CN1277379C

CN1277379C - 基于关联的无线局域网通信系统及通信方法

Info

Publication number: CN1277379C
Application number: CN 03131261
Authority: CN
Inventors: 郭大伟; 孙国滨
Original assignee: Lenovo Beijing Ltd
Current assignee: Lenovo Beijing Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: CN1549530A

Abstract

一种基于关联的无线局域网通信系统及其通信方法，该系统至少包括：基于IEEE 802.11a/b/g标准的AP和一个以上的STA，该STA通过所述的双频AP进行互联并接入Internet；其AP可同时工作在2.4GHz和5GHz频段，用于提供给STA 802.11a、802.11b、802.11g无线服务；该局域网关联系统可以接入802.11b、802.11g、802.11a的STA，并可使不同标准的终端之间相互通信；同时，该系统还可根据不同的网络情况选择最合适的方式进行通信。

Description

基于关联的无线局域网通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及一种无线局域网系统及其通信方法，尤其是一种基于电器和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，简称IEEE)802.11系列无线局域网标准的相互关联的无线通信系统及通信方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着无线局域网的日益普及，IEEE已经推出了802.11b和802.11a技术，同时802.11g也即将推出。其中，802.11b传输速率最高可达到11Mbps，频段则采用2.4GHz免申请频段。IEEE 802.11a选择具有能有效降低多重路径衰减与有效使用频率的正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionModulation，简称OFDM)调制方式，并选择干扰较少的5GHz频段，传输速率高达54Mbps；802.11g以OFDM为调变技术，传输速率高达54Mbps，同时802.11g可向下与802.11b兼容。

上述的三个协议中，802.11b较早投入应用，目前市场普及率相对较大，但其传输速率和可用频段都受到一定的限制；由于工作在5GHz频段，802.11a的传输速率和可用频段都优于802.11b/g，但也由于工作在高频区域，其传输衰减将比工作在低频区域的802.11b/g要大的多；由于采用与802.11a相同的OFDM调制方式，802.11g也可具有高传输速率，而由于工作在2.4GHz频段，其可与802.11b相互兼容且传输损耗较5GHz要低，但也由于与802.11b工作在同一频段内，802.11g相对的协议开销将会较大，在一定程度上影响其传输速率。

目前，即将推出的802.11g规定了与802.11b协调工作的相关协议，但并未说明如何使802.11a与802.11b/g实现互联。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于关联的无线局域网通信系统，该系统可使在网络中不同模式(802.11b或802.11a或802.11g)的无线移动终端(Station，简称STA)彼此互联，还可以通过双频无线接入点(AccessPoint，简称AP)同时接入Internet。

本发明的另一目的在于提供一种基于关联的无线局域网通信系统，其根据网络的不同环境使具有双频三模的802.11a/b/g的STA自动选择最优的协议制式进行通信，从而增加系统的用户容量，并使频谱资源得到更有效的利用。

本发明的目的是这样实现的：

一种相互关联的无线局域网络系统，包括双频三模接入点AP、单模STA(可为802.11a或802.11g或802.11g)，还可包括三模(802.11a/b/g)STA；双频三模AP工作在两个802.11系列协议规定的工作频段上(2.4GHz和5GHz)，用于为单模STA提供无线接入；该无线接入不仅包含不同模式的单模卡通过AP接入Internet网，同时还包括不同模式的单模卡彼此之间的互通互连。

单模STA用于提供用户按着固定模式接入网络的功能；同时还与AP配合实现不同模式STA间彼此互联；

不同模式同时接入网络及相互通信是这样实现的：双频三模AP工作在两个802.11系列协议规定的通信频段上，当一个单模STA需要与具有与其不同模式的STA进行通信时，按照如下工作流程操作：

工作在某一单模状态下的第一STA进行探测，如果在该频段的网络空闲，即该STA向AP发送请求发送(Request To Send，简称RTS)信号，AP向第一STA应答允许发送(Clear To Send，CTS)信号，则该第一STA将传输数据帧给AP；AP接收后将检测该接收帧，如果该接收帧是传递给另一单模状态的第二STA时，则AP将检测第二STA所处模式网络是否空闲；如果这时网络忙，则AP将丢弃该帧，不予应答；如果AP检测到第二STA所处网络空闲，则将接收帧进行重新组装、变频、调制，并转发给第二STA，第二STA如接收到该帧，则立刻反馈一个收到数据反馈(Acknowl edgment，简称ACK)信号，告知AP其接收完毕；如AP接收到第二STA反馈的ACK，则将反馈一个第一STA所处模式的ACK给第一STA，如果在一定规定的时间内第一STA未接收到由AP转发的ACK，则第一STA认为该帧传输失败。

当有双频三模的STA存在于该关联网络中时，AP还可通过检测不同的网络特性使其实时选择最优的协议模式进行网络接入。具体的过程如下：当一个双频三模STA3开机以后，其通过两个频段扫描网络；当AP检测到该STA发射的双频信号后，则确定该STA为双频三模终端，并判断网络情况，指示该STA选择最优的网络模式接入。当该STA接入以后，则通过其射频模块按照一定的规则扫描当前网络情况，AP则通过接收该STA的扫描信号来实时检测其所处的网络情况，如果检测结果符合一定的切换策略，则指示该STA切换到切换策略所规定的更优网络模式中。

本发明可使在网络中不同模式(802.11b或802.11a或802.11g)的STA彼此互联，还可以通过双频AP同时接入Internet；同时，本发明可以根据网络的不同环境使具有双频三模的802.11a/b/g的STA自动选择最优的协议制式进行通信，从而增加了系统的用户容量，并使频谱资源得到更有效的利用。

附图说明

图1为本发明系统构成的示意图；

图2为两个不同模式的单模卡在本系统中互联的时序图；

图3为本发明一实施例中单模STA之间通信时的工作流程图；

图4为图3实施例中单模STA通信时AP端的工作流程图；

图5为本发明IEEE 802.11a/b/g三模式卡在关联网络中的切换流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明：

参见图1，本发明的系统由基于IEEE 802.11a/b/g标准的双频三模AP10和单模STA21、单模STA22和双频三模STA23，其中，STA21、STA22、STA23通过双频三模AP10进行互联并接入Internet。当不同模式的单模STA21、单模STA22在互联时，其传输速率由双频三模AP10进行协商。而且当不同模式的STA21、单模STA22在互联时，AP10将记录并协调通信双方的传输速率，并在AP10端设置数据缓冲区。当双频三模STA23与其他双频三模STA或单模STA彼此互联时，双频三模STA23与双频三模AP10配合，并根据不同的网络环境以最优的模式接入网络，或者在网络环境发生变化时进行模式切换。在模式切换前后的速率不同时，所述的双频三模AP10对由于速率不匹配而产生的数据进行保护。其中，遮挡物K将该双频三模AP10所覆盖的区域分为区域A和遮挡区B。而且当模式切换前后的速率不同时，在AP10端设置数据缓冲区，将由于速率不匹配而产生的未及时发送的数据暂存起来，并在STA调整速率后发送到该STA。

参见图2，图中的说明以帧为单位。由于本系统中的设备均使用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，冲突避免载波监测多址接入)方式，属于随机竞争类多址接入方式，在IEEE 802.11MAC协议中定义为DCF(Distributed Coordination Function，分布式协调功能)，本系统中的所有通信端都具有DCF，这样将时间的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个STA发送数据。帧与帧之间的空间为帧间隔(InterFrame Space，简称IFS)，包括短帧间隔(Short InterFrameSpace，简称SIFS)，以及分布式协调功能帧间隔(DCF InterFrame Space，简称DIFS)；各个IFS与STA的传输速率无关，由STA的物理参数决定。工作在某一单模状态下的STA1在无线环境中进行探测，即发送DIFS帧，如果在该频段的网络空闲，则STA1向双频三模AP发送RTS信号，经过一个SIFS帧的间隔，双频三模AP向STA1应答CTS信号后，STA1向双频三模AP传输数据帧；双频三模AP接收STA1发送的数据帧后，并且当该数据帧是传递给处于另一单模状态的STA2时，则双频三模AP检测STA2所处模式的网络是否空闲，即发送RTS帧，如果STA2所处的网络忙，则双频三模AP丢弃该数据帧，不予应答；否则，双频三模AP将数据帧进行重新组装、变频、调制，并转发给STA2；STA2如接收到该数据帧后，则反馈给双频三模AP一个ACK信号，告知接收完毕；双频三模AP接收到STA2反馈的ACK信号后，向STA1反馈一个ACK信号。

参见图1、3和4，以单模式IEEE 802.11g与单模式IEEE 802.11a的联合网络为例说明不同模式之间的终端通过上述的网络系统相互通信的过程：

在上述的关联网络中，IEEE 802.11g的STA21传递数据给IEEE 802.11a的STA22：

对该关联网络而言，当STA21准备与IEEE 802.11a的STA22进行通信时，STA21将探测网络信道，当探测到在IEEE 802.11g的网络空闲时，STA21将发送RTS信号给AP10，AP10在接收到来自STA21的RTS信号后，将应答一个CTS信号，STA21在短帧间隔(SIFS)时间内收到AP10的CTS信号后将发送数据帧DATA；与此同时，AP10立即搜索当前IEEE 802.11a模式网络环境，如果AP10探测到网络忙，则AP10丢弃STA21发送的数据帧；如果检测目前IEEE 802.11a网络空闲(即接收到STA22的CTS信号)，则将STA21的数据帧以IEEE 802.11a的帧格式传递给STA22，其数据帧的转换过程如下：AP将发送数据的STA所发送的IEEE 802.11格式数据帧(这里是IEEE 802.11g)转换为接收数据的STA相应的IEEE 802.11格式数据帧(这里是IEEE 802.11a)。如果STA22接收到该帧，则STA22将反馈一个ACK信号给AP10；AP10在接收到STA22的ACK信号后，将立即发送一个IEEE 802.11g的ACK信号给STA21；如果STA22在一定时间内没有反馈一个ACK信号给AP10，则AP10认为STA22接收失败，AP10将不再给STA21发送ACK信号。

双频三模STA通过双频三模AP进行通信时，其工作流程如下：

步骤20：双频三模STA通过两个频段扫描网络；

步骤21：当双频三模AP检测到该双频三模STA发射的双频信号后，检测其网络中IEEE 802.11a/b/g三种网络资源的使用情况，该双频三模STA选择最优的网络模式接入；

步骤22：当该双频三模STA接入以后，通过其射频模块按照预定的规则扫描当前网络情况，

步骤23：双频三模AP则通过接收该STA的扫描信号实时检测其所处的网络情况；

步骤24：如果双频三模AP检测的结果符合预定的切换策略，则该双频三模AP指示该双频三模STA切换到所述切换策略所规定的网络模式中。

所述的切换策略是：仅在当前模式信号不可用或当前模式容量已满负荷时才进行切换，或者在现有网络环境下当前模式的信号或传输速率非最优时切换

参见图1、5，当一个具有IEEE 802.11a/b/g的双频三模STA23接入网络后，其将轮流通过2.4G和5GHz的频段对网络进行扫描，当网络AP10接收到该双频三模STA23的信号后，确认其为一个双频三模STA，AP10通过检测其所处的当前的网络情况，并根据相应的切换策略使其接入相对较优的网络；在接入网络以后，AP10将按照一定的检测策略对其信号进行检测，当被检测的信号到达切换策略规定的一定门限值时，AP10将通知该双频三模STA23切换到切换策略规定的更优的模式网络中。

上述的扫描和检测方式至少可有以下三种：

(1)终端始终保持对不同协议模式的信号检测，实时地检测可能存在的不同模式网络环境，并不断反馈给AP切换管理机制；

(2)终端始终保持支持现有所处模式网络的检测，而对其他模式网络定期或通过一些特定算法(如：以现有网络信号强度为函数的变步长检测方法)不定期地启动相应射频实体对候选网络进行检测；

(3)终端始终保持支持现有所处模式网络的射频实体始终处于工作状态，而对其他模式网络不做扫描检测，而只有当现有网络不可用时才对其他网络进行检测。

上述的切换策略可根据网络实现者的不同情况进行选择，例如：

(1)优先级网络切换策略；即只要发现有优先级高的网络存在，就切换到该网络中，不论现有网络是否可用；用户可以根据需要自行定义无线网络的优先级别，如信号强度、传输速率、吞吐量等；

(2)仅在当前使用的模式网络信号不存在时，切换到其他模式网络；该切换策略是指当且仅当终端现处模式网络不可用时才进行切换，如现处网络可用，则即使存在高优先级网络也不进行切换。

以一个具体实例说明其具体实施过程：

在本实例中，可以选取如下的检测策略：使终端始终保持支持现有所处模式网络的检测，而对其他模式网络定期或通过一些特定算法(例如现有网络信号强度为函数的变步长检测方法)不定期的启动相应射频实体对候选网络进行检测；也可以选用优先级网络切换策略，即：只要发现有优先级高的网络存在，就切换到相应的网络中，不论现有网络是否可用；所述的优先级别可以由用户根据需要自行定义，本实施例中的优先级以传输速率为基础确定。当双频三模STA23接入网络时，其将轮流在2.4GHz和5GHz进行网络检测，AP10在接收到STA23的信号后，确定该STA23为双频三模STA，通过对2.4G和5GHz进行比较，如果发现5GHz的频段的信号强度和传输速率优于2.4GHz频段的信号强度和传输速率，则选用相对较好的IEEE 802.11a模式进行接入；在接入以后，AP10将根据所获得的双频三模STA23的信号强度和传输速率执行检测策略，即如果双频三模STA23的5GHz强度很强传输速率较快，则要求该双频三模STA23检测2.4GHz的时间间隔要长，而当双频三模STA23远离AP10或进入遮挡区B的时候，则AP10将指示STA23缩短检测2.4GHz的时间间隔，而当检测到5GHz的信号较2.4G信号弱，且其IEEE 802.11a的传输速率低于IEEE802.11g传输速率的时候，AP10将指示双频三模STA23切换到2.4G的IEEE802.11g的模式下运行，从而实现切换。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种基于关联的无线局域网通信系统，其特征在于：该系统至少包括：基于IEEE 802.11a/b/g标准的双频三模AP和一个以上的STA，该STA通过所述的双频AP进行互联并接入Internet；所述的STA为单模STA或双频三模STA；所述的双频三模STA彼此互联时，双频三模STA与AP配合，并根据不同的网络环境在保证接入信号质量的情况下，以最高的接入速率接入网络，或者在网络环境发生变化时进行模式切换。

2、根据权利要求1所述的基于关联的无线局域网通信系统，其特征在于：当不同模式的单模STA在互联时，AP将记录并协调通信双方的传输速率，并在AP端设置数据缓冲区。

3、根据权利要求1所述的基于关联的无线局域网通信系统，其特征在于：当模式切换前后的速率不同时，在AP端设置数据缓冲区，将由于速率不匹配而产生的未及时发送的数据暂存起来，并在STA调整速率后发送到该STA。

4、一种基于关联的无线局域网通信方法，其特征在于：一个以上基于IEEE 802.11a/b/g标准的STA通过双频三模AP进行通信实现互联并接入Internet；所述的STA为单模STA或双频三模STA；所述的双频三模STA通过双频三模AP进行通信时，其工作流程如下：

步骤20：双频三模STA通过两个频段扫描网络；

5、根据权利要求4所述的基于关联的无线局域网通信方法，其特征在于：当不同模式单模STA之间通过双频三模AP进行通信时，其工作流程如下：

步骤10：工作在某一单模状态下的第一STA在无线环境中进行探测；

步骤11：如果在该频段的网络空闲，则该第一STA向双频三模AP发送RTS信号；

步骤12：该双频三模AP向第一STA应答CTS信号后，该第一STA向双频三模AP传输数据帧；

步骤13：该双频三模AP接收第一STA发送的数据帧后，并且当该数据帧是传递给处于另一单模状态的第二STA时，则该双频三模AP检测该第二STA所处模式网络是否空闲；

步骤14：如果第二STA所处的网络忙，则该双频三模AP丢弃该数据帧，不予应答；否则，该双频三模AP将接收到的第一STA使用的相应IEEE 802.11数据转换成第二STA使用的相应IEEE 802.11数据，并转发给第二STA

步骤15：第二STA如接收到该数据帧后，则反馈给该双频三模AP一个ACK信号，告知接收完毕；

步骤16：该双频三模AP接收到第二STA反馈的ACK信号后，向第一STA反馈一个ACK信号。

6、根据权利要求5所述的基于关联的无线局域网通信方法，其特征在于：所述的步骤16之后还进一步包括：

步骤17：当第一STA在一定规定的时间内未接收到由双频三模AP转发的ACK时，则该第一STA认为该帧传输失败。

7、根据权利要求4所述的基于关联的无线局域网通信方法，其特征在于：所述的切换至少包括从IEEE 802.11a模式切换到IEEE 802.11b/g模式，或由IEEE 802.11b/g模式切换为IEEE 802.11a模式。

8、根据权利要求4所述的基于关联的无线局域网通信方法，其特征在于：所述的切换策略是：仅在当前模式信号不可用或当前模式容量已满负荷时才进行切换，或者在现有网络环境下当前模式的信号或传输速率非最优时切换。

9、根据权利要求4或8所述的基于关联的无线局域网通信方法，其特征在于：所述的切换策略由双频三模AP完成，具体为：双频三模AP检测网络中存在的双频三模STA的信号，并通过相应切换策略确定切换门限，当检测信号值达到切换门限时，双频三模AP指示该双频三模STA自动切换到其他模式进行通信。

10、根据权利要求4或7或8所述的基于关联的无线局域网通信方法，其特征在于：所述的模式切换前后的速率不同时，所述的AP对由于速率不匹配而产生的数据进行保护。