CN101129034A - 根据802.11规范运行的扇区化的无线通信网络 - Google Patents

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Abstract

提供了一种帮助与包括多个空间扇区的通信区域中的多个远程单元进行通信的方法和系统。所述系统包括配置为根据IEEE 802.11规范进行接收和发送的网络控制器，以及耦合到网络基站的多个方向性天线。每个方向性天线作为各个空间扇区的接入点而运行。在示例性实施例中，方向性天线和网络控制器被组合为单个基站设备。此外，示例性的网络控制器被进一步配置为同时地将多个数据帧传输到多于一个的空间扇区，并且通过所有同时传输的帧同时结束的方式，对传输进行同步。

Description

根据802.11规范运行的扇区化的无线通信网络
技术领域
本发明通常涉及无线通信网络，更具体地说，涉及在相对大的通信区域中，根据802.11规范运行的无线网络。
背景技术
IEEE 802.11网络指的是为无线LAN技术开发的一族规范，它指定了在两个无线单元之间或者在无线单元和基站之间的空中接口。在室外无线环境中，越来越多地使用了包括基站的网络，从而帮助与多个无线单元或者在多个无线单元之间的通信。有时，大量的单元和/或大的通信区域需要将多个接入点分布在其中使用无线单元的区域周围。图1示出了分布在区域100周围的四个接入点102，在该区域100中，一个或多个无线单元可以进行通信。各个接入点102具有互相重叠的传输半径104，并且每个接入点102有线连接到中央通信设备106。
不同于围绕在通信区域周围分布接入点，目前需要一种单一的、位于中心位置的接入点，它具有覆盖全部通信区域的延长的传输半径。这种简化的网络的优点包括更容易的装置管理以及减少与硬件和室外布线相关的成本。
实施具有单一接入点的大通信区域网络也将面临几个挑战。首先，区域性的管理要求限制了接入点中传输功率的增加。而且，由于通信区域中的移动装置可以从接入点接收到传输信号，但却只有用于响应该接入点的有限的传输功率，因此，这种传输功率的增加往往制造了非对称链路。
用于克服与增加接入点传输功率相关的一些问题的一个方法是，增加移动装置天线的性能，从而将传输朝向接入点会聚。然而，天线增益的一个隐含效果是方向性的程度，在特定方向会聚的传输能够有效地分割全部通信空间。如果通信空间由于天线增益而被分割，则可能需要另外的接入点，这将在一定程度上抵消最初采用单个接入点所能带来的好处。例如，在被分割的通信区域中的多个位于中心位置的接入点可能遇到一些困难，诸如由于传输冲突而导致的系统性能降低，以及使用802.11网络协议时扇区之间的漫游开销。
因此，需要提供一种根据802.11规范运行、并且覆盖相对大的通信区域的无线通信网络。另外，需要在这种通信网络中，在不实施多个接入点的情况下，在移动单元和基站之间存在对称的通信链路。此外，结合附图和之前的技术领域及背景技术，通过如下的详细描述及所附权利要求，本发明的其它期望的特征和特点将变得明显。
发明内容
提供一种帮助与包括多个空间扇区的通信区域中的多个远程单元进行通信的无线网络系统。所述系统包括被配置为根据IEEE 802.11规范进行接收和发送的网络控制器，以及耦合到网络基站的多个方向性天线。每个方向性天线作为各个空间扇区的接入点而运行。在示例性实施例中，方向性天线和网络控制器被组合为单个基站设备。而且，示例性的网络控制器被配置为同时地将多个数据帧传输到多于一个的空间扇区，并且通过所有同时传输的帧同时结束的方式，对传输进行同步。
还提供一种帮助与包括多个空间扇区的通信区域中的多个远程单元进行通信的方法。所述方法包括如下步骤：使用耦合到网络控制器的多个方向性天线，根据IEEE 802.11规范，在远程单元和网络控制器之间进行接收和发送，每个方向性天线作为各个空间扇区的接入点而运行。示例性的方法还包括步骤：同时地将多个数据帧传输到多于一个的空间扇区，并且通过所有同时传输的帧同时结束的方式，对传输进行同步。
附图说明
下文中将结合如下的附图描述本发明，其中，相同的标号表示相同的元件：
图1示出已知的无线网络协议，其中四个接入点分布在通信区域的周围，并通过电线连接到中央通信设备，各个接入点具有互相重叠的传输半径；
图2示出示例性的网络配置，其中，基站位于使用了多个方向性天线的扇区化的通信区域内；
图3示出另一个示例性的网络配置，其中，基站位于使用了多个方向性天线的扇区化的通信区域内，并且，同步帧被传输到在不同的通信区域扇区中的移动装置；以及
图4的图表示出了如何对同步的帧进行协调以同时结束全部传输，从而避免帧与来自移动终端的确认信号之间的冲突。
具体实施方式
如下的详细描述仅仅是示例性的，不是用于限制本发明或申请、和本发明的使用。而且，本发明或申请、和本发明的使用不被之前的技术领域、背景技术、发明内容或如下的具体实施方式的详细描述中存在的任何显性或隐含的理论所束缚。
本发明包括位于中心位置的基站，它在通信区域中协调传输扇区，从而增加通信区域尺寸和系统容量。为了促进与协调进行扇区化，基站采用多个方向性天线，从而配置在远程单元和基站之间的传输。每个扇区的载波侦听信息被共享，以防止来自基站扇区的传输与来自相邻扇区中的远程单元的全向传输之间的冲突。此外，为了在避免冲突的同时增加系统容量，从基站到多个扇区的传输帧被排成队列，以对它们的传输时间进行同步。这种配置从而允许用户从单个802.11网络基站覆盖大的通信区域，而不用牺牲性能，也不需要增加移动单元RF功率。
图2示出了位于扇区化的通信区域10之内的基站16。基站16包括与其连接的网络控制器等，以使用多个方向性天线发送和接收传输。在图2的实施例中的通信区域10具有三个空间扇区10a、10b和10c，尽管扇区的数目不限于三个，但是这个数目取决于包括在基站16内的方向性天线的数目。由于图2中示出的基站16具有三个方向性天线17a-17c，因此通信区域被分为三个扇区10a-10c。同样地，尽管每个扇区的尺寸可以根据需要而调整，但是在示出的实施例中，为了提高效率，三个扇区10a-10c被等分。
远程无线单元12a-12e分布在通信区域10周围，每个单元使用耦合到基站16的多个方向性天线17a-17c中的一个天线与基站16通信。尽管在以下描述的实施例中将主要讨论移动单元，但是远程单元12a-12e可以是移动的或静止的。在示例性配置中，远程单元12a-12e通过与配置为在与给定单元相距最近的一个方向上进行传输的任何一个方向性天线通信，而传输和接收数据。例如，单元12a和12c位于扇区10a中，使用最近的方向性天线17a与基站16通信。类似地，单元12b位于扇区10b中，使用方向性天线17b与基站16通信，单元12d和12e位于扇区10c中，使用方向性天线17c与基站16通信。如果移动装置中的一个，例如移动单元12a，初始位于扇区10a中，但是随后在扇区10c中以较高的接收信号强度指示(RSSI)被接收到，则到移动单元12a的以后传输将从方向性天线17c发送。
尽管在图2中示出的实施例中的集中式基站16是包括多个方向性天线的单个设备，但是基站16也可以是多个紧固耦合的装置，每个具有至少一个方向性天线。在任一种情况下，方向性天线17a-17c和基站被组合为位于中心位置的、集中式装置。此外，远程单元12a-12e可以是移动的或静止的单元。在一个示例性实施例中，每个扇区使用相同的频率信道，这允许每个方向性天线17a-17c共享共同的基本服务集标识符(BSSID)。或者，可以在每个扇区中使用不同的频率信道，但是如果远程单元是移动的，则这需要远程单元12a-12e在扇区之间漫游时频繁地进行扫描，并且这将潜在地禁止在可替代的信道上使用邻近的802.11小区。如果每个扇区使用相同的频率信道，并共享共同的基本服务集标识符(BSSID)，则方向性天线17a-17c中的一个或多个可能经常接收到相同的帧。然而，使用集中式基站16时，仅方向性天线17a-17c中的一个会转发帧，或者换句话说，集中式基站16将使用被选择的方向性天线，仅转发传输帧的一个副本。
通过将图2中的每个方向性天线17a-17c作为各个扇区的虚拟接入点而运行，这些天线为基站16提供了大量的功能。由于每个方向性天线17a-17c的传输和接收功率是会聚到扇区上，而不是围绕基站16的整个半径上，因此组合天线17a-17c产生了一个具有延长的半径的通信区域。通过使用天线增益而不是增加的传输功率以获得延长的通信半径，基站16和移动单元12a-12e之间的链路是对称的。而且，使用天线增益使得能够在整个通信区域10上以相对低、但却恒定的传输功率使用移动单元12a-12e。
尽管通过使用方向性天线17a-17c将通信区域10进行了分区，但是仍旧有来自移动单元12a-12e之间的同时传输产生冲突的情况。图2示出了在基站16和两个移动单元12a和12b之间的这样一种情况，移动单元12a和12b位于不同的扇区中，但是彼此间距很近。箭头18指示基站正在使用对应于通信区域10b的天线17b向移动单元12b传输信号。箭头20指示在同一时刻，在通信区域10a中的移动单元12a正在通过对应的天线17a向基站传输信号。然而，移动单元在所有方向上传输信号，因此，如箭头22所示，来自扇区10a中的移动单元12a的传输与从基站到扇区10b中的移动单元12b的传输发生了冲突。即使全部三个扇区位于相同的信道上，扇区10a中的移动单元12a也无法对来自扇区10b的基站天线17b的传输进行载波侦听。类似地，扇区10b中的基站天线17b也无法对来自扇区10a中的移动单元12a的传输进行载波侦听。基站传输的这种定向特性制造了“隐藏”节点，它降低了性能，并且增加了在整个通信区域10上出现传输冲突的可能性。
为了克服潜在的传输冲突，示例性网络配置中的基站装置或耦合的装置实时共享载波侦听信息。例如，如果扇区10a中的移动单元12a在基站16使用对应的方向性天线17b开始向扇区10b中的移动单元12b进行传输之前开始传输，则基站16从移动单元12a接收到传输并声明(assert)载波侦听，从而延迟使用方向性天线17b向移动单元12b的传输。通过延迟使用方向性天线17b进行传输，基站16避免了任何潜在的传输冲突。在另一个示例性网络配置中，基站能够通过一旦从移动单元12a接收到传输，则从方向性天线17b和17c传输具有足够长的网络分配向量的准备发送(RTS)/清除发送(CTS)信号，而防止来自移动单元12a与基站方向性天线17a的传输之间的传输冲突。
尽管对基站16进行配置以声明载波侦听和/或在适当的时刻传输RTS/CTS信号，这有效地防止了传输冲突，但是这种配置本身并没有充分地利用系统性能。示例性的基站被进一步配置为在避免传输冲突的同时，向多个扇区同时进行传输。图3和4示出了这个实施例，其中，基站16使用之前描述的方向性天线，将目的地为移动单元12a-12c的帧排成队列。周期性地，基站16调度将排成队列的帧同时传输到各个扇区中的期望的移动单元12a-12c。使用诸如RTS/CTS信号、内容无关期间(content free periods，CFP)或受混和控制功能控制的信道访问(HCCF)的适当保留技术来对所述同时传输进行同步。通过先前讨论的被配置为同时监听和评估贯穿通信区域10的全部扇区中的载波侦听的基站16，可以实现这种同步的传输。
对同时发生的帧传输进行同步防止了在移动单元12a-12e接收到所述帧传输之后由移动单元12a-12e发送到基站16的确认所产生的干扰。如果不同长度的帧在相同的时刻开始它们的传输，则接收到最小的帧的移动单元将发送潜在地会与具有较长帧的基站传输发生冲突的确认信号。图4中的图表中示出了一种克服确认信号与来自基站16的帧传输发生冲突的方法。不是同时地开始同步的帧传输，基站16配置为同时地结束同步的帧传输，从而确保在移动单元12a-12e中的任意一个传输确认信号之前，完成全部帧传输。移动单元12a-12e可能将同时传输确认信号，但是由于基站天线的方向性，这种信号仍将被无冲突地接收到。
在先前描述中的示例性无线网络配置使得能够利用多个方向性天线使用单个基本服务集标识符(BSSID)，该多个方向性天线在具有扇区化结构的通信区域中作为虚拟的接入点而运行。方向性天线在移动单元和基站之间分配传输，从而增加了通信区域尺寸和系统性能。802.11网络基站共享每个扇区的载波侦听信息以防止传输冲突，并且将传输帧排成队列，从而在不牺牲性能以及不增加移动单元功率的情况下，增加系统容量。
尽管在先前的详细描述中已经提出至少一个示例性实施例，但是应认识到，可以对其进行大量改变。还应认识到，示例性实施例仅仅是示例，不是为了以各种方式限制本发明的范围、应用性或配置。先前的详细描述将为本领域的技术人员提供用于实施示例性实施例的方便的线路图。应理解，在不脱离所附权利要求和其法律等同物所阐述的本发明范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (19)

1.一种无线网络系统，用于帮助与包括多个空间扇区的通信区域中的多个远程单元进行通信，所述系统包括：
网络控制器，配置为根据IEEE 802.11规范进行接收和发送；以及
多个方向性天线，耦合到网络基站，每个方向性天线作为各个空间扇区的接入点而运行。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述网络控制器被进一步配置为同时地检测来自所述通信区域中的每个扇区的远程单元传输。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个方向性天线和所述网络控制器被组合为单个基站设备。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述网络控制器被进一步配置为同时地将多个数据帧发送到多于一个的所述空间扇区，并且通过所有同时发送的帧同时结束的方式，对传输进行同步。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述网络控制器被进一步配置为检测远程单元传输，并对其做出响应，以对数据帧排队，从而在远程单元传输结束后，对数据帧传输时间进行同步。
6.如权利要求1所述的系统，其中，每个所述方向性天线共享共同的基本服务集标识符(BSSID)。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述网络控制器被进一步配置为在使用相同的信道的不同空间扇区中的远程单元之间进行接收和发送。
8.一种在无线网络系统中用于帮助与包括多个空间扇区的通信区域中的多个远程单元进行通信的基站，所述基站包括：
网络控制器，配置为根据IEEE 802.11规范进行接收和发送；以及
多个方向性天线，耦合到网络基站，每个方向性天线作为各个空间扇区的接入点而运行。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述网络控制器被进一步配置为同时地检测来自通信区域中的每个扇区的远程单元传输。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述网络控制器被进一步配置为同时地将多个数据帧传输到多于一个的所述空间扇区，并且通过所有同时传输的帧同时结束的方式，对传输进行同步。
11.如权利要求8所述的系统，其中，所述网络控制器被进一步配置为检测远程单元传输，并对其做出响应，以对数据帧排队，从而在远程单元传输结束后，对数据帧传输时间进行同步。
12.如权利要求8所述的系统，其中，每个所述方向性天线共享共同的基本服务集标识符(BSSID)。
13.如权利要求8所述的系统，其中，所述网络控制器被进一步配置为在使用相同的信道的不同空间扇区中的远程单元之间进行接收和发送。
14.一种用于帮助与包括多个空间扇区的通信区域中的多个远程单元进行通信的方法，所述方法包括步骤：
使用耦合到网络控制器的多个方向性天线，根据IEEE 802.11规范，在所述远程单元和网络控制器之间进行接收和发送，每个方向性天线作为各个空间扇区的接入点而运行。
15.如权利要求14所述的方法，还包括如下步骤：
同时地检测来自所述通信区域中的每个扇区的远程单元传输。
16.如权利要求14所述的方法，还包括如下步骤：
同时地将多个数据帧传输到多于一个的所述空间扇区；并且
通过所有帧同时结束的方式，对同时传输进行同步。
17.如权利要求14所述的方法，还包括如下步骤：
检测远程单元传输，以及
响应于检测到远程单元传输，对数据帧进行排队，从而在远程单元传输结束后，从网络控制器对数据帧传输时间进行同步。
18.如权利要求14所述的方法，其中，每个所述方向性天线共享共同的基本服务集标识符(BSSID)。
19.如权利要求14所述的方法，其中，通过使用相同的信道的不同空间扇区中的远程单元来执行在远程单元和网络控制器之间进行接收和发送的步骤。
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