CN101283546A - 用于传输包括前导和数据帧的信号的方法和系统 - Google Patents

用于传输包括前导和数据帧的信号的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种用于在包括多个节点(1a、1b)的通信网络中通过前导采样来传输包括前导和数据帧(13)的信号(11)的系统、设备和方法，所述前导包括微帧(19)的编号序列。

Description

用于传输包括前导和数据帧的信号的方法和系统
技术领域
本发明涉及通过前导采样在通信网络中传输包括前导和数据帧的信号，具体地是在使用无线介质的无线网络中。
背景技术
为了在通信网络的信道上传输信号，用于接入标准介质(例如符合IEEE 802.11DCF标准的介质)的协议要求无线收发信机一直开启并且总是准备好接收信号。这个“准备好接收”的模式消耗了大量的能量。如果信道上没有传输，则能量以被动监听而被耗费。这个问题在自组织(ad hoc)低流量传感器网络中特别明显，在该网络中信道多数时候是空闲的。
为解决这个问题，存在一种前导采样传输方法，其减小了被动监听开销。
图8概略地示出了包括前导115和数据帧113的信号111在发送节点101a与接收节点101b之间的传输随时间125的变化。前导采样协议使得节点必须间歇地监听无线信道。
接收节点101b的时间轴125被分成由小方块129表示的短时间段，在该短时间段中无线保持开启(即在此期间接收节点101b是激活的)。发送节点101a的时间轴125表明了包括数据帧113及该数据帧之前的前导115的信号111的传输。
因此，在这种协议中，节点在大部分时间内关闭其无线以减少被动监听并且因此节约了能量。
一般而言，节点必须周期性地检测是否有信号(或消息)到来，例如每Tw秒(时间段127)检测一次。为此，节点在短时间段129期间被激活以监听信道。
如果节点发现信道是空闲的，则其再次被去激活(其无线被关闭)。相反，如果其检测到前导(已知比特模式)在信道上出现，则其保持激活(时间段117)以接收跟随前导115的数据帧113。在接收数据帧113之后，节点再次被去激活。前导115是包括对已知比特模式的重复的较长帧。这使得激活节点能够识别出模式并且因此断定其是前导115。
此外，当节点希望发送数据帧时，其首先监听信道。如果其发现信道繁忙则继续监听直到该信道被释放。相反，如果其发现信道为空闲则在发送数据帧之前发送前导。为确保所有的潜在接收节点在发送前导期间是激活的以使得它们不会错过跟随该前导的数据，前导的持续时间必须至少等于Tw。
用于减小前导大小的已知方法由Enz CC.、El-Hoiydi A.、Decotignie J.和Peiris V.在其论文“WiseNet：An Ultra Low-Power Wireless SensorNetwork Solution”(IEEE Computer，37(8)：62-70，2004年8月)中被提出。该文献描述了一种算法，该算法使用较小的前导采样以减小点对点(单播)消息的成本。这减小了发送和接收时间以及因而节约了能量。
然而，该方法并未减少多点(广播)通信的成本，其中监听前导是无用的。
此外，当节点希望发送并且发现信道繁忙时，其继续监听直到该信道被释放，从而发送其帧。节点不能断定信道何时将被释放。这种不必要的监听耗费了能量。
此外，在该方法中，节点会接收冗余数据帧，因为其无法检验其是否已接收了相同的数据帧，并且大量能量因而被无意义地浪费。
发明内容
本发明的目的是优化通信网络中的节点对能量的消耗，所述通信网络特别是自组织网络。
为此，本发明在于一种用于在通信网络中传输包括前导和数据帧的信号的方法，所述通信网络包括多个节点，其特征在于，所述方法包括：
-生成其前导包括微帧的编号序列的信号，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断数据帧之前的序列中剩余微帧的数目；和
-经由所述网络发送所述信号。
当接收微帧时，节点识别出其是前导。根据包含于所接收微帧中的序列号，接收节点可以确定数据帧之前的序列中剩余微帧的数目，并且因此确定数据帧的到达时间(即接收到相关微帧之后的数据帧到达之前的剩余时间)。
所述微帧序列中的第一个和最后一个微帧之间的时间大于或等于与节点在两次连续重新激活之间的去激活时间相对应的特定时间段。
因此，节点必定会接收至少一个微帧。
在本发明的第一特定实施例中，当节点接收微帧时，所述节点读取所接收的微帧的序列号、推断数据帧的到达时间并且在此期间被去激活。接收节点因而在其已接收微帧之后并且直到数据帧到达之前被去激活。这大大减少了由于不必要的监听而造成的能量耗费，同时也确保了数据帧的接收。
这节约了能量并且降低了接收多点(广播)或点对点(单播)模式的数据帧的成本。
在本发明的第二特定实现中，为了接入通信网络的信道：
a)节点被重新激活以监听信道；
b)如果该节点接收了指示信道被另一节点占用的微帧，则该节点：
-读取该微帧的序列号以推断所述信道为繁忙的时间；并且
-被去激活并且仅在所述时间结束后才为接入所述信道而被重新激活。
这通过减少为在另一节点已占用信道的情况下接入该信道而花费的不必要的监听时间而节约了能量。
对于包括数据帧的签名的微帧，当节点接收微帧时，所述节点有利地读取数据帧的签名以检验其是否已经接收了该数据帧。
这进一步减少了不必要地监听冗余帧的成本，并且进一步节约了能量。
这个签名可以通过对数据帧应用哈希(hashing)函数来获得。这使得具有可变大小的数据帧能够具有缩减的固定大小。
微帧有利地包括目的地址。这使得节点能够立即识别出数据帧是否是去往另一节点，这进一步减少了不必要地监听帧的成本。
本发明还在于一种用于在通信网络中发送包括前导和数据帧的信号的设备，其特征在于，所述设备包括：生成装置，其适于生成其前导包括微帧的编号序列的信号，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断数据帧之前的序列中剩余微帧的数目。
本发明还在于一种信号的接收设备，所述信号经由通信网络而被发送并且包括前导和数据帧，所述前导包括微帧的编号序列，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断数据帧之前的序列中剩余微帧的数目，其特征在于，所述设备包括控制装置，其适于当接收信号的微帧时读取所接收微帧的序列号以根据所读取的序列号来确定该信号的数据帧的到达时间，并且控制所述接收设备在接收所述微帧之后的去激活以及然后其为接收所述数据帧的重新激活。
本发明还在于一种用于传输数据帧的、包括至少一个发送节点和一个接收节点的系统，其特征在于，所述发送节点包括如上所述的发送设备，而所述接收节点包括如上所述的接收设备。
本发明最后在于一种包括前导和数据帧的信号，其特征在于，所述前导包括微帧的编号序列，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断数据帧之前的序列中剩余微帧的数目。微帧还可以包括：所述数据帧的签名；和/或目的地址。
附图说明
参考附图，通过阅读下面作为非限制性实例而给出的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中：
-图1示出了根据本发明的包括通信网络中的多个节点的传输系统；
-图2示出了根据本发明的包括数据帧以及该数据帧之前的前导的信号，所述前导包括微帧序列；
-图3示出了在两个节点之间发送图2所示的信号；
-图4至6示出了信号在两个节点之间的若干传输模式随时间的变化；
-图7示出了根据本发明的包括多个字段的微帧结构；和
-图8示出了根据现有技术的、信号在两个节点之间的传输随时间的变化。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的包括通信网络3中的多个节点1的传输系统的实例。网络3可以是广域网或利用无线介质的无线局域网。网络3的每个节点1都对应于可以是移动实体且可以与其相邻节点1经由无线信道4建立呼叫的实体。节点1可以用作客户端、服务器或路由器。
例如，网络3是自组织网络，具体地是其中节点1包括低能耗传感器的传感器网络，所述传感器例如是温度、压力、气流速度或振动传感器或用于警告自然灾害的探测器。另一实例是普遍存在的计算网络。
在所描述的特定实例中，每个节点1都包括用于发送和接收信号的设备5，每个信号都包括前导和数据帧，如下文说明的那样。设备5包括无线收发信机。其可以是传感器、计算机、移动电话或任何可接收或发送信号的其他设备。
图2示出了根据本发明的信号11，其包括数据帧13以及该数据帧之前的前导15，该前导包括微帧19的序列17。该微帧的序列17可以由节点1作为前导15而被识别出来，并且还可以包括使得节点1能够降低不必要监听的成本的有用信息。
微帧19的序列17被编号，即每个微帧19都具有一个序列号，其对应于图7中的参考45，根据该序列号能够推断出数据帧13之前的剩余微帧19的数目。换言之，所述序列的微帧被编号以便能够根据任一微帧的号码来推断数据帧之前的序列中剩余微帧的数目。微帧19还可以包括说明或类型数据41(图7)以指示其是微帧19。
微帧19可以例如从1至m被顺序地编号。号码m指示了对于至少等于接收节点的两次激活之间的时间段的前导15的持续时间Tw所需要的微帧的数目。因此，所述前导的持续时间Tw包括m个微帧，每个微帧都具有持续时间f并且微帧间的间隔每个都具有持续时间s。
所述前导的持续时间Tw因而可以按照下面的公示而表示为m、s和f的函数：
Tw＝(s+f).m
换言之，微帧序列17的第一个微帧19和最后一个微帧19之间的时间等于与大于或等于节点1在两次连续重新激活29之间的去激活时间段27的持续时间相对应的特定时间段Tw(例如参见图4)。
图3是节点1a和节点1b的功能框图，所述节点分别是上述特定实例中的发送节点和接收节点。为了清楚起见，图3仅示出了节点1a的发送/接收设备5a的发送部分的单元以及节点1b的发送/接收设备5b的接收部分的单元。然而，应当指出，节点1a和1b在这里既可以用作发送器也可以用作接收器，并且因此每个都可以包括发送部分和接收部分。
参考图3，发送节点1a的发送/接收设备的发送部分包括生成装置22和发送装置21a。生成装置22适于生成如前文所述的信号11，该信号包括前导15及其后的数据帧13。前导15特别包括微帧的编号序列17，对微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断数据帧之前的序列中剩余微帧的数目。发送装置21a适于经由通信网络3发送该信号11给接收节点1b。
发送节点1a对信号11的发送可以与至许多(接收)节点的普通广播型发送同时进行。
参考图3，节点1b的发送/接收设备5b的接收部分包括接收装置21b和用于该接收装置21b的控制装置23。接收装置21b适于接收与由发送节点1a发送的信号相符合的信号11。如下文所述，控制装置23适于根据由接收装置21b接收的微帧19中所包含的序列号来控制接收装置21b的去激活和重新激活。控制装置23因而适于当接收信号11的微帧19时执行由接收节点1b执行的下文所述方法的步骤，特别是：
-读取所接收的微帧19的序列号45；
-根据所读取的序列号来确定信号11的数据帧13的到达时间；和
-在接收微帧19之后，控制节点1b的去激活，确切地说是其发送/接收设备5b的去激活，然后为接收数据帧13而控制其重新激活。
控制装置23可以由微处理器、微控制器或其他可编程元件构成。可编程元件执行计算机程序，该计算机程序包括对于实施根据本发明的用于通过前导采样来传输数据帧的方法所必须的指令。
计算机程序可以在传输系统3的节点1中被执行从而实施根据本发明的用于通过前导采样来传输数据帧的方法。因此，本发明还提供了：
-用于信号的发送设备的计算机程序，所述信号包括前导和数据帧，所述程序包括用于控制其前导包括微帧的编号序列的信号的生成的程序指令，对所述序列的微帧编号使之能够当所述发送设备执行所述程序时、根据任一微帧的号码来推断数据帧之前的序列中剩余微帧的数目；和
-用于上述信号的接收设备的计算机程序，所述程序包括这样的程序指令：其用于当接收该信号的微帧时控制读取所接收微帧的序列号、确定该信号的数据帧的到达时间以及在接收该微帧之后去激活所述接收设备并且然后为接收所述数据帧而重新激活该接收设备。
这些程序可以被存储在数据介质中或由数据介质传送，所述数据介质可以是例如CD-ROM的硬件存储介质、磁盘或硬盘，或者是例如电、光或无线信号的可传输介质。
图3示出了通信网络3的节点1a和1b之间的信号11的传输。在发送端，发送节点1a生成如上所述的信号11。特别地，信号11包括前导，该前导包括微帧19的编号序列并且后随有数据帧13。对数据帧13之前的序列11的微帧19编号使之能够根据任一微帧的号码来推断数据帧13之前的序列中剩余微帧的数目。发送节点1a经由网络3发送所生成的信号11给节点1b。
图4示出了发送节点1a和接收节点1b之间的这个信号11的传输随时间25的变化。接收节点1b检查是否有周期性发送给它的消息到来，例如每Tp秒(时间段27具有大于或等于Tw的Tp)。为此，接收节点1b被重新激活一较短时间段29以监听信道4。如图4所示，其在这些重新激活时间段29之一期间接收微帧19a。
接收节点1b读取微帧19a中的序列号，并且根据该序列号来推断数据帧13之前的序列中剩余微帧的数目以及图4中的时间段31的相应持续时间。当接收节点1b的接收装置21b接收微帧19a时，控制装置23读取微帧19a的序列号并且推断数据帧13到来之前的序列中剩余微帧的数目以及数据帧13a的到达时间，也就是说图4中的时间段31的持续时间。控制装置23然后可以控制接收装置21b关闭无线直到数据帧13的到达时间，即在时间段31期间。这个实例表明接收节点1b可以在时间段31期间被关闭，该时间段31是在微帧19a的接收与数据帧13的接收之间的。节点1b因而仅在接收数据帧13的时间段33期间被重新激活，该时间段33相比时间段117是较短的(参见说明现有技术的图8)。
为计算根据本发明的微帧采样方法相比标准前导采样方法所节约的能量，比较根据本发明的平均监听时间MT与用于接收持续时间为T的数据帧的标准平均监听时间EP。
所节约的能量因而由下式给出：
假设微帧的数目m相比持续时间f(微帧时间段)和s(两个连续微帧之间的时间段)而言非常高，上面的公式指示节约了接收数据的成本，特别是在普通广播的情况下。
图5是信号11在节点1a和节点1b之间以载波侦听多路访问(CSMA，carrier sense multiple access)模式的传输随时间25的变化的另一实例。这个接入模式使得单个信道4能够在若干节点1之间被共享。因此，在发送之前，每个节点1必须监听信道4以获知其是空闲还是繁忙。如果该信道为空闲，则节点1可以进行发送；如果该信道为繁忙，则节点1必须继续监听直到信道4被释放以便其可以进行发送。这个方法的目的是防止由于同时接入信道4而造成的冲突。记住，节点1b的设备5b包括接收装置和发送装置二者。
这个实例表明在希望发送数据的另一节点1发现信道4为繁忙的情况下，使用微帧19能够减小用于接入信道4的不必要的监听时间。
当节点1b被重新激活时，其发送/接收设备5b监听信道4。如果接收装置21b接收了微帧19a，则控制装置23由于信道4被另一发送/接收设备5b使用而推断信道4为繁忙，并且读取微帧19a的序列号以确定信道为繁忙的时间35，从而使得发送/接收设备5b被去激活并且然后仅在该时间35之后才为接入信道4而被重新激活。换言之，这使得节点1b能够在信道4为繁忙的时间35期间关闭其无线，并且仅在该时间结束之后才被重新激活，从而为发送信号11而再次尝试接入信道4。
假设每个节点都具有能够检测并解码信号11的n个相邻节点，所节约的能量由下式给出：
Figure A20068003748800131
这个公式表明能量节约取决于数据帧13的持续时间T。持续时间T越长，所节约的能量就越多。
图6是信道11在发送节点1a与接收节点1b之间的传输随时间25变化的另一实例。
在这个实例中，微帧19可以用于使得节点1b能够在接收数据帧13之前过滤该数据帧13。
微帧19可以包括数据帧13的签名47(参见图7)。该签名可以通过对数据帧13应用用于将可以是可变大小的数据帧13转换成固定大小的代码的哈希函数而获得。
控制装置23因而能够根据包含于所接收的微帧19a中的数据帧13的签名来控制发送/接收设备5b的去激活和重新激活。
数据帧13的签名使得节点1b能够避免接收冗余的并且因此是无用的帧。如果其发送/接收设备5b当节点1b为监听信道4而被重新激活时接收了微帧19a，则控制装置23读取数据帧13的签名以检验节点1b是否已经接收了该数据帧13。例如，控制装置23可以将该签名与已接收签名相比较，如果其在已接收的那些签名之中找到该签名，则其因而可以推断节点1b已经接收了下一个数据帧13并且因而可以在时间段27期间被去激活。
所节约的能量因而由下式给出：
Figure A20068003748800141
应当指出，能量节约在上面两个公式中是相同的，因为在这两个情形中都避免接收相同数量的微帧19和数据帧13。
微帧19可以有利地还包括用于目的地址的字段(43)(参见图7)。控制装置23因而也可以根据包含于接收的微帧19a中的目的地址来控制发送/接收设备5b的去激活和重新激活。
这使得节点1能够立即识别出数据帧13是否是去往另一节点，这因而进一步减少了对帧的不必要监听的成本。
图7示出了包括四个字段的一个特定结构的微帧19。第一个字段是指示该帧是微帧19的类型字段41，第二个字段是指示跟随微帧19的序列的数据帧13的目的地址的地址字段43，第三个字段是指示微帧19的序列号的号码字段45，以及第四个字段是指示数据帧13的签名的签名字段47。应当指出，微帧19可以包括字段41至47中的一个或多个。
因此，除避免了被动监听和冲突之外，本发明的信号11还通过避免接收并解码下列数据帧而避免了对串音的不必要监听：去往另一节点的数据帧；冗余数据帧，由于该帧已经被接收因而其内容对于选路或应用是无益的；或者是占用待释放的信道的数据帧。

Claims (13)

1.一种用于在包括多个节点(1)的通信网络(3)中传输包括前导(15)和数据帧(13)的信号(11)的方法，其特征在于，该方法包括：
-生成其前导(15)包括微帧(19)的编号序列(17)的信号(11)，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断所述数据帧之前的所述序列中剩余微帧的数目；和
-经由所述网络发送所述信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微帧(19)的序列(17)中的第一个微帧(19)与其最后一个微帧(19)之间的时间大于或等于与节点(1)在两次连续重新激活(29)之间的去激活时间相对应的特定时间段(27)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当由节点(1b)接收微帧(19a)时，所述节点(1b)读取所接收的微帧的序列号(45)、推断所述数据帧(13)的到达时间并且在此期间(31)被去激活。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：
a)节点(1b)被重新激活以监听信道(4)；
b)如果所述节点接收了指示所述信道被另一节点(1)占用的微帧(19)，则所述节点(1b)：
-读取所述微帧(19)的序列号以推断所述信道(4)为繁忙的时间(35)；和
-被去激活并且仅在所述时间结束之后才为接入所述信道而被重新激活。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述微帧(19)包括所述数据帧(13)的签名(47)，当由节点(1b)接收微帧(19)时，所述节点(1b)读取所述数据帧(13)的签名(47)以检验其是否已经接收了该数据帧(13)。
6.一种用于在通信网络(3)中发送包括前导(15)和数据帧(13)的信号(11)的设备，其特征在于，所述设备包括生成装置(22)，该生成装置适于生成其前导(15)包括微帧的编号序列(17)的信号(11)，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断所述数据帧之前的所述序列中剩余微帧的数目。
7.一种计算机程序，其用于信号(11)的发送设备，所述信号包括前导(15)和数据帧(13)，所述计算机程序包括用于控制其前导(15)包括微帧的编号序列(17)的信号(11)的生成的程序指令，对所述序列的微帧编号使之能够当所述程序由所述发送设备执行时、根据任一微帧的号码来推断所述数据帧之前的所述序列中剩余微帧的数目。
8.一种介质，其包括用于存储根据权利要求7所述的程序的装置。
9.一种用于接收经由通信网络(3)发送的包括前导(15)和数据帧(13)的信号(11)的设备，所述前导包括微帧的编号序列，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断所述数据帧之前的所述序列中剩余微帧的数目，其特征在于，所述设备包括控制装置(23)，该控制装置适于当接收信号的微帧时读取所接收的微帧的序列号(45)、根据所读取的序列号确定所述信号的数据帧(13)的到达时间并且在接收所述微帧之后控制所述接收设备的去激活以及然后其为接收所述数据帧的重新激活。
10.一种计算机程序，其用于信号的接收设备，所述信号经由通信网络而被发送并且包括前导(15)和数据帧(13)，所述前导包括微帧的编号序列，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断所述数据帧之前的所述序列中剩余微帧的数目，其特征在于，所述程序包括这样的程序指令：用于当接收信号的微帧时读取所接收的微帧的序列号(45)、确定所述信号的数据帧(13)的到达时间并且在接收所述微帧之后去激活所述接收设备以及然后为接收所述数据帧而重新激活该接收设备。
11.一种程序介质，其包括用于存储根据权利要求10所述的程序的装置。
12.一种用于传输数据帧的系统，其包括至少一个发送节点(1a)和至少一个接收节点(1b)，其特征在于，所述发送节点(1a)包括根据权利要求6所述的设备，而所述接收节点(1b)包括根据权利要求9所述的设备。
13.一种包括前导(15)和数据帧(13)的信号，其特征在于，所述前导(15)包括微帧(19)的编号序列(17)，对所述序列的微帧编号使之能够根据任一微帧的号码来推断所述数据帧之前的所述序列中剩余微帧的数目。
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