CN102265698A - 灵活的无线网络中的信道预留 - Google Patents

Abstract

在采用灵活的介质访问控制（MAC）协议的无线网络中预留信道访问时隙。至少确定信道预留的类型和模式（S310）。基于所确定的信道预留的类型和模式，生成预留请求帧（S320）。向预留代理设备发送预留请求帧（S330）。响应于预留请求帧，从预留代理设备（220-RP）接收预留响应帧。如果在预留响应帧中确认信道预留请求，则宣告所分配的时隙的使用（S382）。

Description

灵活的无线网络中的信道预留

这个申请要求享有于2008年12月23日提交的美国临时申请第61/140,097号的利益。

本发明一般涉及无线通信网络，并且更特别地涉及在这样的网络中的信道预留。

用于无线网络的介质访问控制（Medium Access Control）（MAC）协议通常是分布式或集中式MAC协议。当正在使用分布式MAC协议时，没有单一设备对无线媒介具有绝对控制（权）。在这种情况下，设备例如使用载波侦听介质访问（Carrier Sense Medium Access）（CSMA）、以分布式方式来竞争信道。一些分布式MAC协议例如分布式预留协议（Distributed Reservation Protocol）（DRP）允许在设备配对基础上的信道预留。即，设备能够使用基于争用的协议或周期性地发送信标来请求对于介质访问时隙的信道预留，其中在所述介质访问时隙期间设备能够访问信道（或媒介）。当使用信标时，需要所有的设备发送信标，以便能够实现有效的设备发现和分布式信道预留。分布式MAC协议在支持对等应用方面是有效的。

在集中式操作模式中，单个协调器设备（也被称为簇头（cluster-head）、主设备或接入点）控制设备间对信道的访问。该协调器设备为网络中的其他设备许可信道预留和安排（schedule）传输机会。该协调器设备通常负责控制其他的任务，例如信道选择、共存和现任者（incumbent）的保护。用于集中式MAC的示例是由IEEE 802.11工作组在2005年1月发布的“Amendment to Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Medium Access Control (MAC) Quality of Services Enhancements”，P802.11e/D.13.0中定义的HCCA模式。

在需要协调器设备来分布和管理业务量时或在不需要由网络中的所有设备发送周期控制信息时，通常使用集中式MAC协议。例如，家庭网络中的视频分布通常受控于服务供应商的设备，诸如机顶盒或接入点。

灵活的MAC（Flex-MAC）协议也在相关的领域中进行讨论，并且其主要被设计为支持集中式模式与分布式模式二者，以及能够实现从一种操作模式到另一种操作模式的平稳过渡。即，灵活的MAC一般使得设备能够从分布式操作模式切换到集中式操作模式（并且反之亦然）而不中断正在进行的连接。

Flex-MAC以图1中所描绘的灵活超帧100为基础。超帧100包括信标周期（BP）110、数据/感测/睡眠周期（DSSP）120和信令窗口（SW）130。SW 130和BP 110的时间周期是可调的，并且被用于广播/交换控制信息。所有的设备应在BP 110和信令窗口130期间保持清醒，以便捕获可以应用于网络中的每个设备的所有的控制/管理信息。设备可以在DSSP 120期间交换数据、监视信道（在认知网络中需要）或进入睡眠模式。

信道预留是MAC层中的基本组成部分，以便在共享无线电频谱的无线系统中、尤其在利用无牌频带的网络中保证QoS。现有的信道预留协议是为操作在集中式或分布式模式中的网络而设计的。此外，这样的预留协议基于静态操作模式，并且不能在集中式模式与分布式模式之间无缝地交替。因而，任何的信道预留协议都不能有效地应用于Flex-MAC架构。

因此，提供消除上述的现有信道预留技术的缺陷的解决方案将是有利的。

本发明的某些实施例包括用于在采用灵活的介质访问控制（MAC）协议的无线网络中预留信道访问时隙的方法。该方法包括：至少确定信道预留的类型和模式；生成预留请求帧；将预留请求帧发送给预留代理设备；响应于预留请求帧，从预留代理设备接收预留响应帧；以及如果信道预留请求被确认，则宣告所分配的信道时间（时隙）的使用。

本发明的某些实施例进一步包括被配置成在采用灵活的MAC协议的无线网络中预留信道访问时隙的网络设备。该网络设备包括：确定单元，用于至少确定信道预留的类型和模式；帧发生器，用于基于所确定的信道预留的类型和模式来生成预留请求帧；发射机，用于发射预留请求帧，其中发射机进一步被配置成：如果在接收到的预留响应帧中确认信道预留请求，则发送消息，用于宣告所分配的时隙的使用；和接收机，用于从预留代理设备接收预留响应帧，以响应预留请求帧。

在本说明书结尾处在权利要求书中特别地指出并且清楚地请求保护被视为本发明的主题。本发明的前述的和其他的特征与优点从以下结合附图进行的详细描述中将是清楚的。

图1是阐明Flex-MAC超帧的结构的图；

图2是用于描述本发明的实施例的无线网络的图；

图3是用于描述根据本发明的实施例的信道预留处理的流程图；和

图4是用于阐明根据本发明的信道预留协议信息元素（CRP-IE）的格式的图；

图5是被配置成在采用灵活的MAC协议的无线网络中预留信道访问时隙的网络设备的框图。

重要的是注意，利用本发明所公开的实施例仅仅是这里的创新教导的众多有利使用的示例。一般而言，在本申请的说明书中进行的叙述未必限制各种请求保护的发明中的任何发明。此外，某些叙述可以适用于某些发明特征，但是不适用于其他的特征。一般来说，除非另外指明，否则在不丧失一般性的情况下，单数元素可以是复数，并且反之亦然。在附图中，相同的数字在若干视图中指的是相同的部分。

根据本发明的某些实施例，在这个申请中公开用于采用灵活的MAC协议的无线网络的信道预留协议（CRP）。该CRP允许网络中的设备在图1所示的DSSP 120期间预留对于信道（或媒介）的访问时间（时隙）。

图2显示用于描述本发明的实施例的无线网络200的示范图。该无线网络200能够操作在分布式模式或集中式模式中。该无线网络200包括设备220以及至少一个主设备210。设备220或主设备210中的每一个可以是信标设备，即，在图1所示的BP 110期间发送信标的设备。CRP由包括预留所有者（Reservation Owner）（RO）、预留目标（Reservation Target）（RT）以及预留代理（Reservation Proxy）（RP）的两个或多个实体来执行。无线网络200中的每一个设备能够充当这些实体之中的任何一个。为了讨论起见，设备220-RO、设备220-RT和设备220-RP执行分别地为预留所有者、预留目标和预留代理定义的功能。

设备220-RO通常是发起预留处理以便在支持服务质量（QoS）的同时建立新会话的源设备。设备220-RO试图与设备220-RT建立会话。该会话是应用层会话或链路层会话。设备220-RP是许可（grant）预留的发信标（beaconing）设备。取决于网络的类型，设备220-RP可以是目标设备220-RT、所有者设备220-RO或网络中的任何其他的发信标设备。因此，在发起用于介质访问时隙的协商处理之前，设备220-RO确定网络中的哪些设备应当充当目标设备220-RT和代理设备220-RP以及能够使用的预留模式的类型。如在下文中详细描述的，预留模式能够是隐式预留或显式预留。

这种确定基于预先定义的规则集。特别地，如果设备220-RO是操作在分布式模式中的发信标设备，并且它已将设备220-RT识别为操作在分布式模式中的发信标设备，那么协商处理（或预留类型）是对等（Peer-to-Peer）（P2P）协商。当设备220-RO是主设备（例如，图2中的设备210）或也是发信标设备的从设备并且目标设备220-RT是未在主设备的控制下操作的发信标设备时，这种类型的协商也是适用的。即，设备220-RT是来自另一子网（或组）的发信标设备。在这种类型的协商中，设备220-RO将设备220-RT设置成用于相应预留的预留目标。协商模式可以是隐式或显式的。

如果设备220-RO是在主设备的控制下操作的从设备，并且目标220-RT是所有者设备220-RO的主设备或在同一主设备的控制之下的另一个从设备，则预留类型被确定为从设备发起的协商（Slave-Initiated Negotiation）。在这种情况下，设备220-RO将设备220-RT设置成用于该预留的主设备。此外，如果设备220-RO不是发信标设备，那么它只能使用显式预留模式。如果它是发信标设备，那么能够使用隐式或显式模式。应该注意，从设备通常不发送信标。在一些实施例中，从设备能够由主设备提拔而变成发信标设备。

另一种类型的预留处理是主设备发起的协商（Master-Initiated Negotiation）。在设备220-RO是主设备以及目标设备220-RT是其组（或子网）中的设备时，适用这种类型。在这种类型的协商中，主设备210充当设备220-RP。因此，主设备210能够发起预留而不发送任何请求（REQ）。根据本发明的实施例，主设备或设备220-RP能够向一组设备许可预留。

在上述的所有类型的协商中，预留响应（R-RSP）在信标中进行传送以促进共存，这是因为在相同的或在不同的组（或网络）中的设备能够接收并且可靠地解码信标，从而获得关于预留的信息。R-RSP至少指示预留类型以及预留是被接受、拒绝、未决还是已建议经修改的预留。

图3显示用于描述根据本发明的实施例的信道预留处理的示例性且非限制流程图300。该处理能够应用于采用Flex-MAC协议的网络中。

在S310，确定预留的类型和模式。如上所述，预留模式可以是隐式或显式的，而预留类型可以是对等（P2P）协商、从设备发起的协商或主设备发起的协商之一。在S320，生成预留请求（R-REQ）帧。根据本发明的实施例，R-REQ被构造为如图4中所示的CRP信息元素（IE）400。

图4的CRP-IE 400包括以下字段：用于识别信息元素的类型的元素ID 410；用于指定CRP-IE 400的总长度（例如，按照字节的数量）的长度420；CRP控制430；所有者设备地址（DevAddr）440；预留代理（RP）设备地址（DevAddr）450；目标设备地址（DevAddr）460；和许多（N）CRP分配字段470-1到470-N。分配字段的整数数量N是设备能够研究的信道分配的数量。信道分配是一组连续的时隙和能够为单个设备预留的同一超帧内的多个不相交的分配。CRP控制字段430至少包括下列子字段（未显示）：预留类型；用于指示在分组调度安排期间使用的用户优先级的流索引；用于指示预留的状态的原因代码，即被确认、未决或被批准；用于指示R-REQ或预留响应（R-RSP）的请求，R-REQ选项由所有者设备220-RO设置；连接-断开（Tie-Break）号，这是基于预留类型和业务流的优先级而选择的整数；以及用于指明预留限制的任何超出的不安全比特。CRP分配字段包括为设备220-RO分配的介质访问时隙的数量。

返回参考图3，在S330，检查预留模式是否为隐式预留，而如果是这样的话，则执行利用S340继续；否则，该模式是显式预留，并且执行进入S350（可以针对其中任一种或两种模式执行检查）。在S340，在信标周期（例如，图1中所示的BP 110）内将R-REQ帧发送到代理设备220-RP。在S342，定时器（在下文，“Reservation-Timer（预留定时器）”）被设置成完成协商处理的最大预期时间。如下所述，预留定时器允许从在合理的时间周期期间没有确认预留的情况中恢复。

在S350，通过在灵活超帧的信令窗口（例如，图1所示的SW 130）期间发送R-REQ帧来发起显式预留。该R-REQ被寻址到应在短的帧间间隔（SIFS）时间内利用确认（ACK）帧来应答的代理设备220-RP。该ACK帧向设备220-RO指示：已由设备220-RP接收到该R-REQ，并且响应将在下一个信标周期（BP）中跟随而至。应该注意，由于信令窗口通常位于灵活超帧的末尾，因此在设备220-RO与220-RP之间的协商一般在非常短的时间间隔内并且以小的开销完成。应进一步注意，如果设备220-RO未接收到对于R-REQ的ACK帧，则传输失败，并且将在随机的补偿（back-off）程序之后重发R-REQ帧。该补偿程序能够利用在信令窗口期间使用的访问机制来定义。在S352，一旦接收到ACK帧，该设备220-RO设置预留定时器，如上所述。

在S360，进行检查，以确定是否已从设备220-RP接收到R-RSP帧。该R-RSP在信标周期期间在信标中进行发送，并且可以被格式化为CRP-IE 400。当R-RSP被构造为CRP-IE 400时，控制字段430中的请求子字段被设置成‘0’，这指示：CRP-IE 400是响应。此外，预留状态子字段被设置成指示预留的状态，即未决、被确认或被修改，并且CRP分配字段470包括为设备220-RO分配的介质访问时隙。即使设备220-RP尚未决定是否确认该预留，该设备220-RP也在下一个信标周期中包括R-RSP帧。非确认的预留被指示为未决。

如果S360产生否定回答，即，设备220-RO没有从设备220-RP接收到R-RSP帧，则执行利用S370继续，其中在S370，设备220-RO在下一个信令窗口或信标周期中重发R-REQ。该重发可以被执行预定的尝试次数。此后，协商处理被确定为失败，并且执行终止。

如果在信标周期期间已接收到R-RSP帧，则该处理到达S380，并且现在检查是否已确认了预留请求，即，设备220-RP给设备220-RO许可一个或多个介质访问时隙。如果是这样的话，在S382，至少设备220-RO宣告并在下一个灵活超帧期间使用所分配的时隙。预留被确认并被宣告的方式取决于协商处理的类型。在下文提供与每一种类型相关联的程序细节。如果R-REQ仍是未决的，则在S384检查预留定时器是否期满，而如果是这样的话，则该处理利用S390继续，其中在S390，该请求被撤回或被重发。否则，该处理返回到S360，其中在S360，该设备220-RO等待具有被确认的预留指示<MBS: 我已校正图3>的另一个R-RSP。应该注意，当R-REQ被撤回时，设备220-RO在发起新的R-REQ之前执行随机补偿（backoff）程序。根据本发明的实施例，该补偿程序包括选择在间隔[0, BackoffWindow-1]内的随机的整数数量M个超帧。BackoffWindow（补偿窗口）是由随机备份（backup）程序使用的可配置参数。该设备220-RO不应对N个超帧发送任何的预留请求。

如上所述，为了结束协商处理，这些预留应被设备220-RP或被设备220-RO和设备220-RPO二者确认，这些设备在一些情况中取决于协商处理的类型而可以是目标。特别地，在P2P协商中，设备220-RO和设备220-RP（或设备220-RT）二者应该同意协商处理的结束，并且在预留的时隙中进行发送之前宣告活动（有效）的预留。因此，当响应于R-REQ而发送R-RSP帧时，设备220-RP指示：该预留是活动的。例如，这能够通过在控制字段430中设置预留状态子字段来执行。当设备220-RO接收到具有被设置成‘1’的预留状态子字段比特的R-RSP时，它将在其包括新的CRP-IE的下一个信标中宣告该预留。设备220-RO也在新的CRP-IE中设置状态子字段，以指示：该预留已被接受，并且没有与其他预留的冲突被设备220-RO检测到。

在从设备发起的以及主设备发起的协商类型中，只有设备220-RP或主设备负责在其信标中广告该处理的结束以及何时该预留是活动的。当已许可新的预留时，设备220-RP（或主设备）发送具有该预留被接受的指示的R-RSP。此外，控制字段430中的预留状态子字段被设置成1。当该预留被许可时，设备220-RO和设备220-RT二者可以在下一个超帧中开始使用这个预留。

如果所请求的预留被设备220-RP修改，该设备220-RO可以决定接受新的预留或开始新的预留处理。

当P2P预留被确认时，只要该预留保持为活动的，则设备220-RO和220-RT二者在其信标中宣告该预留。当该预留是从设备发起的或主设备发起的时，如果该预留被确认，则设备220-RP在其信标中宣告它已许可的所有活动的预留。

根据本发明的某些实施例，例如在多个设备预留相同的时隙时，设备220-RO、220-RT和220-RP的实体能够解决和检测可能发生的预留冲突。冲突能够发生在预留变成活动的之前或之后，并且在信标中宣告这些预留时能够被检测到。预留冲突被检测并被解决的方式取决于协商处理的类型。特别地，对于P2P协商处理，设备220-RO解决与可能已预留相同时隙的其他设备的任何冲突。另一方面，在从设备发起的和主设备发起的协商处理中，设备220-RP负责解决任何的冲突，尽管所有的设备可以协作检测这些冲突。

下面提供用于解决预留冲突的非限制规则集：1）当设备220-RT检测到可能的冲突时，如果设备220-RT是发信标设备，那么它在其预留宣告中指示该冲突，在这种情况下，该设备220-RT可以不使用该预留；2）当设备预留与为信标传输预留的时隙相冲突时，该设备不应使用这个预留，而是该设备修改或撤回该预留（这些信标时隙具有超越任何其他预留的更高优先级）；3）当检测到与不是活动的预留相冲突时，具有活动预留的设备可以保持其预留；4）如果具有还不是活动的预留的设备检测到与活动的预留相冲突时，这些设备应撤回或修改这些预留（即，活动的预留具有更高的优先级）；和5）当具有处于相同状态中的预留的两个设备检测到冲突时，这些设备应该使用预留连接-断开号（Ntb）来解决这样的状况。Ntb是由进行预留请求的设备选择的随机数，并且只要预留是有效的，它就在协商处理期间保持不变。随后，其预留具有较小Ntb的设备应撤回或修改该预留。Ntb号可以使用在间隔[0, TBreakWindow(i)]内的均匀分布来选择，其中TBreakWindow(i)是取决于预留的类型或业务流的优先级的可配置参数。例如，具有更严格QoS要求的业务流对于TBreakWindow可以使用较高的值。

图5显示被配置成在采用灵活的MAC协议的无线网络中预留信道访问时隙的网络设备500的非限制框图。该网络设备500包括确定单元510、帧发生器520、发射机530和接收机540。确定单元510至少确定信道预留的类型和模式。此外，确定单元520确定信道预留请求是否已被代理或目标设备确认了。帧发生器520基于所确定的信道预留的类型和模式来生成预留请求帧。发射机530发送预留请求帧以及用于宣告为所确认的信道预留请求所分配的时隙的使用的消息。接收机540从预留代理设备接收预留响应帧。根据本发明的一个实施例，网络设备500充当预留所有者设备220-RO。

在这里公开的CRP、协商处理和/或CRP-IE格式的教导能够在无线网络中进行实施，其中无线网络包括但不限于认知无线网络、基于超宽带（UWB）的网络、基于IEEE 802.11的网络和基于IEEE 802.15的网络。

以上详细的描述已阐述了本发明能够采用的多种形式中的一些形式。意图是：以上详细的描述应被理解成本发明能够采用的选择形式的例证，而不是对本发明的定义的限制。只有包括所有等价物在内的权利要求书才用来限定这个发明的范围。

最优选地，本发明的原理作为硬件、固件和软件的任何组合来实施。此外，软件优选地作为在程序存储单元或计算机可读介质上有形地进行体现的应用程序来实施。本领域技术人员之一将意识到：“机器可读介质”是能够存储数据的媒体并且能够是数字电路、模拟电路或其组合的形式。该应用程序可以被上传到包括任何适当架构的机器并利用该机器来执行。优选地，该机器在具有诸如一个或多个中央处理单元（“CPU”）、存储器和输入/输出接口之类的硬件的计算机平台上进行实施。该计算机平台也可以包括操作系统和微指令代码。在这里描述的各种处理和功能可以是可由CPU执行的微指令代码的一部分或应用程序的一部分或其任何组合，无论是否明确地示出这样的计算机或处理器。此外，各种其他的外围单元可以连接到计算机平台，诸如附加的数据存储单元和打印单元。

Claims (15)

1.一种用于在采用灵活的介质访问控制（MAC）协议的无线网络中预留信道访问时隙的方法（300），包括：

至少确定信道预留的类型和模式（S310）；

基于所确定的信道预留的类型和模式，生成预留请求帧（S320）；

向预留代理设备发送预留请求帧（S330）；

响应于预留请求帧，从预留代理设备（220-RP）接收预留响应帧；以及

如果在预留响应帧中确认信道预留请求，则宣告所分配的时隙的使用（S382）。

2.如权利要求1的方法，其中信道预留的模式是显式预留或隐式预留。

3.如权利要求2的方法，其中当预留的类型是隐式的时，在信标周期期间发送预留请求帧（S340）。

4.如权利要求2的方法，其中当预留的类型是显式的时，在信令窗口期间发送预留请求帧（S350）。

5.如权利要求3的方法，其中预留的类型是从对等协商、从设备发起的协商和主设备发起的协商中选择的一种类型。

6.如权利要求4的方法，其中在预留请求帧的发送之后在信标周期中发送预留响应帧。

7.如权利要求6的方法，其中如果在随后的信标周期期间没有接收到预留响应帧，则将预留请求帧重发预定次数（S370）。

8.如权利要求1的方法，其中如果预留响应帧没有被确认并且预定时间间隔流逝，则撤回预留请求帧（S390）。

9.如权利要求1的方法，其中由预留代理设备、预留目标设备和主设备中的至少一个来确认预留响应帧。

10.如权利要求1的方法，其中当预留的类型是对等协商时，预留冲突由所有者设备来解决。

11.如权利要求1的方法，其中当预留的类型是主设备发起的协商或从设备发起的协商时，预留冲突由预留代理设备来解决。

12.如权利要求1的方法，其中预留请求帧被构造为信道预留协议（CRP）信息元素（400），其中CRP信息元素至少包括以下字段：CRP控制；所有者设备地址（DevAddr）；预留代理（RP）设备地址（DevAddr）；目标设备地址（DevAddr）；和多个分配字段。

13.如权利要求12的方法，其中CRP控制字段包括以下子字段：预留类型；流索引；原因代码；请求；连接-断开号；和不安全比特。

14.如权利要求13的方法，其中请求子字段指示：CRP信息元素是预留响应帧。

15.一种被配置成在采用灵活的介质访问控制（MAC）协议的无线网络中预留信道访问时隙的网络设备，包括：

确定单元，用于至少确定信道预留的类型和模式；

帧发生器，用于根据所确定的信道预留的类型和模式来生成预留请求帧；

发射机，用于发射预留请求帧，其中发射机进一步被配置成：如果在接收到的预留响应帧中确认信道预留请求，则发送消息，用于宣告所分配的时隙的使用；以及

接收机，用于从预留代理设备接收预留响应帧，以响应预留请求帧。

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