CN102177746A - 网状结构型网络中的信道切换 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过在网络节点之间交换信道信息以累积它们对可用通信信道的质量和可用性的观点而使得能够实现灵活的信道切换的方法和装置。现在，即使在同时发起切换时，网络节点也可以彼此独立地切换到相同信道。

Description

网状结构型网络中的信道切换

技术领域

本发明总体涉及用于检查在诸如但不限于无线局域网（WLAN）的网状结构（mesh）的无线传输系统中的信道可用性的装置、系统、方法和计算机程序产品。

背景技术

在没有网状结构服务的WLAN部署中，终端站（STA）必须与接入点（AP）关联以便获得对网络的访问。这些终端站依赖于它们所关联的AP以进行通信。

从其它网络和较高层协议的观点来看，所谓的网状结构网络看起来在功能上等效于广播以太网。作为例子，网状结构网络可以是根据IEEE（电气和电子工程师学会）802.11规范的LAN，其中链路和控制元件在网络成员之间转发帧。因此，通常看起来好像网状结构中的所有无线电节点或网状结构点（MP）直接连接在链路层。这种功能性对较高层协议是透明的（transparent）。

当前的信息技术标准草案-系统之间的电信和信息交换-LAN/MAN具体要求-第11部分：无线介质接入控制（MAC）和物理层（PHY）规范：修改：网状结构联网，IEEE未批准草案，IEEE P802.11s/D2.0，2008年3月包括用于信道切换的协议。但是，仍然存在多个与在上述草案标准的11B.4节中描述的且具体地在11B.4.3节中描述的当前协议关联的问题。信道切换是基于信道切换通知（announcement）帧（对照7.4.16.10节），除了关于要切换到的频道的信息之外，该帧还包含定时器值和信道优先值。

根据该协议，检测干扰的无线电节点（例如雷达等）或需要切换信道的另一节点决定要切换到的频道。然后，该无线电节点或者另一节点通过将信道切换通知中的新信道信息发送到其对等方而发起信道切换。但是，该无线电节点或者另一节点不立即切换信道，而是将实际的切换推迟由定时器值指示的时间量。而且，该无线电节点或者另一节点在通知中包括信道优先值。这是随机值，并在更多站或多或少地同时发起信道切换的情况下用于优先级化。

此外，根据该协议，接收信道切换通知的站将该通知传播到其对等方，并且还设置它们的定时器。已经设置其定时器的站处于切换的过程中。如果处于信道切换过程中的节点接收到另一信道切换消息，则其将该新消息中的信道优先值与其当前信道优先值相比较。如果新的值超过当前值，则接受该消息，相应地设置信道切换操作的参数，并且将该消息传播到对等方。如果该信道优先值在数值上小于当前信道优先值，则该新消息被忽略。如果这两个信道优先值相等，则存在基于MAC地址的平分决胜规则（tie breaking rule）。

该随机信道优先值因此被包括在通知中以在多个站同时发起信道切换的情况下作为决定支持。

因此，要切换到的信道由检测干扰并发起信道切换的无线电节点决定。但是，该协议不包含关于要切换到的信道是有效信道的保证或甚至预警。在图2中图示了简单的情况。第一无线电节点A发起信道切换，并计划以信道优先值CPV=5而切换到信道No.5。但是，第二无线电节点B是已经使其无线电设备之一以更高的信道优先值CPV=7调谐到信道No.5的多无线电节点。在此情况下，不能实施信道切换，并且破坏了网状结构。

如果第二无线电节点B经历了许多例如由于位于附近的基站子系统（BSS）引起的对信道No.5的干扰，则将出现类似的情况。

另外，在以上协议中，可操作的频道总是由信道优先值表征。为了发起切换，发起者节点必须随机选择比当前信道上的信道优先值高的信道优先值。但是，在某些信道切换之后，这可能不再能够进行。

如已经所述的，该协议基于定时器值。直到定时器到期才执行信道切换。但是，定时器值应该被选择为使得信道切换消息可以传播到操作在要被撤离的信道上的所有节点。但是，应该允许附加的时间余量，因为可以从网状结构的另一方发起竞争消息。

图3示出了信道切换消息（例如信道切换通知（CSA））从网状结构网络的一端（节点A）传播到另一端（节点Z）的示意性网络环境。在此，节点A发起信道切换。因此它需要在信道切换消息中设置定时器。定时器值T应该足够大，以不仅允许信道切换消息传播到网状结构的边缘节点（节点Z），而且使具有较高信道优先值（CPV）的竞争消息传播回来，在此是从节点Z传播回节点A。由于信道切换消息的始发者节点（节点A）既不知道网状结构的大小也不知道网状结构的拓扑，因此问题加剧。如果未恰当地设置定时器值，比如设置的太短，则这将导致断开的网状结构。因此，信道切换时间必须被设置为使得信道切换消息可以从网状结构的一端传播到另一端，但是还必须具有用于竞争消息传播回来的足够余量。

如果在前述情景下定时器值被设置为非常保守的值，则这将导致在其不再允许使用的频道上操作很长时间的网状结构。作为替换，可以禁止节点在切换时段期间交换消息。但是，利用此选择，对于相当长时间段该网状结构是不可操作的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种可以不需要新的框架或算法的更灵活的信道切换方法。

通过如权利要求1中要求保护的装置、如权利要求10中要求保护的方法以及权利要求11中要求保护的系统来实现该目的。

从而，各个节点或站可以准备信道切换，并且现在即使在同时发起切换时也可以彼此独立地切换到相同信道。不再需要依赖于信道优先值来仲裁。节点不仅仅报告它们自己的对信道可用性的观点。而是，它们报告这样的观点：其中它们已经集合了它们自己的对信道可用性的看法加上它们已经在来自操作在相同信道上的其对等方的先前报告中获得的这些对等方的看法。这样做，报告得到组合并贯穿网络而传播。通过以正确方式组合，操作在相同信道上的所有节点的报告会聚为可用信道的类似观点。

根据第一方面，可以提供选择器，用于基于所述更新的信道信息来选择用于信道切换的信道。由此，可以通过其中节点累积它们的信道信息的信息交换来准备信道选择。作为进一步的优点，通过当前信道切换方法的适当扩展的实现方式是可能的，并且不需要新的框架或算法。

根据可以与以上第一方面组合的第二方面，可以提供产生器，用于将信道信息产生为指示至少一个信道的可用性的二进制信息。这样的二进制信息可以通过每信道单个位而传播，因此需要很少的附加信令和处理负荷。根据第二方面的示例实现方式，组合器可以被适配为对于每个信道将自己的信道信息与接收的信道信息相组合，使得更新的信道信息对应于所述自己的信道信息和所述接收的信道信息中的最小值。这种简单的最小化操作确保了以很少处理负荷的快速信息更新。

根据可以与以上第一和第二方面的任意一个或两者组合的第三方面，可以提供产生器，用于将所述信道信息产生为指示至少一个信道的可用性的数值信息。数值信息提供更高级的加权方案的基础。根据第三方面的示例性实现方式，组合器可以被适配为对于每个信道将自己的信道信息与接收的信道信息相组合，使得更新的信道信息对应于所述自己的信道信息和所述接收的信道信息的加权组合。这提供了以下优点：即使还没有完全实现会聚，分配给各个信道的等级也使得能够做出集体决定。在进一步的具体实现方式示例中，加权组合可以基于无干扰信道评估算法。由此，所提出的信道信息的交换可以实现为使用无干扰信道评估算法的当前标准方法的扩展。

根据可以与以上第一和第二方面的任意一个或两者组合的第四方面，选择器可以被适配为应用平分决胜规则以不混淆地识别要选择的信道。这样的平分决胜规则确保一个信道不混淆地被识别为第一个。平分决胜规则可以应用于在具有数值上相等的选择器值的各信道之间的平分决胜情况，但是也应用于在具有充分接近的数值选择器值以使得其被分类为处于相同类别的各信道之间的平分决胜情况。

根据可以与以上第一到第三方面的任意一个或所有组合的第五方面，产生器可以被适配为将更新的信道信息并入用于测量请求或报告的帧中。由此，现有信令可以用于实现所提出的信道信息的交换。

在从属权利要求中定义了进一步的有利发展。

附图说明

现在将参考附图基于各个实施例描述本发明，在附图中：

图1示出网状结构网络中的几个无线节点的示意性网络拓扑；

图2示出其中不能实施传统的信道切换的网络情形；

图3示出用于说明定时限制的网络环境；

图4示出根据第一实施例的无线电节点的示意性框图；

图5示出根据第二实施例的指示信息交换过程的信令和处理图；

图6示出根据第三实施例的信道切换过程的示意性流程图；

图7示出指示在不同节点处的二进制信道信息的演变的表格；

图8示出指示在不同节点处的数值信道信息的演变的表格；

图9示出指示具有随机交换样式的不同节点处的数值信道信息的演变的表格；以及

图10示出指示传统帧扩展以包括集合数据的表格。

具体实施方式

以下，基于图1所示的示例性无线网状结构网络拓扑描述本发明的各实施例。

许多WLAN实现方式可以受益于对更灵活的可交互操作的无线连接性的支持。在功能上，可以通过在多个接入点（AP）之间的可交互操作的无线链路或者多跳路径增强AP。终端用户设备（比如终端站（STA））10可以受益于与网状结构网络中的相邻终端用户设备和AP建立可交互操作的对等无线链路的能力。网状结构点（MP）30可以是支持网状结构服务的服务质量（QoS）设备，即它们参与网状结构网络的可交互操作的形成以及操作。MP可以与一个或多个其它实体（例如，AP、入口等等）搭配。与AP搭配的MP的配置被称为网状结构接入点（MAP）20。这样的配置允许单个实体逻辑上同时提供网状结构功能性和AP功能性两者。终端站与AP相关联以获得对网络的访问。与入口（P）搭配的MP的配置被称为网状结构入口40。MP参与诸如路径选择和转发等的网状结构功能性。网状结构入口40提供与其它网络100、例如与其它IEEE 802 LAN部分的接口。

以下实施例基于信道选择和切换功能性。通过帧交换准备信道选择，在该帧交换中，节点累积它们对各信道、例如频道或用于传输信息的任何其它类型的信道的质量和可用性的至少一个的观点。已经准备用于信道切换的节点、设备或站现在即使在同时发起切换过程时也可以彼此独立地切换到相同信道。

所提出的信道信息的交换可以经由在对等节点之间的一系列帧交换而进行，其中对等节点交换关于可用信道的信息。该交换例如可以类似于上述当前802.11基本草案的11.9.6节中定义的交换，其中节点或终端站可以相互请求以测量和报告一个或多个信道。

但是，节点不仅仅报告它们自己对信道可用性的观点。而是，它们报告这样的观点：其中它们已经集合了它们自己的看法加上操作在相同信道上的其对等方的看法。它们已经在来自这些对等方的先前的报告中获得了相应的信道信息。另外，它们可以报告其观点不止一次而是多次。这样做，报告得到组合并贯穿网络而传播。通过以正确方式组合，操作在相同信道上的所有节点的报告会聚为可用信道的类似观点。

图4示出根据第一实施例的可以被提供在网状结构网络的无线电节点（例如网状结构点、网状结构接入点、网状结构入口或任何其它类型的无线电节点）中的控制器或控制功能性的示意性框图。它可以被实现为分立的硬件电路或者电路系统、芯片、芯片组、模块或软件控制的处理器或者其中图4的功能被提供为软件程序或例程的计算机设备。

可以通过可以提供在无线电节点的射频（RF）前端中的收发器（TRX）电路52来接收和发送通告（advertisement）。在控制器处发起的通告可以在处理器电路（PC）55中产生并经由至少一个天线提供给TRX 52用于无线电传输。

接收的通告被提供给信道信息提取单元或提取器（CIE）53以便检测并提取所通告的信道消息。所提取的信道信息被提供给信道信息组合单元或组合器（CIC）54，其将所接收的信道信息与各个信道的所存储的自己的信道信息相组合以便更新信道信息。更新的信道信息可以由处理器电路55或者直接由信道信息组合器54存储在查找表（LUT）56中。查找表56可以提供在例如作为可编程非易失性存储器的存储器或寄存器等中。

然后，更新的信道信息可以经由TRX52由处理器电路55经过网状结构网络而被通告或传播。

图5示出根据第二实施例的指示在标记为A、B、C和D的四个节点的链之间的信息交换过程的例子的信令和处理图。在该图中，示出了时间相关的处理步骤和信息交换，而时间从图的顶部到底部前进。

四个节点A到D具有操作在五个不同的信道1到5上的可能性。根据第二实施例，它们使用简单的二进制编码方案，其中用一个二进制状态（例如“1”）指示信道的可用性，并且用另一二进制状态（例如“0”）编码信道的不可用性。然后它们交换信道可用性信息。在此例子中，根据图5所示的以下方案交换信息。首先，节点A与B以及节点C与D交换它们的信道信息（CI），然后每个节点更新其信道信息。其次，节点B与C交换并然后更新它们的信道信息，最后，节点A与B以及节点C与D再次交换并然后更新它们的信道信息。因此，每次信息交换后进行信息更新。在当前情况下，可以通过将最小化操作应用于对于每个信道i（i=1到5）的接收的信道信息（RCI(i)）以及可用的当前信道信息（CCI（i））以基于以下等式（1）获得更新的新信道信息（NCI(i)）来实施信息更新：

NCI(i)=min(CCI(i), RCI(i))                                 （1）

其中新信道信息NCI(i)对应于当前信道消息CCI(i)和接收的信道信息RCI(i)中的较小值。

图7示出根据第二实施例的指示在不同节点A到D处的二进制信道信息的演变的表格1a到1d。在各站处的信道状态信息的演变随着时间从左边表格1a前进到右边表格1d而在表格1a到1d中被编码。如从表格1a可以搜集到的，节点A到D以对信道可用性的不同观点而开始所述过程。但是，在与表1b和1c中所示的中间结果的一系列交换之后，它们已经会聚为信道可用性的共同观点，如表1d中所给出的。这个现在共同的表格1d指示信道1和5的可用性，并且然后可以由节点A到D使用来对要切换到的信道做出集体决定。

图6示出根据第三实施例的在网状结构网络中的信道选择和切换机制或过程的示意性流程图。

根据图6，该过程开始于在可用节点的所有或至少一些之间的信道信息交换（步骤S101）。该交换可以在不同的步骤中并以不同的交换样式实现，如图5所示。当然，也可以使用任何其它交换样式。在步骤S102，每个节点组合接收的信道信息（步骤S102）。在步骤S103中使用组合的信道信息以更新存储在每个节点处的自己的信道信息。

然后，在步骤S104，例如由于检测到的干扰，检查是否需要信道切换。如果不需要，则以固定的或任意时间段重复步骤S101和S103。如果在步骤S104中确定需要信道切换，则在步骤S105中由关注的节点基于其最后更新的信道信息选择信道。在步骤S106，由关注的节点例如经由握手和/或切换通知而将所选的新信道通告或通知给对等节点。最后，在步骤S107中，关注的节点切换到所选信道并且该过程可以再次开始。

图6的过程可以被实现为控制图4的处理器电路55的软件例程。

更高级的信道信息组合方案也是可能的。在下一个实现方式示例中，再次考虑四个节点A到D的链，但是现在使用一些数值信息来描述信道可用性。

图8示出指示在四个不同节点A到D处的数值信道信息的演变的表格2a到2c。在表格2a中给出开始时间时的可用信息。在节点之间再次交换该信道信息。这次，每个节点通过取其当前信道信息CCI(i)和到来或接收的信道信息RCI(i)的加权和来更新它自己的信息表。可以再次看出，各节点会聚到信道可用性的共同观点。在此情况下，还未完全实现会聚。但是，由于数值信息的原因可以分配给各个信道的等级使得能够做出集体决定。

注意，以上数值分配技术还可以用于改善IEEE 802.11标准的独立基本服务集（IBSS）模式，其也称为专门网络。目前，通过指定一个就像是基础设施基站子系统（BSS）中的AP那样起作用的信道切换主机来应对此情况。但是，该方法需要精细的算法来指定并跟踪信道切换主机。此外，只有信道切换主机可以发起信道切换，并且如果另一站检测到对信道的干扰并想要发起切换，则这需要特别的动作。

图9示出了指示具有随机交换样式的不同节点处的数值信道信息的演变的表格3a到3c。这些表格涉及具有根据随机样式交换信息的四个节点A到D的IBSS。每个节点再次通过取它自己的当前信道信息CCI(i)和到来的接收的信道信息RCI(i)的加权组合来更新其信息表格。

在图8和图9的两种上述示例情况下，使用如由以下等式定义的标准加权组合来进行表格更新：

NCI(i)=w*CCI(i)+(1-w)* RCI(i)                                （2）

所提出的数值信息的交换可以实现为当前的802.11标准的扩展。例如节点具有像在无干扰信道评估（CCA）信道信息报告中那样交换信息的可能性，如在例如IEEE 802.11-2007的7.3.2.22.2节、信息技术标准-系统之间的电信和信息交换-LAN/MAN具体要求-第11部分：无线介质接入控制（MAC）和物理层（PHY）规范中所述。该CCA值是用在提出的信道切换方法中的良好度量。

如果节点以对信道可用性的非常不同的观点而开始，则会聚不那么迅速。随后可能发生：到目前为止并不完全相同的报告出现在所有节点处。但是，信道可用性的排序是真正重要的，并且该排序可以对所有节点仍然相同。在可能平分（tie）的情况下（或可能像使用信道质量的二进制编码的情况下那样），可以规定平分决胜规则使得各节点能够不混淆地将一个信道识别为第一个。该平分决胜规则还可以用于在被分类为处于相同类别、例如“极好”或“适合”的信道之间进行平分决胜，尽管数值选择器值可以不同。

信息交换应该多频繁地发生取决于所关注的网络的拓扑以及信道变动性（volatility）。在网状结构形成之后可以更频繁地进行信息交换，然后至少每T时间段地进行，其中T是协议的参数并且可以适配用于网状结构的大小和信道变动性。

还可能发生：在启动时不是所有节点都具有相同的可用信道。但是，这并不是问题。当合并所涉及的节点的可用信道列表时，可以在提供在节点处的信道列表中插入新的信道。

关于信道的可用性或不可用性，交换的信道信息可以由两种类型的信息构成，一种是数值信道度量，一种是二进制信道度量。然后可以适当地组合这两种类型的信息要素。

此外，所提出的信道信息交换可以通过针对对此信道信息交换定义新的帧来实施，该新的帧类似于最初提及的草案中的请求和报告测量帧（参见7.3.2.21-7.3.2.22节）。交换还可以通过修改现有帧以包括所需的信息来实现。对于网状结构网络，信标和路由消息二者可能是候选者。该方法还可以基于用于测量请求和报告的当前帧而实现。具体地，参见在初始提及的草案中的图7.58，当前测量请求要素包含一个八位字节的测量类型字段。目前，仅使用该八位字节中的三位（参见表7.29）。

图10示出指示用于测量请求和报告的以上传统帧的扩展的表格。可以包括该字段的扩展用于网状结构网络请求集合数据。

类似地，可以修改在初始描述的草案的7.3.2.22节中描述的报告要素。在基本报告中，集合报告然后可以使用根据图7的最小算子（min）。对于CCA报告和直方图报告，可以使用根据图8和图9的加权和报告。

在第二阶段，节点实施实际的信道切换。例如在检测到雷达信号或者对操作信道的其它干扰之后，检测切换信道的必要性的节点可以参考它的根据以上概括的信道信息交换创建的全局信道可用性的列表。然后所述节点可以从该列表选择用于测量请求和报告的最佳可用信道，并选取切换到该信道，其中该信道不等同于当前的操作信道。所述节点然后可以在信道切换通知中将该新信道通告给其对等节点，然后切换信道。在此，该过程和帧交换可能类似于基础设施BSS。在该标准帧中，参见IEEE标准802.11-2007的7.3.2.20和11.9.7节，在帧中存在多个另外的信息要素，比如在信道切换期间是否允许消息的指示符以及距离切换的时间。这些要素可以与所提出的选择和切换方法组合使用。

总之，已经描述了一种通过在网络节点之间交换信道信息以累积它们对可用通信信道的质量和可用性的观点而使得能够实现灵活的信道切换的方法和装置。现在，即使在同时发起切换时，网络节点也可以彼此独立地切换到相同信道。

注意，本发明不限于以上实施例，并且可以用于允许通告信道信息的任何网络环境。所提出的过程可以与需要被通告的任何类型的信道信息结合来使用。因此它不限于在以上实施例中所述的特定二进制或数值通告。信道信息可以是任何类型的信息。

本领域技术人员根据对附图、公开和所附权利要求的研究可以理解并实现对所公开的实施例的变化。在权利要求中，词“包括”并不排除其它要素或步骤，并且不定冠词“一”并不排除多个要素或步骤。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中所列的几项的功能。在相互不同的从属权利要求中列出了某些手段的仅有事实并不指示不能有利地使用这些手段的组合。用于控制处理器以执行要求保护的特征的计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，比如与其它硬件一起或作为其一部分提供的光存储介质或固态介质，但也可以按其它形式分发，比如经由因特网或其它有线或无线电信系统分发。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

Claims (12)

1. 一种用于检查网状结构网络中的信道可用性的装置，所述装置包括：

a)接收器（53），用于接收由所述网状结构网络中的对等节点通告的信道信息；

b)组合器（54），用于将在所述装置处提供的自己的信道信息与所述接收的信道信息相组合，以产生指示所述网状结构网络中的信道可用性的更新的信道信息；以及

c)传播器（52），用于经过所述网状结构网络传播所述更新的信道信息。

2. 根据权利要求1的装置，还包括：选择器（55），用于基于所述更新的信道信息来选择用于信道切换的信道。

3. 根据权利要求1的装置，还包括：产生器（55），用于将所述信道信息产生为指示至少一个信道的可用性的二进制信息。

4. 根据权利要求3的装置，其中所述组合器（54）被适配为对于每个信道将自己的信道信息与接收的信道信息相组合，使得更新的信道信息对应于所述自己的信道信息和所述接收的信道信息中的最小值。

5. 根据权利要求1的装置，还包括：产生器（55），用于将所述信道信息产生为指示至少一个信道的可用性的数值信息。

6. 根据权利要求5的装置，其中所述组合器（54）被适配为对于每个信道将自己的信道信息与接收的信道信息相组合，使得更新的信道信息对应于所述自己的信道信息和所述接收的信道信息的加权组合。

7. 根据权利要求6的装置，其中所述加权组合基于无干扰信道评估算法。

8. 根据权利要求2的装置，其中所述选择器（54）被适配为应用平分决胜规则以不混淆地识别要选择的信道。

9. 根据权利要求3或5的装置，其中所述产生器（55）被适配为将所述更新的信道信息并入用于测量请求或报告的帧中。

10. 一种检查网状结构网络中的信道可用性的方法，所述方法包括：

a)在所述网状结构网络中的网络节点处接收由对等节点通告的信道信息；

b)将在所述网络节点处提供的自己的信道信息与所述接收的信道信息相组合，以产生指示所述网状结构网络中的信道可用性的更新的信道信息；以及

c)从所述网络节点经过所述网状结构网络传播所述更新的信道信息。

11. 一种用于网状结构网络中的信道切换的系统，所述系统包括至少一个网络节点，该至少一个网络节点包括根据权利要求1的装置，所述网络节点被适配为发起所述信道切换。

12. 一种计算机程序产品，包括当运行在计算机设备上时用于产生权利要求10的步骤的代码装置。

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