CN102119571A - 无线节点进行的用于改善操作范围的自适应性信道选择 - Google Patents

Abstract

通过每一节点执行能量/噪声扫描以确定相对于无线网络中的其它可用信道具有最低噪声及/或干扰(例如，最佳接收条件)的接收信道来实现所述无线网络中的改善的消息范围。此后，每一节点可在其目前接收信道上的噪声/干扰环境改变(例如，另一信道上的噪声/干扰小于所述目前接收信道上的噪声)的情况下周期性地扫描可用信道以调整其最优接收信道。当节点改变接收信道时，无线节点可广播此信息以向其相邻节点通知其接收信道的改变。

Description

无线节点进行的用于改善操作范围的自适应性信道选择

技术领域

本发明涉及无线网络，且更特定来说涉及具有自适应性信道选择以改善其操作范围的无线节点。

背景技术

节点是在数字通信及联网中使用的术语，用来表示网络中线在其处相交或分叉的点、附接到网络的装置或计算机网络中可在其处发射、接收或转发消息的终端或其它点。节点可以是连接到计算机网络的任何装置。节点可以是计算机、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、开关、路由器或各种其它联网的装置。在无线网络的情况下，节点使用以微波频率(例如，2.4GHz ISM带及类似物)操作的收发器(接收器及发射器)。

具有预界定输出功率的无线节点之间消息的成功发射取决于接收节点(例如，目的地节点)处的噪声电平。接收节点处的较低噪声电平具有增加接收节点的敏感性及/或增加来自与接收节点通信的发射节点(例如，始发节点)的发射功率的相同作用。众多数字无线通信，例如Wi-Fi、BLUETOOTH^(R)(蓝牙SIG公司的注册商标，华盛顿州贝尔维尤98004，第108东北大街500号，250室(Bluetooth SIG，Inc.，500 108th Avenue NE，Suite 250，Bellevue WASHINGTON 98004))、ZIGBEE^(R)(加利福尼亚州ZigBee联盟公司的注册商标，加利福尼亚州圣拉蒙94583，卡米诺拉蒙2400号，375室(ZigBee Alliance CORPORATION CALIFORNIA，2400 Camino Ramon，Suite 375，San Ramon CALIFORNIA 94583))等在(举例来说，但不限于)密集的2.4GHz ISM带中形成较大干扰。此干扰实际上增加噪声最低值且使接收节点的可靠接收降级。

参照图1，其描绘使用一个信道(频率)在无线节点之间通信(即，所有节点在同一信道上彼此谈话)的传统无线网络。在此实例中，信道15用于无线节点之间的通信。随着网络大小(面积及节点的数目)增大，每一接收节点的噪声电平增加还是减小取决于其位置及其因在同一信道上发射的干扰源(例如，WiFi、蓝牙等)而经受的干扰。期望找到具有最小量的干扰及噪声以使得接收(目的地)节点最优地发挥作用的信道(频率)。存在对于在无线网络中通信的所有节点均最好的单个信道(频率)的可能性极小。

发明内容

因此，需要通过找到在无线网络的每一节点处具有最小背景噪声的频率(信道)且将所述频率用于节点之间的通信来优化节点接收，从而改善数据信号发射错误率且增加通信节点之间的可用距离。

用于无线节点的最优接收频率(信道)在接收频率的选定节点处具有最小噪声功率，从而计及无线节点彼此之间的空间关系。因此，每个节点可在最好的最小噪声频率(信道)上接收信号且从而在仅在一个信道上通信的传统无线网络上具有大大改善的性能，不管节点中的每一者的位置处存在的噪声如何。

根据本发明的教示，每一节点执行能量/噪声扫描以确定相对于其它信道具有最低噪声及/或干扰(例如，最佳接收条件)的接收信道。此后，每一节点可在其目前接收信道上的噪声/干扰环境改变(例如另一信道上的噪声/干扰小于所述目前接收信道上的噪声/干扰)的情况下周期性地扫描可用信道以调整其最好接收信道。当节点改变接收信道时，无线节点可广播此信息以向其相邻节点通知其接收信道的改变。

每个无线节点存储可发送消息的其所有相邻节点的接收信道。当广播消息时，始发节点在所有可用信道上发送所述消息。广播是从一个点向所有其它点发送消息，例如，一个始发节点向具有与所述始发节点通信的能力的所有节点发射信息。

当单播消息时，始发节点将切换到目的地节点的已知接收信道且然后发射所述消息。单播是从一个点向另一点发送通信，例如，一个始发节点与一个目的地节点。所述消息可包括始发节点的接收信道，供目的地节点在始发节点的接收信道上响应。在传递所述消息之后，始发节点将切换回到其操作接收信道以从目的地节点接收可能响应。在于预界定时间内未接收到响应的情况下，将重复所述消息直到达到预界定的尝试数目，然后可将过时错误发送到上面软件层。

如果尝试发送消息的指定尝试数目已失败，那么始发节点需要通过获取目的地节点的当前接收信道来与目的地节点重新同步。始发节点将尝试在所有信道上向既定目的地节点发出重新同步命令。如果目的地节点在不同于所述节点的当前已知(所存储)接收信道的信道上响应于所述重新同步命令，那么将所述不同信道更新为所述节点的新接收信道且对其执行另一单播发射。如果重新同步不成功，那么发射将被标记为失败且将通知软件应用程序。

在目的地节点接收到广播消息之后，目的地节点将通知装置上部层处理所接收的消息。在接收到单播消息后，如果不需要响应，那么目的地节点将即刻通知上部层处理所述消息。如果需要响应，那么目的地节点将切换到目的地节点的接收信道且在切换回到目的地节点的接收信道以接收下一消息之前发出所述响应。

因此，每一及每个个别节点在于其局部环境处具有最小噪声及/或干扰的信道上接收消息，且当局部噪声/干扰环境改变时视需要调整接收信道(频率)而不影响整个无线网络。因此，在于无线网络中工作的节点中的每一个节点处有效地降低接收噪声/干扰，以实现消息传递的更好范围及/或可靠性。

根据本发明的具体实例性实施例，一种无线网络，其具有借助自适应性信道选择来改善其之间的通信范围的多个节点，所述无线网络包含：多个无线节点，所述多个无线节点中的每一者能够成为始发节点或目的地节点；且所述多个无线节点中的每一者具有针对所述节点的位置处的最佳接收而选择的接收信道；其中所述始发节点在所述目的地节点的接收信道上发送消息。

根据本发明的另一具体实例性实施例，一种用于改善多个节点之间的通信范围的方法包含以下步骤：扫描可用于多个节点的接收信道；针对所述多个节点中的每一个节点选择具有最佳接收的接收信道；及将所述选定接收信道中的每一者存储于所述多个节点中的相应者中。

附图说明

结合附图参照以下说明可更全面地理解本发明，在附图中：

图1是使用共用操作信道来在每一节点处接收及发射两者的典型现有技术无线网络的节点的示意性空间分布图；

图2是根据本发明的具体实例性实施例的使用针对目的地节点中的每一者处的最小接收噪声而选择的接收信道的无线网络的节点的示意性空间分布图；

图3是根据本发明的教示的用于确定用于每一节点的最优接收信道的示意性流程图；

图4是根据本发明的教示的用于发射单播消息的示意性流程图；

图5是根据本发明的教示的用于接收如图4中所示的单播消息的示意性流程图；

图6是根据本发明的教示的用于每一节点的接收信道的重新同步的示意性流程图；及

图7是根据本发明的教示的用于接收并处理广播消息的示意性流程图。

尽管本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中显示并在本文中详细描述其具体实例性实施例。然而，应理解，本文对具体实例性实施例的说明并非打算将本发明限定于本文所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖随附权利要求书所界定的所有修改及等效形式。

具体实施方式

现在参照图式，其示意性地图解说明具体实例性实施例的细节。图式中，相同的元件将由相同的编号表示，且相似的元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示。

参照图1，其描绘使用共用操作信道来在每一节点处进行接收及发射两者的典型现有技术无线网络的节点的示意性空间分布图。大体由编号100表示的典型现有技术无线网络使用一个信道(频率)来在无线节点之间通信，即，所有节点在同一信道上彼此谈话。在此实例中，信道15用于无线节点之间的通信，即，始发节点102发射数据包且目的地节点104接收数据包。随着网络大小(面积及节点的数目)增大，每一目的地节点的接收噪声电平增加还是减小取决于其在网络中的位置及其因在同一信道上发射的其它电子装置及/或相邻节点而经受的噪声/干扰。

参照图2，其描绘根据本发明的具体实例性实施例的使用针对目的地节点中的每一者处的最小接收噪声而选择的接收信道的无线网络的节点的示意性空间分布图。大体由编号200表示的无线网络包含：多个节点，例如始发节点202及目的地节点204，其接收信道经选择以在目的地节点204的每一位置处在接收信道上获得最小噪声/干扰。用于无线节点204的最优接收频率(信道)在选定节点频率处具有最小噪声/干扰功率，例如因无线节点202与204彼此之间的空间关系而产生的噪声/干扰、从其它电子装置产生的噪声/干扰等。因此，每个目的地节点204可在最好的最小噪声频率(信道)上从始发节点202接收信号(例如，数据包)且从而优于仅在一个信号信道上通信的传统无线网络具有大大改善的性能，而不管目的地节点204的位置处存在的噪声/干扰如何。

参照图3，其描绘根据本发明的教示的用于确定用于每一节点的最优接收信道的示意性流程图。在步骤302中，每一节点扫描所有可用信道，以确定具有最低噪声/干扰的接收信道。在步骤304中，从可用接收信道中选择(且将其存储于节点中)最低噪声接收信道作为所述节点的接收信道。然后在步骤306中，将在步骤304中针对每一节点选择的接收信道广播给所有相邻节点。在步骤308中，每一节点存储其相邻节点的接收信道。

参照图4，其描绘根据本发明的教示的用于发射单播消息的示意性流程图。单播是从一个点向另一点发送通信，例如，一个始发节点向一个目的地节点发送消息(例如，多个数据包)。在步骤400中起始单播消息。在步骤402中，消息始发(发射)节点切换到既定目的地节点的接收信道。在步骤404中，始发节点的接收信道包括在待发送的所述单播消息中，以使得目的地节点可在所述单播消息的接收的其最优接收信道处响应于始发节点。在步骤406中，始发节点发送所述单播消息。然后在步骤408中，始发节点切换回到其接收信道，以期接收从目的地节点发送的预期响应。步骤410确定始发节点是否从目的地节点接收到响应，如果是，那么在步骤418中完成所述单播消息。

如果在步骤410中接收到响应，那么单播消息完成。如果在步骤410中于在步骤412中所确定的一定时间内未接收到响应，那么步骤412中的消息重复计数器在步骤414中已达到其限制，且在步骤416中将消息失败警报发送到应用程序。如果尚未超过一定重发数目，那么如上文针对步骤402到408所论述发射所述单播消息。

如果对于始发节点所发送的相应消息包不需要来自目的地节点的响应，那么始发节点只是将消息作为时间序列包发送且然后在消息包(例如，用户数据报协议(UDP))之间切换回到其接收信道。

参照图5，其描绘根据本发明的教示的用于接收如图4中所示的单播消息的示意性流程图。在步骤502中，作出是否已接收到单播消息的确定。如果是，那么在步骤504中作出是否需要对所述所接收单播消息的响应的确定。如果不需要响应，那么在步骤512中处理所述所接收的单播消息。

然而，如果需要响应，那么在步骤506中目的地节点切换到始发节点的接收信道。然后，在步骤508中，在其接收信道上将响应发送到始发节点。一旦此响应已被发射，那么目的地节点在步骤510中切换回到其接收信道且在步骤512中处理所述消息。

参照图6，其描绘根据本发明的教示的用于每一节点的接收信道的重新同步的示意性流程图。在步骤602中选择信道。在步骤604中在选定信道上将重新同步消息发射到所需节点。在步骤606中一定时间流逝。然后在步骤608中作出是否从所述所需节点接收到响应的确定。当接收到响应时，那么在步骤610中，如果响应目的地节点的当前接收信道已改变那么在始发节点的接收信道表格中对其进行更新。然后步骤400开始对所需目的地节点的新单播消息(见图4及上文对其的说明)。

然而，如果在一定时间内未接收到响应，那么在步骤612中作出是否已尝试所有信道的确定。如果仍存在待尝试的信道，那么在步骤614中选择另一信道且步骤604到608如上文所描述进行重复。如果已尝试所有信道且仍尚未从所需节点接收到响应，那么在步骤616中将重新同步失败消息发送到应用程序。

参照图7，其描绘根据本发明的教示的用于接收并处理广播消息的示意性流程图。在步骤702中，作出是否正接收广播消息的确定。然后在步骤704中作出是否应转播所接收的广播消息的确定。如果将不转播所述广播消息，那么在步骤712中处理所述消息。然而，如果将转播所述广播消息，那么在步骤706中选择信道，且在步骤708中在所述信道上转播所述消息。在步骤710中，作出是否在无线网络的所有信道上转播所述消息的确定。如果否，那么在步骤714中选择另一信道，且步骤706到710如上文所描述进行重复。当已在所有信道上转播所述消息时，那么在步骤712中处理所述消息。

虽然已参照本发明的实例性实施例来描绘、描述及界定本发明的实施例，但此参照并不意味着限定本发明，且不应推断出存在此限定。所揭示的标的物能够在形式及功能上具有大量修改、替代及等效形式，所属领域的技术人员将会联想到此等修改、替代及等效形式并受益于本发明。所描绘及所描述的本发明实施例仅作为实例，而并非是对本发明的范围的穷尽性说明。

Claims (18)

1.一种无线网络，其具有借助自适应性信道选择来改善其之间的通信范围的多个节点，所述无线网络包含：

多个无线节点，所述多个无线节点中的每一者能够成为始发节点或目的地节点；且

所述多个无线节点中的每一者具有针对所述节点的位置处的最佳接收而选择的接收信道；

其中所述始发节点在所述目的地节点的所述接收信道上发送消息。

2.根据权利要求1所述的无线网络，其进一步包含所述多个无线节点中的每一者存储相邻节点的所述接收信道。

3.根据权利要求1所述的无线网络，其中针对最佳接收的所述选择是通过比较所有可用接收信道上的噪声电平且选择具有最低噪声电平的所述接收信道而确定的。

4.根据权利要求1所述的无线网络，其中针对最佳接收的所述选择是通过比较所有可用接收信道上的干扰且选择具有最小干扰的所述接收信道而确定的。

5.根据权利要求1所述的无线网络，其中针对最佳接收的所述选择是通过比较所有可用接收信道上的噪声电平及干扰且选择具有所述最低噪声电平及所述最小干扰的所述接收信道而确定的。

6.根据权利要求1所述的无线网络，其中当将消息发送到所述目的地节点时所述始发节点指示其接收信道。

7.根据权利要求6所述的无线网络，其中所述目的地节点在由所述始发节点所指示的所述接收信道上发送消息响应。

8.根据权利要求6所述的无线网络，其中所述始发节点的所述接收信道包括在到所述目的地节点的所述消息中。

9.一种用于改善多个节点之间的通信范围的方法，所述方法包含以下步骤：

扫描可用于多个节点的接收信道；

针对所述多个节点中的每一个节点选择具有最佳接收的接收信道；及

将所述选定接收信道中的每一者存储于所述多个节点中的相应者中。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述选择具有所述最佳接收的所述接收信道的步骤包含选择在所述多个节点中的相应一者处具有最低噪声电平的所述接收信道的步骤。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述选择具有所述最佳接收的所述接收信道的步骤包含选择在所述多个节点中的相应一者处具有最小干扰的所述接收信道的步骤。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述选择具有所述最佳接收的所述接收信道的步骤包含选择在所述多个节点中的相应一者处具有最低噪声电平及最小干扰的所述接收信道的步骤。

13.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含将针对所述多个节点中的每一个节点的所述选定接收信道广播到所述多个节点中的其它节点的步骤，其中所述多个节点中的每一个节点存储相邻节点的所述接收信道。

14.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含发送单播消息的步骤，所述步骤包含以下步骤：

a)切换到目的地节点的所述接收信道；

b)将始发节点的所述接收信道包括在待发送到所述目的地节点的所述单播消息中；

c)将所述单播消息发送到所述目的地节点；

d)返回到所述始发节点的所述接收信道；

e)确定是否从所述目的地节点接收到响应；

如果接收到所述响应，那么完成所述单播消息；

如果在一定时间内未接收到所述响应，那么重复步骤a)到e)直到在所述一定时间内接收到所述响应；且

如果将步骤a)到e)重复多于一定次数，那么向应用程序通知发送所述单播消息的失败。

15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包含接收所述单播消息的步骤，所述步骤包含以下步骤：

确定所述单播消息是否正由所述目的地节点接收；及

确定是否需要发送所述响应，其中

如果不需要，那么处理所述所接收的单播消息，且

如果需要，那么

切换到所述始发节点的所述接收信道，

将所述响应发送到所述始发节点，

切换回到所述目的地节点的所述接收信道，及

处理所述所接收的单播消息。

16.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含将重新同步发射到目的地节点的步骤，所述步骤包含以下步骤：

a)选择所述接收信道中的一者；

b)在所述选定接收信道上将重新同步消息发送到目的地节点；

c)确定是否从所述目的地节点接收到重新同步响应，其中

如果在一定时间内未接收到重新同步响应，那么选择所述接收信道中的另一者且重复步骤b)及c)直到已选择所有所述接收信道，且

如果在已选择所有所述接收信道之后仍未接收到所述重新同步响应，那么向所述应用程序发出重新同步失败的警报；

如果在所述一定时间内接收到所述重新同步响应，那么将所述目的地节点的所述接收信道更新为经更新接收信道，且

在所述目的地节点的所述经更新接收信道上起始所述单播消息。

17.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含接收广播消息的步骤，所述步骤包含以下步骤：

确定是否正接收广播消息；

确定是否将转播所述所接收的广播消息，其中

如果将不转播所述所接收的消息，那么处理所述所接收的消息，且

如果将转播所述所接收的消息，那么转播所述所接收的消息。

18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包含转播所述所接收的消息的步骤，所述步骤包含以下步骤：

a)选择所述接收信道中的一者；

b)在所述选定信道上转播所述所接收的信息；

c)确定是否已在所有所述接收信道上转播所述所接收的消息，其中

如果尚未在所有所述接收信道上转播所述所接收的消息，那么选择所述接收信道中的另一者且重复步骤b)及c)，及

如果已在所有所述接收信道上转播所述所接收的消息，那么处理所述消息。

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