CN101517936B - 用于无线自组网络中多信道mac协议的有效信道体系结构 - Google Patents

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Abstract

本发明的系统(500)、设备(400)和方法提供逻辑上组织多个信道的三种体系结构：并行多信道超帧(PMS)(100)和顺序多信道超帧(SMS)(200)以及非重叠多信道超帧(NMS)(300)。这些体系结构中的每个体系结构由不同的折衷方案产生并且可应用于基于超帧(例如IEEE802.11超帧)原理的任何多信道MAC协议。

Description

用于无线自组网络中多信道MAC协议的有效信道体系结构
技术领域
本发明的系统、设备和方法涉及用于无线自组(ad hoc)网络中多信道介质访问控制(MAC)协议的体系结构。
背景技术
多数无线MAC协议(包括IEEE 802.11 MAC)已经被设计用于在单个共享信道中进行操作。例如，尽管IEEE 802.11a物理(PHY)层支持总共12个非重叠信道和在它们(对于IEEE 802.11b PHY层，总共有3个非重叠信道可用)之间进行动态切换的能力，但是当前IEEE802.11 MAC不能够利用这种能力且不适合在这种多信道环境中进行操作。
所以，加上更佳频谱重复使用和增强数据速率的要求，已存在对于开发能够以动态的方式利用多个PHY层信道的MAC协议的不断增长的需要。如果设计适当，这些所谓的多信道MAC协议就能够通过减小冲突和允许更多同时发送来提供性能改善，并从而提供更佳的带宽使用。多信道MAC协议使相同邻域中的节点能够在不同的信道中并发地且不相互干扰地进行通信。这种特性特别是在高负荷场景中以及对于QoS敏感业务来说是非常期望的。
为了使多信道MAC协议取得成功，必须提供类似于单信道MAC的服务(例如，IEEE802.11)连同优良的性能。也就是说，多信道MAC协议必须满足以下设计目标：与单信道MAC的复杂度和连通性相当的复杂度和连通性；移动性支持；处理多信道隐藏终端问题；广播/组播支持；负荷平衡；和增加的吞吐量。针对这组要满足的要求，必须以智能的方式构造所述多个PHY信道，否则将导致差的MAC性能。
所以，需要一种用于构造针对多个PHY信道的协议的装置。
发明内容
本发明包括提供用于无线自组网络中多信道MAC的三个可替换协议的设备、方法和系统。
诸如IEEE802.11的现有无线介质访问控制(MAC)标准采取单个信道，尽管在物理层多个信道是可获得的。由于拥有更好的频谱重复使用和改善性能的能力，能够动态管理多个信道的MAC协议(所谓的多信道MAC协议)正受到越来越多的关注。为了以有效的方式完全利用可用的多个物理层(PHY)信道，极为重要的是考虑这些信道的构造方式以便能够快速地发现设备、完全连接、平衡负荷、和最佳地利用信道。
本发明提供三种从逻辑上组织多信道的体系结构：并行多信道超帧(PMS)和顺序多信道超帧(SMS)、以及非重叠多信道超帧(NMS)。这些体系结构中的每个体系结构都由不同的折衷方案产生，并可应用于任何基于超帧原理的多信道MAC协议，譬如基于IEEE802.11超帧。
附图说明
图1图解说明了并行多信道超帧(PMS)；
图2图解说明了顺序多信道超帧(SMS)；
图3图解说明了非重叠多信道超帧(NMS)；
图4图解说明了根据本发明修改的收发信机设备；以及
图5图解说明了根据本发明修改的无线通信系统。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将理解，出于图解说明的目的而不是出于限制的目的提供以下描述。技术人员理解，在本发明的精神之内和所附的权利要求书的范围之内存在许多变型。本说明书可能省略了已知功能和结构的不必要的细节以便不模糊本发明。
本发明提供了提供一种跨越所有多个PHY信道的信道结构的设备、方法和系统。在优选实施例中，提供了三种多信道PHY信道超帧结构用于分组系统的高速通信：
并行多信道超帧(PMS)100；
顺序多信道超帧(SMS)200；
非重叠多信道超帧(NMS)。
在图1中图解说明了PMS结构100，而在图2中图解说明了SMS结构200，在图3中图解说明了NMS结构300。在优选实施例中，这三种方法具有共同的逻辑信道定义，该逻辑信道在此被称为集合信道101，集合信道用作设备的会合点。该集合信道101可以是所有可用信道中的单个信道，也可以是所有可用信道的子集。
现在参照图1，能够看出，在PMS 100中，超帧在所有多PHY信道上被同步。为了能够进行这种同步，采用了逻辑集合信道，并且该逻辑集合信道允许设备周期性地调谐以便再同步。根据当前的MAC协议，设备能够通过简单地扫描集合信道来发现网络连通性。可替选地，设备可能必须扫描每个信道以便发现其预定的目标。至于数据发送，其优选在超帧的剩余部分期间在多个信道的任意信道中同时被执行。
如图1所示，本发明的PMS体系结构100非常合适，因为它提供了有效带宽使用、在信道上的负荷平衡等等的基础。
图2图解说明了在SMS 200中的信道组织。如图所示，与PMS相比，SMS 200中的区别特征是，顺序信道中的超帧被相对于彼此时移，而在PMS中，超帧并行地进行。这种方法的明显优点是，设备能够通过简单地在信道上进行顺序扫描和监听控制窗102的持续时间就能发现整个网络。在优选实施例中，为了能进行正确的信道间同步，SMS 200通过从逻辑上选择一个信道作为设备周期性地调谐到其以进行再同步的集合信道，采用了与PMS相同的原理。
现在参照图3，与PMS和SMS相比，NMS(300)使用更宽松的同步。这里，所述协议仅需要实施的是，多个信道上的超帧104的控制窗102基本上是非重叠的，其中基本上被定义为任何两个超帧的控制窗重叠301小于预定的重叠允许值。这种方式，不需要紧密的同步。另一方面，由于控制窗102不再同步，因而对其他信道的访问的调度变得更加复杂。
当PHY超帧结构是NMS 300时，设备400通过对多个信道103上NMS结构300的超帧序列中的每一个超帧的控制窗102进行顺序扫描，来与系统500进行同步/再同步，而且设备400的接收机402监听至少该序列中的每个超帧104的控制窗102的固定持续时间，以发现预定的目标。。一旦设备400已与系统500同步/再同步，则设备400的发射机401在所发现目标的超帧104的剩余部分105中发送数据。
利用这三种信道结构，如下实现目标设计的目的：
·与单信道MAC相当的复杂度和连通性(否则为间接的连通性)-这通过集合信道的逻辑定义是有可能的。这种信道用作设备发现彼此的会合点。在优选实施例中，这可以通过让一定设备发送关于其他设备的通知(例如，如在图1的体系结构中)来实现，或通过让该设备扫描所有信道(例如，在图2的体系结构中)来实现。
·移动性支持-尽管该特征高度取决于MAC协议设计，但是基于本发明超帧的两个体系结构通过让例如所有设备在控制窗期间发送信标帧来允许更好的移动性支持。
·多信道隐藏终端问题的处理-使用超帧和控制窗以及集合信道的原理使得有可能克服多信道隐藏终端问题。这通过让设备在控制窗周期期间进行监听和/或发送，以及通过以无冲突的方式调度各个信道的使用来实现。
·广播/组播支持-在优选实施例中通过使用集合信道的原理来实现广播和组播。每当广播/组播处于发送队列中时，设备都调谐到集合信道，因此不需要在所有信道上多次发送分组。
·负荷平衡-这通过在所有多个信道上分布设备使得所有这些信道受到相同的负荷来实现。尽管这种机制取决于当前的MAC协议，但本发明的集合信道和超帧允许恰当的负荷平衡。
·更佳的带宽利用-这是可能的，因为这些体系结构允许所有信道以最小的空闲时间(可能由于MAC协议开销)同时地被使用。恰当的负荷平衡方案可以通过在所有信道上均匀地分布发送进一步提高带宽利用率。
图4图解说明了根据本发明所修改的包含了发射机401和接收机402的收发信机400的优选实施例。根据本发明，发射机401此外还包括编码和调制组件401.1，该编码和调制组件的输出被输入到超帧格式化模块401.2，该超帧格式化模块401.2将编码和调制组件的输出格式化为SMS200或PMS 100或NMS 300其中之一。在格式化之后，根据本发明，所述信号被滤波，数/模转换并由模块401.3通过信道402发送。
根据本发明所修改的接收机403接收包括根据本发明的超帧的信号，该接收机包括用于对所接收到的信号进行滤波、自动增益控制(AGC)等的模块403.3，并提供输出信号到数字前端403.2，该数字前端对信号进行进一步的处理例如以便发现网络。
图5图解说明了包括根据本发明的收发信机500的通信系统，所述收发信机发送和接收包括根据本发明的超帧结构100 200 300的消息。
本发明能够有利地应用在IEEE主办下正在开发的未来网络标准中，例如基于TV频带中认知无线电方法的IEEE802.22。多信道MAC非常适合用于这种操作环境。
最后，重要的是应该注意到这些设计目标中的一部分可以更容易地通过使用一个体系结构而不是其他体系结构来实现。所以，本领域普通技术人员将理解，这些体系结构中的每个体系结构的适用性将取决于应用要求和协议设计。
尽管已经图解说明并描述了本发明的优选的实施例，但是本领域的普通技术人员将理解，此处所描述的系统、设备和方法是说明性的，而且在不背离本发明真实范围的情况下可以作出各种改变和修改以及用等效元件替换其元件。另外，可以作出许多修改以便使本发明的教导适用于特定情形而不背离其中心范围。所以，其意图为，本发明并不被限制于作为用于执行本发明的最佳实施方式而被公开的特定实施例，而是本发明包括落入此处所附的本发明的权利要求范围之内的所有实施例以及所有实现技术。

Claims (30)

1.一种使用基于超帧原理的多信道MAC协议的无线通信系统(500)，包括：
逻辑上组织多个信道(103)的多信道PHY超帧结构，所述多个信道(103)的每个信道包含超帧(104)，该超帧具有固定持续时间的控制窗(102)和剩余部分(105)，一个所述超帧是被定义为设备使用来与系统进行同步的会合点/集合信道(101)的逻辑信道；和
至少一个设备(400)，其被配置成包括：
-根据所述PHY超帧结构发送超帧(104)的发射机(401)；以及
-在多个信道(103)的一组预定信道上监听所述PHY超帧结构的接收机(402)，
其中，所述至少一个设备(400)以预定的周期通过接收机(402)对集合信道(101)的监听，来与系统(500)同步/再同步。
2.根据权利要求1所述的系统(500)，其中，超帧原理(104)符合IEEE802.11协议。
3.根据权利要求1所述的系统(500)，其中，所述PHY超帧结构选自包含如下各项的组：并行多信道超帧PMS(100)，该多信道超帧被发送使得在所述多个信道的每个信道中并行地发送所述超帧；顺序多信道超帧SMS(200)，使得在所述多个信道的顺序信道中被发送的超帧相对彼此被时移；以及非重叠多信道超帧NMS(300)，使得被顺序发送的超帧的控制窗重叠部分不超过预定的重叠允许值。
4.根据权利要求3所述的系统(500)，其中，当所述PHY超帧结构是PMS(100)时：
所述至少一个设备(300)通过执行对PMS(100)结构的至少一个接下来的超帧的控制窗(102)的扫描来与系统(500)同步/再同步，所述扫描选自包括对会合点/集合信道(101)的扫描和对多个信道(103)的每个信道的扫描的组；以及
一旦所述至少一个设备(400)已与系统(500)同步/再同步，则所述已同步的至少一个设备(400)的发射机(401)在PMS结构(100)的至少一个超帧的剩余部分(105)期间，在多个信道(103)的任意信道中同时地发送数据。
5.根据权利要求3所述的系统(500)，其中，当所述PHY超帧结构是SMS(200)时：
所述至少一个设备(400)通过对在多个信道(103)中SMS结构(200)的超帧序列中的每个超帧的控制窗(102)进行顺序扫描，来与系统(500)进行同步/再同步，以及所述至少一个设备(400)的接收机(402)监听所述序列中的每个超帧(104)的控制窗(102)的固定持续时间以发现预定的目标；以及
一旦所述至少一个设备(400)已与系统(500)同步/再同步，则所述至少一个设备(400)的发射机(401)在所发现目标的超帧(104)的剩余部分(105)中发送数据。
6.根据权利要求3所述的系统(500)，其中，当所述PHY超帧结构是NMS(300)时：
所述至少一个设备(400)通过在多个信道(103)上执行对NMS结构(300)的超帧序列的每个超帧的控制窗(102)的顺序扫描来与系统(500)进行同步/再同步，以及所述至少一个设备(400)的接收机(402)监听至少所述序列中的每个超帧(104)的控制窗(102)的固定持续时间以发现预期的目标；以及
一旦所述至少一个设备(400)已与系统(500)同步/再同步，则所述至少一个设备(400)的发射机(401)在所发现目标的超帧(104)的剩余部分(105)中发送数据。
7.根据权利要求4、5或6所述的系统(500)，其中，所述至少一个设备(400)的发射机(401)在每个控制窗(102)期间在信标帧中发送信标。
8.根据权利要求7所述的系统(500)，其中，在控制窗(102)期间所述至少一个设备(400)的至少一个接收机(402)监听，以及所述至少一个设备(400)的发射机(401)发送以便使用预定的无冲突调度技术调度多个信道(103)的使用。
9.根据权利要求8所述的系统(500)，其中，所述至少一个设备(400)的接收机(402)在广播/组播被调度用于发送时监听集合信道(101)。
10.根据权利要求9所述的系统(500)，其中，由所述至少一个设备(400)的发射机(401)进行的发送被分布在多个信道(103)的所有信道上使得系统(500)的发送负荷在所有信道上被均匀分布。
11.一种用于具有至少一个设备(400)的无线通信系统(500)中的PHY的方法，所述至少一个设备(400)使用基于超帧原理的多信道MAC协议，该方法包括以下步骤：
提供从逻辑上组织多个信道(103)的多信道PHY超帧结构(100200300)，所述结构包括所述多个信道(103)中每个信道的PHY超帧(104)，所述PHY超帧(104)包括固定持续时间的控制窗和剩余部分(105)；
定义一个所述超帧作为逻辑信道，该逻辑信道是被所述至少一个设备(400)用来与系统(500)进行同步的会合点/集合信道(101)；以及
配置所述至少一个设备(400)以执行以下步骤：
-根据所述PHY超帧结构由所述至少一个设备的发射机(401)发送PHY超帧(104)，
-根据所述PHY超帧结构由所述至少一个设备的接收机(402)在多个信道(103)的一组预定信道上监听PHY超帧(104)，
由所述至少一个设备周期性地调谐到集合信道以便与系统(500)进行同步/再同步。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，超帧原理(104)符合IEEE802.11协议。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，提供步骤此外还包括从包含以下结构的组中选择PHY超帧结构作为至少一个结构的步骤：并行多信道超帧PMS(100)，该多信道超帧被发送使得在所述多个信道的每个信道中并行地发送该超帧；顺序多信道超帧SMS(200)，使得在所述多个信道的顺序信道中发送的超帧相对彼此地被时移；以及非重叠多信道超帧NMS(300)，使得被顺序发送的超帧的控制窗重叠部分不超过预定的重叠允许值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，当PHY超帧结构是PMS(100)时还包括以下步骤：
所述至少一个设备(400)通过对所述PMS(100)的下一个超帧的控制窗(102)执行扫描，与系统(500)进行同步，所述扫描选自包含对会合点/集合信道(101)的扫描和对多个信道(103)的每个信道的扫描的组；以及
一旦所述至少一个设备(400)已与系统(500)同步，则该同步的设备(400)的发射机(401)在下一个超帧(104)的剩余部分(104)期间在多个信道(103)的任意信道中同时地发送数据。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，当PHY超帧结构是SMS(200)时还包括以下步骤：
设备(400)通过在SMS(200)的多个信道(103)的每个信道的下一个超帧的控制窗(102)上执行顺序扫描来与系统(500)进行同步，并监听控制窗(102)的固定持续时间以发现预定的目标；以及
一旦所述至少一个设备(400)已与系统(500)同步，则该新的且已同步的设备(400)的发射机(401)在被发现目标的SMS(200)的超帧(104)的剩余部分中发送数据。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，当PHY超帧结构是NMS(300)时还包括以下步骤：
设备(400)通过在NMS(300)的多个信道(103)的每个信道的下一个超帧的控制窗(102)上执行顺序扫描来与系统(500)进行同步，以及监听至少控制窗(102)的固定持续时间以发现预定的目标；以及
一旦所述至少一个设备已(400)与系统(500)同步，则该新的且已同步的设备(400)的发射机(401)在被发现目标的NMS(300)的超帧(104)的剩余部分中发送数据。
17.根据权利要求14或15或16所述的方法，还包括通过所述至少一个设备(400)在每个控制窗(102)期间在信标帧中发送信标的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括由所述至少一个设备(400)在控制窗期间进行监听和发送至少之一以根据预定无冲突调度技术来调度多个信道(102)的使用的步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括当广播/组播被调度用于发送时所述至少一个设备(400)监听集合信道(101)的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括在多个信道(103)的所有信道上分布所述至少一个设备的发送以便在所有信道上均匀发送负荷的步骤。
21.用于使用基于超帧原理的多信道MAC协议的无线通信的设备(400)，包括：
逻辑上组织多个信道(103)的多信道PHY超帧结构，该结构包括每个信道的超帧(104)，该超帧具有固定持续时间的控制窗(102)和剩余部分(105)，一个所述超帧是被定义为设备使用来与类似配置设备(400)的网络(500)进行同步的会合点/集合信道(101)的逻辑信道；
根据所述PHY超帧结构发送超帧(104)的发射机(401)；以及
在多个信道(103)的一组预定信道上监听所述PHY超帧结构的超帧(104)的接收机(402)，
其中，所述设备(400)以预定的周期通过调谐到集合信道(101)与网络(500)进行同步/再同步。
22.根据权利要求21所述的设备(400)，其中，所述超帧原理符合IEEE802.11协议。
23.根据权利要求21所述的设备(400)，其中，所述PHY超帧结构是选自包括以下结构的组的至少一个结构：并行多信道超帧PMS(100)，该多信道超帧被发送使得在所述多个信道的每个信道中并行地发送该超帧；顺序多信道超帧SMS(200)，使得在所述多个信道(103)的顺序信道中被发送的超帧相对彼此地被时移；以及非重叠多信道超帧NMS(300)，使得在所述多个信道(103)的顺序信道中被发送的超帧的重叠部分小于预定的重叠值。
24.根据权利要求23所述的设备(400)，其中，当PHY超帧结构是PMS(100)时：
设备(400)通过执行对PMS(100)结构的至少一个下一个超帧的控制窗(102)的扫描，来与网络(500)同步/再同步，所述扫描选自包含对会合点/集合信道(101)的扫描和对多个信道(103)的每个信道的扫描的组；以及
一旦设备(400)已与网络(500)同步/再同步，则该已同步/再同步的设备(400)的发射机(401)在PMS结构(100)的至少一个超帧的剩余部分期间在多个信道(103)的任何信道中同时地发送数据。
25.根据权利要求23所述的设备(400)，其中，当PHY超帧结构是SMS(200)时：
设备(400)通过在多个信道(103)上对SMS结构(200)的超帧序列中的每一个超帧的控制窗(102)执行顺序扫描，来与网络(500)同步/再同步，并且接收机(402)监听所述序列中的每个超帧(104)的控制窗(102)的固定持续时间以发现预定的目标；以及
一旦设备(400)已与网络(500)同步/再同步，该已同步/再同步的设备(400)的发射机(401)在被发现目标的超帧(104)剩余部分(105)中发送数据。
26.根据权利要求23所述的设备(400)，其中，当PHY超帧结构是NMS(300)时：
设备(400)通过在多个信道(103)上对NMS结构(300)的超帧序列中的每个超帧的控制窗(102)执行顺序扫描，来与网络(500)进行同步/再同步，而且接收机(402)监听至少所述序列中的每个超帧(104)的控制窗(102)的固定持续时间以发现预定的目标；以及
一旦设备(400)已与网络(500)同步/再同步，则该已同步/再同步的设备(400)的发射机(401)在被发现目标的超帧(104)的剩余部分(105)中发送数据。
27.根据权利要求24或25或26所述的设备(400)，其中，所述设备的发射机(401)在每个控制窗(102)期间在信标帧中发送信标。
28.根据权利要求27所述的设备(400)，其中，所述设备的接收机(402)进行监听以及所述设备的发射机(401)在控制窗期间进行发送以便使用预定的无冲突调度技术来调度多个信道(103)的使用。
29.根据权利要求28所述的设备(400)，其中，当广播/组播被调度用于发送时，所述设备的接收机(402)监听集合信道(101)。
30.根据权利要求29所述的设备(400)，其中，由所述设备的发射机(401)进行的发送被分布在多个信道(103)的所有信道上使得网络(500)的发送负荷在所有信道上均匀分布。
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