CN101610592B - 无线网络的通道使用方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种无线网络的通道使用方法及系统。该无线网络的通道使用方法，适用于一具有N个天线的切换节点在M个通道的环境下进行通道使用，其中N＜M。该方法包含下列步骤：计算一通道权重组，并根据该通道权重组由该M个通道中选择某一通道；根据该切换节点及其至少一邻居节点间的一相互关系，决定一告知机制；利用该告知机制告知该邻居节点该切换节点的一目前状态；及计算一通道停留时间，并在所选择的该通道停留该通道停留时间。

Description

无线网络的通道使用方法及系统

技术领域

本发明涉及一种无线网络技术，特别是指一种无线网络的通道使用方法及系统。

背景技术

相较于传统的有线(Wired)网络，无线(Wireless)网络具有建置容易且建置快速的优点。IEEE 802.11为一种无线区域网络(Wireless LAN)的通信协定标准。

在IEEE 802.11无线网络的基础架构基本服务组合(Basic Service Set，BSS)中，基地台(Station，STA)皆需通过接入点(Access Point，AP)方能接入互联网；所以，每一基础架构BSS只需单一通道给所有STA，以与AP进行通信。

然而，在IEEE 802.11s网格状网络(Mesh Network)中，存在两种流量，即，BSS流量与网格状转送流量；其中，基本服务组合流量可能会因为载波检测(Carrier Sensing)造成网格状转送流量无法被处理。使用多通道来解决这个问题是直觉的想法，但是这需要多个天线(Radio)。为了成本与耗电的考虑，希望能够以较少的天线(天线数目＜通道数目)来实现；在此种情况下，天线必须在通道之间做切换，而且会造成分组丢失(PacketLoss)与连线中断。

故，有必要寻求一解决之道，在使用较少天线的情况下，降低分组丢失与连线中断的机率，并减少通道时间的浪费。

发明内容

因此，本发明的目的，即在提供一种无线网络的通道使用方法。

于是，本发明无线网络的通道使用方法，适用于一具有N个天线的切换节点在M个通道的环境下进行通道使用，其中N＜M。该方法包含下列步骤：计算一通道权重组，并根据该通道权重组由该M个通道中选择某一通道；根据该切换节点及至少一邻居节点间的一相互关系，决定一告知机制；利用该告知机制告知邻居节点该切换节点的一目前状态；及计算一通道停留时间，并在所选择的通道停留该通道停留时间。

本发明的另一目的，即在提供一种无线网络通道使用系统。

于是，本发明无线网络的通道使用系统，适用于一具有N个天线的无线网络装置在M个通道的环境下进行通道选择，其中N＜M。该系统包含一计算单元、一通道选择单元、一告知机制处理单元，及一控制单元。该计算单元用以计算一通道权重组，与计算一通道停留时间。该通道选择单元用以根据该通道权重组选择某一通道。该告知机制处理单元包括一告知机制选择模块，及一告知模块，该告知机制选择模块用以根据该无线网络装置及一第二无线网络装置间的一相互关系，以选择一告知机制，该告知模块用以利用该告知机制告知该第二无线网络装置该无线网络装置的一目前状态。该控制单元用以根据该通道停留时间以控制该无线网络装置在所选择的该通道的停留时间。

附图说明

图1是一系统架构图，说明本发明无线网络的通道使用系统的优选实施例；

图2是一状态图，说明一切换节点的目前状态的转换；

图3是一示意图，说明一天线在不同通道间切换的时序及状态；及

图4是一流程图，说明本发明无线网络的通道使用方法的优选实施例。

【主要元件符号说明】

1无线网络的通道使用系统

11............计算单元

111...........权重计算模块

112...........时间计算模块

12............通道选择单元

13............告知机制处理单元

131...........告知机制选择模块

132...........告知模块

14............控制单元

15............缓冲器

151..........队列

21............开始状态

22............停留状态

23............离开状态

24............结束状态

31～38......步骤

41～42......步骤

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与效果，在以下配合参考附图的一个优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

参阅图1、图2与图3，本发明无线网络的通道使用系统1的优选实施例，适用于一具有N个天线的切换节点(Switch Node)在M个通道且N＜M的环境下进行通道选择；该切换节点为一无线网络装置，其天线会在这些通道中切换；该切换节点对应至少一邻居节点(Neighbor Node)，该邻居节点亦为一无线网络装置。该系统1包含一计算单元11、一通道(Channel)选择单元12、一告知机制(Notify Mechanism)处理单元13、一控制单元14，及一缓冲器(Buffer)15。在本优选实施例中，该系统1应用于IEEE 802.11无线网络中，并整合成一驱动程序(Driver)的形式实现于该切换节点的媒体访问控制(Media Access Control，MAC)层。

将该M个通道中某一通道以Channel_i表示(i≤M)，该切换节点在Channel_i的一目前状态会在一开始(Start)状态21、一停留(Stay In)状态22、一离开(Left)状态23，及一结束(End)状态24间转换。其中，该开始状态21表示该切换节点没有足够的天线可以加入(Join)Channel_i，或该切换节点不考虑加入Channel_i。当该切换节点加入Channel_i，其由该开始状态21进入该停留状态22。当该切换节点在该停留状态22一通道停留时间后，如果其选择的下一个通道亦为Channel_i时，则该切换节点仍在该停留状态22；否则，该切换节点由该停留状态22进入该离开状态23。当该切换节点在离开状态23一通道离开时间后，如果其选择的下一个通道仍非Channel_i时，则该切换节点仍在该离开状态23；否则，该切换节点会重新进入该停留状态22。当该切换节点退出(Disjoin)Channel_i时，其由该停留状态22进入该结束状态24。

该计算单元11用于利用一时间比例考虑切换监管(Time Ratio AwareSwitching Superintendent，以下简称TRASS)演算法计算出一通道权重(Weight)组，及该通道停留时间；其中，该通道权重组具有多个权重，这些权重的数目与可被选择并切换的这些通道的数目相等，且每一权重与其中一通道相对应。该通道选择单元12用于根据该通道权重组进行通道选择。该告知机制处理单元13用于选择适当的一告知机制，并利用所选择的告知机制，使该切换节点对应的邻居节点得知该切换节点的目前状态。该控制单元14用于控制该系统1的处理流程(例如，该切换节点的目前状态的转换)，并决定该切换节点欲传送的数据是直接传送还是先缓冲存储于该缓冲器15。该缓冲器15包括多个队列(Queue)151，以队列_i(i≤M)表示，其中，这些队列151的数目与可被选择并切换的这些通道的数目相等，且每一队列151分别对应于其中一通道。如果该切换节点在Channel_i的目前状态为停留状态22，且其欲传送的数据的目的地不在Channel_i，则先将数据缓冲存储于该缓冲器15中对应于Channel_i的队列_i。

该计算单元11包括一权重计算模块111及一时间计算模块112。该权重计算模块111用于计算出该通道权重组；该时间计算模块112用于计算出该通道停留时间。在该计算单元11中所利用的该TRASS演算法，其细节描述如下。先定义TRASS演算法会使用到的所有变数(Variables)。

Channel_i：

●T_SN(i，j)为一切换节点占用时间，代表第j期间该切换节点实际占用Channel_i的时间。

●T_Other(i，j)为一其他节点占用时间，代表第j期间除了该切换节点之外的其他节点实际占用Channel_i的时间。

●T_{Stay_In}(i，j)代表第j期间的该通道停留时间，即，对Channel_i而言，该切换节点在第j期间于该停留状态22所持续的时间。

●T_Left(i，j)代表第j期间的该通道离开时间，即，对Channel_i而言，该切换节点在第j期间于该离开状态23所持续的时间。

●D_Buffered(i，j)代表第j期间结束后，该缓冲器15内队列_i尚余的数据量。

●D_Done(i，j)代表第j期间该切换节点已传送的数据量，如果D_Done(i，j)值为0，则将其值设定为一最小帧大小(Minimum Frame Size)。

●Weight_i代表对应于Channel_i的权重。

●α_i代表Channel_i的一老化率(Aging Rate)，其值可随Channel_i的不同条件进行调整。

●β_i代表Channel_i的通道使用率，为一预先定义值。

●γ_i代表可调整的一影响比例，0≤γ_i≤1。

●MinTime代表完成一基本操作所需时间。

${\mathrm{Weight}}_i=[(1-{\mathrm{\γ}}_i)\×\left(\frac{\underset{k=1}{\overset{j-2}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{SN}}(i,k)}{\underset{k=1}{\overset{j-2}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{StayIn}}(i,k)}\right)+{\mathrm{\γ}}_i\×\frac{T_{\mathrm{SN}}(i,j-1)}{T_{\mathrm{StayIn}}(i,j-1)}]......\left(1\right)$

$\×(1+\frac{D_{\mathrm{Buffered}}(i,j-1)}{D_{\mathrm{Done}}(i,j-1)})+T_{\mathrm{Left}}(i,j)\×{\mathrm{\α}}_i$

其中，Weight_i反映了Channel_i的一堵塞程度及在该离开状态23所持续的时间(即，T_Left(i，j)；在第j期间之前，如果该切换节点实际占用Channel_i的时间越长且该缓冲器15内队列_i尚余的数据量越大，即代表Channel_i的堵塞程度越高。如果Channel_i的堵塞程度越高且在该离开状态23所持续的时间越长，则Weight_i值越大且Channel_i被选择的机率越高。

$T_{\mathrm{SN}}(i,j)=[(1-{\mathrm{\γ}}_i)\×\left(\frac{\underset{k=1}{\overset{j-2}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{SN}}(i,k)}{\underset{k=1}{\overset{j-2}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{Left}}(i,k)}\right)+{\mathrm{\γ}}_i\×\frac{T_{\mathrm{SN}}(i,j-1)}{T_{\mathrm{Left}}(i,j-1)}]$

$\×T_{\mathrm{Left}}(i,j)\×(1+\frac{D_{\mathrm{Buffered}}(i,j-1)}{D_{\mathrm{Done}}(i,j-1)})$

$T_{\mathrm{Other}}(i,j)=[(1-{\mathrm{\γ}}_i)\×\left(\frac{\underset{k=1}{\overset{j-2}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{SN}}(i,k)}{\underset{k=1}{\overset{j-2}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{StayIn}}(i,k)}\right)+{\mathrm{\γ}}_i\×\frac{T_{\mathrm{Other}}(i,j-1)}{T_{\mathrm{StayIn}}(i,j-1)}]....\left(2\right)$

$\×T_{\mathrm{StayIn}}(i,j)$

$\frac{T_{\mathrm{SN}}(i,j)+T_{\mathrm{Other}}(i,j)}{T_{\mathrm{StayIn}}(i,j)}={\mathrm{\β}}_i$

其中， $\frac{T_{\mathrm{SN}}(i,j)+T_{\mathrm{Other}}(i,j)}{T_{\mathrm{StayIn}}(i,j)}$ 可视为一总流量负载比例(Total Traffic LoadRatio)。

由式子(2)可推导出T_{Stay_In}(i，j)如式子(3)所示，为了简化表示，令

$\frac{T_{\mathrm{Other}}^{\′}(i,j-1)}{T_{\mathrm{Stay}\_\mathrm{In}}^{\′}(i,j-1)}=[(1-{\mathrm{\γ}}_i)\×\left(\frac{\underset{k=1}{\overset{j-2}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{Other}}(i,k)}{\underset{k=1}{\overset{j-2}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{StayIn}}(i,k)}\right)+{\mathrm{\γ}}_i\×\frac{T_{\mathrm{Other}}(i,j-1)}{T_{\mathrm{StayIn}}(i,j-1)}].$

$T_{\mathrm{Stay}\_\mathrm{In}}(i,j)=\frac{T_{\mathrm{SN}}(i,j)}{{\mathrm{\β}}_i-\frac{T_{\mathrm{Other}}^{\′}(i,j-1)}{T_{\mathrm{Stay}\_\mathrm{In}}^{\′}(i,j-1)}}......\left(3\right)$

其中，T_{Stay_In}(i，j)的值存在几种特例：特例一、求出的T_{Stay_In}(i，j)小于MinTime；特例二、Channel_i过于堵塞而无法达到适当的通道使用率，即， $\frac{T_{\mathrm{Other}}(i,j-1)}{T_{\mathrm{StayIn}}(i,j-1)}\≥{\mathrm{\β}}_i;$ 特例三、之前的总流量负载比例总是大于通道使用率，即， $\frac{T_{\mathrm{SN}}(i,j-2)+T_{\mathrm{Other}}(i,j-2)}{T_{\mathrm{StayIn}}(i,j-2)}\≥{\mathrm{\β}}_i,$ 且 $\frac{T_{\mathrm{SN}}(i,j-1)+T_{\mathrm{Other}}(i,j-1)}{T_{\mathrm{StayIn}}(i,j-1)}\≥{\mathrm{\β}}_i.$ 所以，T_{Say_In}(i，j)的算式可再归纳如式子(4)所示。

该告知机制处理单元13包括一告知机制选择模块131及一告知模块132。该告知机制选择模块131根据该切换节点及其对应的邻居节点间的一相互关系，选择适当的告知机制；该告知模块132再利用所选择的告知机制，使该切换节点对应的邻居节点得知该切换节点的目前状态。其中，告知机制可分为三类，其细节描述如下。

第一类、若该相互关系为：该切换节点及其对应的邻居节点是在网格状网络中，且该切换节点为网格状点(Mesh Point，MP)并支持省电(Power-saving)机制；则采用省电机制作为告知机制。实际上的作法为：该切换节点进入省电模式并发布一信标(Beacon)给其对应的邻居节点，此时，信标的一电源管理(Power Management，PM)位设为1，以使邻居节点得知该切换节点欲离开Channel_i(即，该切换节点的目前状态由该停留状态22进入该离开状态23)；反之，该切换节点离开省电模式并发布信标给其对应的邻居节点，此时，信标的PM位设为0，以使邻居节点得知该切换节点欲重新回到Channel_i(即，该切换节点的目前状态由该离开状态23进入该停留状态22)。

第二类、若该相互关系为：当该切换节点及其对应的邻居节点是在基础架构BSS中，且该切换节点为AP并支持混合协调功能控制通道存取(Hybrid Coordination Function(HCF)Controlled Channel Access，HCCA)机制；则采用HCCA机制作为告知机制。实际上的作法为：该切换节点进入免竞争时段(Contention Free Period，CFP)并发布信标给其对应的邻居节点，此时，信标的一免竞争(Contention Free，CF)参数被设定，以使邻居节点得知该切换节点欲离开Channel_i(即，该切换节点的目前状态由该停留状态22进入该离开状态23)；反之，该切换节点发布免竞争-结束(CF-End)，以使邻居节点得知该切换节点欲重新回到Channel_i(即，该切换节点的目前状态由该离开状态23进入该停留状态22)。

第三类、若该相互关系为上述第一类但该切换节点不支持省电机制，或该相互关系为上述第二类但该切换节点不支持HCCA机制；则采用反身清除发送(Clear to Send(CTS)-to-self)机制作为告知机制。实际上的作法为：该切换节点发布一CTS-to-self帧且更新一网络配置向量(NetworkAllocation Vector，NAV)，此时Channel_i的介质访问被限制(Bounding)，故该切换节点可安全的离开Channel_i(即，该切换节点的目前状态由该停留状态22进入该离开状态23)；反之，该切换节点重设NAV以释放(Release)Channel_i，并重新回到Channel_i(即，该切换节点的目前状态由该离开状态23进入该停留状态22)。

参阅图1、图2与图4，对应上述优选实施例，本发明在IEEE 802.11无线网络中以较少天线使用多通道的方法的优选实施例包含下列步骤。其中，该方法的步骤主要是在该停留状态22与该离开状态23间转换。

在步骤31中，该计算单元11的权重计算模块111先利用上述式子(1)计算出该通道权重组；该通道选择单元12再根据该通道权重组中的每一权重，判断是否选择Channel_i并重新回到Channel_i(即，该切换节点的目前状态是否由该离开状态23进入该停留状态22)；若是，则继续进行步骤32；否则，该切换节点的目前状态仍在该离开状态23。其中，当与Channel_i对应的权重Weight_i最大时，则选择Channel_i并重新回到Channel_i。

在步骤32中，首先，该告知机制处理单元13的告知机制选择模块131根据该切换节点及其对应的邻居节点间的相互关系选择告知机制；继而，该告知模块132利用所选择的告知机制，使邻居节点得知该切换节点欲重新回到Channel_i；最后，重新回到Channel_i。此时，该切换节点的目前状态为该停留状态22；且如步骤41所示，当邻居节点得知该切换节点已重新回到Channel_i时，便开始传送暂存的数据给该切换节点。

在步骤33～34中，该计算单元11的时间计算模块112利用上述式子(2)与(4)计算出该通道停留时间T_{Stay_In}(i，j)，并在Channel_i停留T_{Stay_In}(i，j)。此时，该控制单元14根据其欲传送的数据的目的地是否在Channel_i，来判断该切换节点欲传送的数据是直接传送还是先缓冲存储于该缓冲器15。

在步骤35～37中，当该切换节点已在Channel_i停留T_{Stay_In}(i，j)后，该权重计算模块111再度计算该通道权重组，且该通道选择单元12根据该通道权重组中的每一权重，选择下一个欲停留的通道Channel_x；若依然选择Channel_i(即，x＝i)，则回到步骤33；否则，继续进行步骤38的处理。

在步骤38中，该告知模块132利用所选择的告知机制，使邻居节点得知该切换节点欲离开Channel_i并离开Channel_i。此时，该切换节点的目前状态为该离开状态23；且如步骤42所示，当邻居节点得知该切换节点已离开Channel_i时，便开始暂存欲传送给该切换节点的数据。

归纳上述，本发明通过选择适当的告知机制，并利用TRASS演算法求出较佳的通道停留时间；可降低分组丢失与连线中断的机率，并减少通道时间的浪费；的确可以达成本发明的目的。

惟以上所述者，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明要求保护的范围内。

Claims (20)

1.一种无线网络的通道使用方法，适用于一具有N个天线的切换节点在M个通道的环境下进行通道使用，其中N＜M，该方法包含下列步骤：

计算一通道权重组，并根据该通道权重组由该M个通道中选择某一通道；

根据该切换节点及至少一邻居节点间的一相互关系，决定一告知机制；

利用该告知机制告知该邻居节点该切换节点的一目前状态；以及

计算一通道停留时间，并在所选择的该通道停留该通道停留时间。

2.如权利要求1所述的通道使用方法，其中该通道权重组具有多个权重，每一权重与其中一通道相对应。

3.如权利要求2所述的通道使用方法，其中该目前状态在一开始状态、一停留状态、一离开状态，及一结束状态间转换。

4.如权利要求3所述的通道使用方法，其中当某一通道的一堵塞程度越高，且该切换节点在该离开状态所持续的时间越长，则对应的权重值越大。

5.如权利要求2所述的通道使用方法，其中在计算该通道权重组，并根据该通道权重组由该M个通道中选择某一通道的步骤中，选择权重值最大者所对应的通道。

6.如权利要求1所述的通道使用方法，其中若该切换节点及其对应的邻居节点间的该相互关系为：该切换节点及邻居节点是在一网格状网络中，且该切换节点为一网格状点并支持一省电机制，则采用该省电机制作为该告知机制。

7.如权利要求1所述的通道使用方法，其中若该切换节点及其对应的邻居节点间的该相互关系为：该切换节点及邻居节点是在基础架构基本服务组合中，且该切换节点为一接入点并支持一混合协调功能控制通道存取机制，则采用该混合协调功能控制通道存取机制作为该告知机制。

8.如权利要求1所述的通道使用方法，其中若该切换节点及其对应的邻居节点间的该相互关系为：该切换节点及邻居节点是在一网格状网络中，且该切换节点为一网格状点但不支持一省电机制，则采用一反身清除发送机制作为该告知机制。

9.如权利要求1所述的通道使用方法，其中该通道停留时间由一通道使用率、目前的一切换节点占用时间，及之前的一其他节点占用时间所决定。

10.如权利要求3所述的通道使用方法，还包含下列步骤：

如果已告知邻居节点该切换节点的目前状态进入该停留状态，则邻居节点传送暂存给该切换节点的数据。

11.如权利要求3所述的通道使用方法，还包含下列步骤：

如果已告知邻居节点该切换节点的目前状态进入该离开状态，则邻居节点暂存欲传送给该切换节点的数据。

12.如权利要求1所述的通道使用方法，应用于IEEE 802.11无线网络中。

13.一种无线网络的通道使用系统，适用于一具有N个天线的无线网络装置在M个通道的环境下进行通道选择，其中N＜M，该系统包含：

一计算单元，用以计算一通道权重组与计算一通道停留时间；

一通道选择单元，用以根据该通道权重组选择某一通道；

一告知机制处理单元，包括一告知机制选择模块，及一告知模块，该告知机制选择模块用以根据该无线网络装置及一第二无线网络装置之间的一相互关系，以选择一告知机制，该告知模块用以利用该告知机制告知该第二无线网络装置该无线网络装置的一目前状态；及

一控制单元，用以根据该通道停留时间以控制该无线网络装置在所选择的该通道的停留时间。

14.如权利要求13所述的通道使用系统，其中该通道权重组具有多个权重，每一权重与其中一通道相对应。

15.如权利要求14所述的通道使用系统，其中该控制单元还用以控制该无线网络装置的目前状态在一开始状态、一停留状态、一离开状态，及一结束状态间转换。

16.如权利要求15所述的通道使用系统，其中当某一通道的一堵塞程度越高，且该无线网络装置在该离开状态所持续的时间越长，则对应的权重值越大。

17.如权利要求14所述的通道使用系统，其中该通道选择单元系选择权重值最大者所对应的通道。

18.如权利要求13所述的通道使用系统，其中当该无线网络装置及一第二无线网络装置是在一网格状网络中，且该无线网络装置为一网格状点并支持一省电机制时，则该告知机制选择模块采用一省电机制以作为该告知机制。

19.如权利要求13所述的通道使用系统，其中当该无线网络装置及一第二无线网络装置是在基础架构基本服务组合中，且该无线网络装置为一接入点并支持一混合协调功能控制通道存取机制时，则该告知机制选择模块采用一混合协调功能控制通道存取机制以作为该告知机制。

20.如权利要求13所述的通道使用系统，其中当该无线网络装置及一第二无线网络装置是在一网格状网络中，且该无线网络装置为一网格状点但不支持一省电机制时，则该告知机制选择模块采用一反身清除发送机制以作为该告知机制。

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