該從裝置中斷該網路的連接。
因此，如果一裝置請求加入該一藍芽微網時，則某些現有裝置將必須停止參與該微網且進入一駐留模式以讓希望加入該網路的裝置能夠作用。或是，請求的裝置可設置其自有的微網路並將其設定為主裝置且該先前的微網之一現有從裝置可加入該後形成的微網，藉此形成一"散佈網"(scatternet)。
這些解決方案沒有一個是完全理想的，於前一個例子中至少一現有裝置將必須進入一駐留模式。如果，該裝置還有必須連續地或經常地供應給該主裝置的資料、其需要對該資料立即動作時，這可能是不佳的方式。於"散佈網"後者例子中，希望加入而將自己設定為一主裝置的裝置無法保存電力(僅從裝置可進入一駐留模式)並且橋接該兩微網的從裝置對該現有未從事的微網具有受限的存取。
此外，例如於醫療領域中存有一些應用情境，其中很大範圍的感知裝置(sensing device)可被使用，其中某些需要低資料速率且不頻繁的更新週期，且某些需要較大的資料速率(例如給一遠端醫生的語音報告或資料記錄)且近於連續更新週期。
對於現有藍芽微網之上述缺點需被減少之一單一網路因 此存有一需求。
根據本發明之一第一層面，提供一種運作無線微網的方法、裝置可根據一第一及一第二無線電協定以交換訊息來於其中運作而通訊，該方法包含監控關於根據該第一協定之訊息交易的參數、依據該被監控參數來選擇裝置、及切換用於由該被選擇裝置從該第一協定換成該第二協定之通訊的協定。
根據本發明第二層面，提供一無線電系統、裝置可於其中運作根據一第一與一第二無線電協定以交換訊息來於一微網中通訊，該系統包含用於監控有關根據該第一協定之訊息交易參數的裝置、用於依據該被監控參數來選擇裝置的設備、及用於將由該被選擇裝置通訊所使用協定從該第一協定切換到該第二協定之設備。
根據本發明第三層面，提供一無線電系統、裝置可於其中運作根據一第一與一第二無線電協定以交換訊息來於一微網中通訊，該裝置包含用於根據一第一與一第二無線電協定執行通訊指令之處理設備、一第一與第二基頻電路及至少一無線電以用於根據該第一或第二協定來編碼與調變訊息傳輸及接收、該裝置進一步包含處理設備其可運作來監控根據該第一協定有關訊息交易的參數、依據該被監控參數來選擇裝置、及將由該被選擇裝置通訊所使用協定從該第一協定切換到該第二協定。
由於本發明，參與一無線電系統/微網之裝置至少具有雙協定相容性。最好是，於該裝置記憶體中的應用程式及監 控碼讓其可監控與訊息交易相關的參數、根據該監控的結果來選擇一裝置(包括其自身)及改變被選擇裝置使用中的協定。
於一具體實施例中，於具有七個從裝置成員之基本上為藍芽主/從微網中，被監控參數可包含從一進一步的裝置接收加入該網路之請求，且其中由該被選擇裝置所使用的協定被改變為容納該進一步裝置。因此，於本具體實施例中，最好是該主裝置接收該請求，且請求其微網中具有雙協定能力之一現有成員裝置切換至該第二協定。最好是該第二協定為極蜂聯盟現正標準化的協定。因此，其中一從裝置從藍芽切換至極蜂，且該請求裝置被通知可加入該微網。
於其他具體實施例中，被監控參數可包含於一特定時間區間內由每裝置所傳輸的資料量以影響該選擇。因此使用藍芽之裝置可於一陣子之後將其自身切換至極蜂，如果其僅傳送小量資料(一些位元組或kb/s)且不需藍芽中所提供之較大頻寬。這讓如在一般極蜂中的能源節省被設計成提供具有低資料速率的可攜式或感知器裝置長電池壽命(數週/數月)。
較有利地，該裝置應用程式或協定堆疊包含裝置設定(profiles)，以讓雙協定裝置定義一預設(default)或偏好(preferred)的協定及裝置能力，且無論該裝置能在任一模式中運作。因此，可產生一混合藍芽/極蜂微網以讓裝置於此共同存在，且當被監控資料速率超過特定的預定定限(threshold)時，那些可切換至極蜂的裝置可被選擇來如此 做，或是如果當面臨干擾的無線電環境時，更強固的錯誤更正協定可被選擇來使用。
其他特性將揭示於現在讀者所導向之附加的申請專利範圍。
揭示一種使用具有至少一雙協定無線電裝置之無線電系統。該系統與裝置形成一微網(piconet)，如資料量或請求加入該微網等訊息交易參數(message transaction parameter)可於該網中監控(60)。一雙協定裝置接著根據該被監控參數來被挑選(或自選)，且該被挑選裝置將使用中的協定從一第一協定(如藍芽(Bluetooth)切換至一第二協定(如極蜂(Zigbee))。因此，可形成一有彈性的微網，其中關於資料連接及資料速率等各種需求可被容納於其中。
應注意到圖式僅為例示用途且被非拉到原有刻度。為了繪製的簡潔及方便性，這些圖式的部件的相對尺寸及比例在大小上顯示成誇大或縮小。相同的參照符號通常被用來提及於修改過與不同具體實施例中相對應或類似特性。
圖1為包含一主裝置10(M)及七個從裝置12(S1、S2、S3、S6、S7)、與進一步的從裝置14(S4、S5)之一無線電系統的圖示代表圖。該裝置12為單一協定，因此其配備一單一或第一無線電協定堆疊，且因此其僅使用該通訊協定來參與該微網。裝置S8為想要加入該微網的裝置，如稍後將說明。
該主裝置10及進一步的從裝置14(S4、S5)能夠使用一第 一或第二無線電協定來通訊，且其還能夠監控有關於該微網內之無線電訊息交易的各種參數、能在該微網中選擇一裝置且能根據該被監控參數來切換協定(其自有或請求另一裝置來切換，如當被選上時)。
圖1的系統/微網之一範例應用情境(scenario)可為例如做為參與緊急救難的醫護或緊急救援團隊之一行動健康監控系統。於該情境中，該主(M)裝置以一可攜式電腦(膝上電腦或個人數位助理(PDA))來具體實施並協調該從裝置(S1-S7)間的通訊。該從裝置可用給予該主裝置網際網路/醫院網路存取之一行動電話來具體實施，一無線耳機以從由具體實施成各種健康監控感知器(如溫度、ECG、氧氣準位、脈搏監視器)的無線從裝置接收感知器資料之遠端醫生中繼語音指示。
於該應用情境中，需支援各種型態的資料(語音、感知讀數)、及各種資料速率(語音/ECG之大而非同步的資料串流、或許是溫度、脈衝之小卻不頻繁的資料速率)。
因此，具有合適於語音特性之數位無線電標準無法完整合適用於需要不頻繁或低資料速率連接之應用，特別是在像是先前說明許多以電池為電力的感知器可被要求來應用、及建立被要求來對一未特定時間區間的一短距離(1-10 m)微網之應用情境。無線電裝置10、14可運作成根據多於一無線電協定來通訊、由無線電訊息交易的監控及或許其它服務品質(quality of service)參數來決定之該裝置所使用的協定對於該需求應用情境係為所想要的。
圖2為合適具體實施該本發明之雙協定裝置的區塊圖，且在圖1微網中於主裝置10及進一步從裝置14(S4、S5)使用。該裝置包含具有一普通無線電頻率前端(front end)20a(CRF、以2.4 GHz的ISM頻帶來運作)之一無線部件20及一可切換通道過濾器(switchable channel filter，SCF)20b。該無線電部件20連接至一第一基頻電路22(BB.BT)與一第二基頻電路24(BB.ZB)。使用中的基頻係由電晶體切換電路26來選擇，於P1位置選擇基頻22且於P2位置選擇基頻24。處理模組28包含儲存協定監控軟體碼(monitoring software code，PMC)30的記憶體32。該模組28以在機板上(如圖中所示)的微處理器34來提供或以一鏈路到該無線電所裝設之該可攜裝置/感知器的主微處理器。
該模組28還儲存一第一及第二無線電協定堆疊31(STK)的軟體定義層。數位無線電協定通常被描述成功能層(functional layer)的堆疊，某些係以矽/電路佈局(layout)來實現(該基頻有效地作用成實體層(physical，PHY)及媒體存取控制(medium access control，MAC)層的部分)，及某些(較上層)被具體實施成軟體碼。該切換電路26連接到基頻22、24且選擇運作的基頻以回應由模組28在資料線27及控制線29上的訊號輸出。
於本具體實施例中，已知的藍芽無線電協定V1.1於模組28與基頻22中提供，已知為極蜂的無線電協定由基頻24與模組28提供。
圖3及圖4分別根據藍芽及極蜂來例示無線電協定堆疊。
圖3顯示該藍芽堆疊40。該堆疊包含該矽具體實施層RF(無線電頻率)41、基頻(BB)42層、鏈路控制(link control，LC)43及鏈路管理器(link manager，LM)44層、及一主控制介面(host control interface，HCI)45。該協定的這部分通常被提供成一模組，例如是飛利浦(Philips)TrueBlue模組BGB201。
於該模組被整合的裝置(主設備)(如行動電話、膝上電腦、ECG監控器/感知器)中以上階應用特定層(upper application specific layer)46(電話控制協定TCP、RFCOMM-序列埠、傳真Fx、語音V、使用者介面UI等等)來提供。因此於圖2中，該處理模組28進一步代表具有儲存該主層及其他應用程式碼的記憶體之主裝置。
圖4例示如先所述於圖2裝置中所提供之第二無線電協定堆疊。於本具體實施例中，已知為極蜂(www.zigbee.com)之低功率、低資料速率、直接展頻序列標準(direct spread spectrum sequencing standard)於此例示。極蜂意圖用於監控及感知應用且因此比藍芽具有較簡單的協定堆疊，從圖中係為明顯的。該堆疊50包含較低階的無線電層52(實體(PHY)及媒體存取控制(MAC))、一較上階的網路層(NWK)54及一應用程式碼(application cdoe，AC)包含層56。
因此，該堆疊40、50的軟體及硬體(基頻22、24，無線電20)的供應提供了該裝置10(M)及具有雙無線電協定相容性的進一步裝置14(S4、S5)。還於每個裝置10、14中所提供的為用於監控之軟體模組(PMC)30、選擇並切換由該裝置 10、14所使用的協定。該碼30基本上經由資料饋入(data feeds)27來監控且經由控制線29來控制由該裝置所使用的協定。圖1微網的運作現將參考圖5來說明。
範例1---裝置S8想要加入圖1的微網
包含該裝置(M)與裝置S1到S7的微網被建立成藍芽微網，使用熟悉藍芽微網技藝的那些人士所已知的頻率跳躍設計於2.4 GHz運作。假設現在一進一步裝置S8發出一請求以加入主或鏈路控制裝置10的微網。該主裝置10的堆疊40處理包含該請求的進向(incoming)無線電訊息、除去層特定資料直到代表該請求的酬載(payload)資料被傳送給主裝置10的網路層碼及軟體模組30(PMC)。該PMC碼30的動作如圖5中所例示。
於PMC碼30的控制下，該裝置10監控(MON-步驟60)於該數位無線電訊息酬載部份中的所接收資料，並決定該資料為加入的請求，且該藍芽微網以七個動作中的藍芽裝置(S1-S7)為全滿。該裝置10於步驟62(SEL)選擇改變協定的裝置。該主裝置諮詢其微網資訊(於記憶體32中以包含微網裝置識別器的組態資料來儲存)來決定裝置S4為一雙協定裝置並發行一訊息給S4以要求其將協定從藍芽切換成極蜂。
裝置S4的處理器34接收該請求，發出一確認訊息、離開該藍芽微網、且其使用中的協定於步驟54(SWT)切換。這由處理器34來達成，於PMC碼32的指示下來動作、引發該切換電晶體電路26從功能位置P1切換至位置P2以選擇基頻24(BB.ZB)來使用。該主裝置10接著發出一註冊(registration) 確認訊息給該請求裝置S8，且註冊方式如藍芽規範第十章中所說明。
該主裝置接著使用基頻24及堆疊50來對裝置S4來服務成極蜂裝置。使用極蜂協定來形成的訊息使用2.4 GHz的直接序列展頻(以基頻電路24來實作)技術來傳輸。因此，與用來在2.4 GHz頻率上編碼藍芽訊息的藍芽頻率跳躍設計會有些干擾。
因此，極蜂裝置無線電傾向對小量資料(極蜂中最短的訊息長度僅包含11個資料位元組)於短時間期間內傳輸的頻道上來動作。因此，藍芽/極蜂傳輸封包碰撞的機率會減低。並且，該極蜂協定使用載體感知多重存取(carrier sense multiple access)設計，由此極蜂無線電可當在該頻道上感知干擾或雜訊時延遲傳輸直至該頻道為清空時。因此，作用成極蜂從裝置的裝置能被延遲訊息的傳輸，同時藍芽裝置可進行傳輸，進一步減低可能的干擾。
圖1的微網現包含一主裝置(M)10、七個藍芽從裝置(S1-S7)且該裝置S4根據該極蜂協定於2.4 GHz上與該主裝置10通訊。
範例2---從裝置S4監控並啟動自身來做協定的切換
於本範例中，該微網M、S1-S7被初使成一藍芽微網。該從裝置S4及S5如先前所述為有雙協定，則自己能監控所除輸的資料量。例如，置入到脈搏感知器中的裝置S4 PMC碼快速決定其僅每秒傳送數十位元組。
例如，該脈搏轉換器(transducer)MLT 1010(置入 AdInstruments的手指感知器中)使用範圍為每秒40-400樣本的取樣速率。於監控步驟60中，該PMC碼將其與該碼中所提供的每秒1000個樣本的定限相比，決定所傳送的資料量少於該定限，且於步驟62則將自身選擇為協定更改。如先前所為，其傳送一去註冊(deregistration)訊息(於藍芽中為"DETACH"命令)給該主裝置10，經由電晶體電路26切換至該極蜂基頻24及協定50，且接著根據該極蜂協定執行感知該脈搏並將脈搏資料傳送給該主裝置10。
最好是，該主裝置10運作參考訊號週期信標的極蜂模式，於信標信號間，一從裝置睡眠藉以節省電力。於該"睡眠"狀態中，置入到該從裝置微控制器的計時器下數到該次個合適時間來喚醒(即當來自該主裝置之信標信號將到臨時)。
或是，該主裝置10可監控服務品質的參數、像是位元錯誤數及其與該從裝置S4間所需之重傳等。如果該錯誤數很大時，則該主裝置可請求該裝置S4將協定從極蜂切換回藍芽。這為有利的，因為藍芽使用一正向錯誤更正設計，其應導致比極蜂所使用的簡易錯誤偵測及重傳設計較少之訊息重傳請求。
此外，當首先與該主裝置註冊時，一裝置(S1-S8)可從一儲存的裝置設定供應其自己預定裝置需求。例如，該藍芽免持(hands-free)設定規範定義最小集合的功能，因而一行動電話可與一免持裝置以一提供兩者間語音/資料的藍芽鏈路一同使用。
於仍另一具體實施例中，該監控透露兩裝置(例如S4、S5)為協定切換的候選、該主裝置可根據每個裝置所使用的資料量(或頻寬)決定哪個裝置請求切換，比較於該被儲存裝置設定中的裝置需求並選擇合適的裝置。例如，當與如先前所述量測脈搏資料的另一裝置相較，使用一語音頻道的裝置(S5)雖然能切換但可能不會被要求切換。
以上，已說明一無線電系統，其使用至少一雙協定無線電裝置。該系統與裝置形成微網，如資料量或請求加入該微網的訊息交易參數於此被監控。根據該被監控的參數，一雙協定裝置被選擇(或自己選擇)，且該被選擇的裝置接著將其所使用的協定從一第一協定(如藍芽)切換到一第二協定(如極蜂)。因此，可達成一有彈性的微網，其中關於資料連接與資料速率等各種需求可被容納。
於上述具體實施例說明使用藍芽與極蜂無線電協定、執行該運作方法的內嵌軟體碼之系統時，熟悉本技藝人士將認知到其他協定、如IEEE 802.11或超廣頻(ultra wideband，UWB)也能使用。並且，包含該協定監控碼的軟體及程式碼可被具體實施在一實體載體(physical carrier)以包含在一裝置內，或具體實施成在一訊號中以在稍後的日子下載到一主裝置。該實體載體可包括內嵌的非依電性(non-volatile)記憶體(像是在微控制器mc8051系列中所提供)及其他碼載體、像是安全數位卡(Secure Digital，SD卡)，其讓程式碼能引入及安裝到該主裝置中。
從閱讀本揭示，對於熟悉本技藝人士其它修改將為明顯 的。該修改能涉及無線電系統、裝置、及組件零件的設計、製造、使用中所已知的特性，且其能取代使用或外加於此處所說明的特性而不遠離本發明的精神與範圍。
10‧‧‧主裝置
12、14‧‧‧從裝置
20‧‧‧無線電
20a‧‧‧普通無線電頻率前端
20b‧‧‧可切換通道過濾器
22、24‧‧‧基頻
26‧‧‧電晶體切換電路
27‧‧‧資料線
28‧‧‧處理模組
29‧‧‧控制線
30‧‧‧監控軟體碼
31‧‧‧無線電協定堆疊
32‧‧‧記憶體
34‧‧‧微處理器
40‧‧‧藍芽堆疊
41‧‧‧矽具體實施層RF
42‧‧‧基頻
43‧‧‧鏈路控制
44‧‧‧鏈路管理器
45‧‧‧主控制介面
46‧‧‧上階應用特定層
50‧‧‧極蜂堆疊
52‧‧‧無線電層
54‧‧‧網路層
56‧‧‧應用程式碼包含層
60‧‧‧監控
62‧‧‧選擇
64‧‧‧切換
本發明的具體實施例現將說明，僅藉由範例，且參照所伴隨圖示，其中：圖1為一微網的圖示代表圖，圖2為雙協定裝置的區塊圖，圖3為一第一協定堆疊的圖式，圖4為一第二協定堆疊的圖式，圖5為例示一種運作該微網之方法步驟的流程圖。
60‧‧‧監控
62‧‧‧選擇
64‧‧‧切換

Claims (16)

  1. 一種用於運作一無線微網(wireless piconet)之方法，複數個無線電裝置(10、14)可於其中運作成根據一第一(40)及一第二(50)無線電協定以交換訊息來通訊，該方法包含以下步驟：根據該第一無線電協定(40)監控與訊息交易(message transactions)有關的參數，依據該被監控之參數選擇一無線電裝置(10、14)，及將由該被選擇之無線電裝置通訊所用的無線電協定從該第一無線電協定(40)切換至該第二無線電協定(50)。
  2. 如請求項1之方法，其中該監控參數之步驟包含根據該第二無線電協定(50)從另一無線電裝置(S8)接收一請求以加入該微網，且其中由該被選擇之無線電裝置(S4)所使用的無線電協定從該第一無線電協定(40)切換至該第二無線電協定(50)以容納(accommodate)該另一無線電裝置(S8)的註冊請求。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該被監控之參數包含由每個無線電裝置於一特定時間區間內所傳輸的資料量以影響該選擇。
  4. 如請求項3之方法，其中當未參與訊息交易時，該第二無線電協定(50)包含由一無線電裝置(S4)所使用的一電力節省模式，且其中一無線電裝置根據該被監控資料數量低於一預定定限(threshold)而被選擇來切換至該無線電協定。
  5. 如請求項1之方法，其中該選擇一無線電裝置來切換進一步根據儲存在一無線電裝置設定中的裝置需求(device requirements)。
  6. 如請求項1之方法，其中該無線微網具有一主從拓樸(master-slave topology)，且其中該監控及用於切換步驟的選擇由該無線微網的主(master)無線電裝置來執行。
  7. 如請求項1之方法，其中該第一無線電協定為藍芽且該第二無線電協定為極蜂(ZigBee)。
  8. 如請求項1之方法，其中該被監控之參數包含服務品質參數且其中由該至少一被選擇之無線電裝置(S4)所使用無線電協定的該切換包含從該第二無線電協定(50)切換至該第一無線電協定(40)。
  9. 一種無線電系統，複數個無線電裝置可於其中運作成根據一第一(40)及一第二(50)無線電協定在一微網中以交換訊息來通訊，該系統包含：一監控裝置(28)，以根據該第一無線電協定監控與訊息交易有關的參數，一選擇裝置(30、34)，以依據該被監控之參數選擇一無線電裝置(14)，及一切換裝置(26、27、29)，將由被選擇之該無線電裝置(14)通訊所用的無線電協定從該第一無線電協定切換至該第二無線電協定。
  10. 一種用於一無線電系統之無線電裝置(10、14)，其中複數個無線電裝置可於其中運作成根據一第一(40)及一第二 (50)無線電協定在一微網中以交換訊息來通訊，該無線電裝置包含用於根據該第一與該第二無線電協定執行通訊指示之處理設備(34)、一第一(22)與第二(24)基頻電路及至少一無線電(20)以用於根據該第一或第二無線電協定來編碼與調變訊息之傳輸及接收、該無線電裝置進一步包含處理設備(34、30)其可運作來根據該第一無線電協定(40)監控與訊息交易相關的參數，依據該被監控之參數來選擇一無線電裝置(14)，及將由該被選擇之無線電裝置通訊所使用之無線電協定從該第一無線電協定切換到該第二無線電協定。
  11. 如請求項10之無線電裝置，其中該無線電裝置進一步包含一切換電路(26)，其受到該處理設備(34)的控制，於該第一(22)及第二(24)基頻電路間選擇以將用於通訊之無線電協定從該第一無線電協定切換至該第二無線電協定。
  12. 如請求項10或11之無線電裝置，其中根據該第一無線電協定(40)之用於傳輸的編碼訊息調變設計(modulation scheme for encoding messages)不同於根據該第二無線電協定(50)之用於傳輸的編碼訊息調變設計。
  13. 如請求項12之無線電裝置，其中該第一無線電協定之該第一調變設計係基於頻率跳躍技術，且該第二無線電協定之該第二調變設計係根據一直接序列展頻技術。
  14. 一種包含程式指令之協定監控電腦程式(PMC)，當該程式 指令由一無線電裝置處理設備執行時，致使該裝置以如請求項1之方法來運作。
  15. 一種攜載包含程式指令的協定監控電腦程式之載體，當該程式指令由一無線電裝置處理設備執行時，致使該裝置以如請求項1之方法來運作。
  16. 如請求項15之載體，該載體包含一處理設備的一非揮發性記憶體區域(32)。
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