CN104798394B - 用于优化无线网络连接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于在至少一个设备包括可配置的天线时优化无线网络连接的方法。为了避免隐藏节点问题，提出了以使得仅被具有该可配置的天线的网络设备看到的第三网络设备的数目最小化的方式修改该科配置的天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于优化在第一设备和第二设备之间的无线网络连接的方法，尤其在所述设备中的至少一个包括可配置的天线的情况下。
背景技术
例如根据所谓的Wi-Fi技术的无线局域网或WLAN的大量增多造成了由于来自周围的其它WLAN或共享物理介质的非Wi-Fi系统的干扰而造成的性能劣化有关问题的增多。如果所有网络设备都处于彼此的范围或可达范围内，则这还称作它们“看见”彼此。对于该情况存在网络协议，例如Wi-Fi的介质访问协议载波侦听多路存取-冲突避免，即CSMA-CA，其保证了介质在不同设备之间被合适地共享。所基于的思想是，每个具有待发送的包的网络设备都必须等待直至介质被清空，并且在未清空的情况下，遵循在它能发送它的包之前的特定的随机后退时间。以该方式可以避免包之间的冲突。
在如下情况下提到隐蔽节点，也称作隐蔽站点，即，当在第一设备与第二设备之间的功能性无线网络连接附近存在对于第一设备“可见”但对于第二设备不可见的第三设备。在该情况下，第三设备对于第二设备是隐蔽节点。
只要存在下面还要进一步描述的隐蔽节点，就可能发生冲突，并且CSMA-CA机制的效率被大大降低。在人口密集的区域，该问题越来越频繁地发生，直至在某些区域中Wi-Fi变得完全不可用的程度。如今，这仅是在2.4GHz频带中的情况，但是预期相同情况会在未来数年内发生在5GHz频带中。
常规地，整个网络由于RTS/CTS机制遇上隐蔽节点而崩溃，而这些机制伴随有巨大的开销。在每个单播数据帧之前，传送节点在广播模式中发送请求发送(Request-To-Send)包，也称作RTS，其包括关于该包需要多长时间的指示。RTS包需要通过来自接收节点的清空以发送(Clear-To-Send)包，也称作CTS，来应答。CTS包回应(echo)该包需要多长时间。监听到CTS或RTS包的每个Wi-Fi节点需要遵循保持介质空闲所需的时间。除了附加的开销之外，RTS-CTS方法并不保护广播帧。已知的是，在人口密集区域，人们由于来自他们的无线网关或接入点的信标过于频繁地与来自隐蔽Wi-Fi节点的包冲突而反复丢失他们的无线连接。这在下面更详细地描述。
图1以符号平面图示出了现有技术的第一无线网络配置。该第一网络配置包括作为网络设备的第一接入点AP1101、第二接入点AP2105、第一站点STA1103和第二站点STA2107。图1还示出了网络设备的可见范围，即，该网络设备在该范围内能够接收来自其他网络设备的数据。它们是第一接入点的可见范围102、第二接入点的可见范围106、第一站点的可见范围104和第二站点的可见范围108。在此在不丧失一般性的前提下假设，可见范围不是方向相关的，因为它们被示出为以相应的网络设备为中心的圆圈。仅为了简化示例并在不丧失一般性的前提下，将图1中的网络设备的可见范围示出为具有相同的半径。
在图1中绘出的网络配置中，第一接入点101被假设为无线连接109至第一站点103以形成第一局域网，而第二接入点105被假设为无线连接110至第二站点107以形成第二局域网。
作为一个实际的示例，第一接入点101可以对应于位于公寓中间的私人网络网关。第一站点103可以对应于膝上电脑，其在第一接入点101的可达范围内工作并且连接至第一接入点101，第一站点103位于该公寓的外墙附近的房间中并且邻近该公寓外侧的街道。第二接入点105和第二站点107可以对应于位于从该公寓跨过街道处的、非常繁忙的公司网络的部分。
在图1中示出的配置中，
-第一接入点101看见第一站点103，但是看不见第二接入点105和第二站点107；
-第一站点103看见第一接入点101、第二接入点105和第二站点107；
-第二接入点105看见第一站点103和第二站点107，但是看不见第一接入点101，以及
-第二站点107看见第一站点103和第二接入点105，但是看不见第一接入点101。
在该情况下，会发生隐蔽节点问题的第一后果，其被如下描述：
-假设第一接入点101具有要发往第一站点103的包。如果第一站点103没有在发送任何东西，则第一接入点101将认为该介质空闲并且将发送它的包。
-如果在第一接入点101向第一站点103发送它的包期间，第二站点107具有要发往第二接入点105的包，则第二站点107由于处于来自第一接入点101的包的范围之外而将也认为该介质空闲，并且将向第二接入点105发送它的包。在该情况下，第一站点103的接收器由于处于第一接入点101和第二站点107两者的范围内而将看见来自第一接入点101的包和来自第二站点107的包冲突。
-因此，第一站点103将无法解码来自第一接入点101的包。此时，可以采用网络的鲁棒性机制，如重发、更大的后退时间、降低的调制率等等。但是作为副作用，它们都会大大降低通过该介质的总吞吐量，并且无法保证持续性的解决方案。
如所提及的，当隐蔽节点问题在传送数据帧期间发生时，已知以特定的开销和降低的性能为代价来使用RTS/CTS机制。然而，对于广播管理帧和多播/广播数据帧来说，RTS/CTS甚至是不可能的。这是隐蔽节点问题对于所谓的“信标”的传送和机制具有特定影响的原因。信标是能够被视为构成Wi-Fi网络的“心跳”的广播管理帧。接入点需要有规律地发出信标。信标之间的时间是可配置的，但是在Wi-Fi中常使用100ms的值。如果站点不再能看见来自它所连接至的接入点的信标，则它认为该接入点已经离开了范围并且断开连接。
这构成了隐蔽节点问题的第二后果。作为示例，假设图1中的第一局域网具有很少的活动。于是，基本上，大多数时间第一接入点101仅例如每隔100ms发送信标。现在假设第二站点107想要通过第二接入点105进行大文件的下载。因为第一接入点101在第二接入点105的范围之外，所以第二接入点105看不见由第一接入点101发送的信标，即，它看不见来自任何其它Wi-Fi节点的任何活动。因此，第二接入点105将在该下载的整个持续时间内占用全部介质。这意味着，在该下载期间，第一站点103将不再能看见来自第一接入点101的任何信标，因为它们将全部与来自第二接入点105的数据帧冲突。第一站点103因此将断开。
总言之，隐蔽节点的效果不仅是降低在主动使用期间的WLAN性能，而且还造成在其它相邻网络处于使用中的任何时候的持续地连接断开循环。如果干扰的网络是商务WLAN，则这基本上意味着在整个工作时间期间都预期会有连接-断开问题。
Hoffmann等人的专利公开US 7,103,386B2旨在于公开一种用于在无线局域网或WLAN中操作接入点的方法。该接入点包括用于与多个远程站点通信的定向天线，并且该定向天线包括多个天线模式。该方法包括通过在接入点与每个远程站点之间关联相应测量的、与该多个天线模式对应的信号质量来创建天线数据库。相应测量的信号质量是由接入点基于与每个远程站点的通信而确定的。该方法还包括对于每个远程站点基于天线数据库确定优选的天线模式，并且选择远程站点和对应的优选天线模式来与之通信。作为应对隐蔽节点问题的一种方式，基于天线数据库，并在与所选的远程站点通信之前确定是否有任何未被选择的远程站点具有在这种通信实际发生时不知道的潜力。这可以在两个互相隐蔽的站点被连接至同一接入点时发生。对于这些情况描述了全向RTS/CTS的使用。
Gossain等人的文章“Cross-layer directional antenna MAC protocol forwireless ad hoc networks”(WIRELESS COMMUNICATIONS&MOBILE COMPUTING︱6(2)：第171-182页；2006年3月)旨在于公开一种也称作DAMA的定向天线介质访问协议，并且其增强版本称作增强DAMA或者EDAMA，其利用定向天线提供的优点。利用该方案的一对通信节点同时地将圆形定向的RTS和CTS仅传送至具有邻居的区段，因此减小了整体通信延迟并且增大吞吐量。与如在IEEE 802.11中那样，对于所有天线波束使用单个MAC缓冲器的DAMA不同，EDAMA对于每个天线区段采用单独的缓冲器，并且引入集成的网络和MAC跨层设计。
可以看到，所公开的协议具有的缺点是不能避开隐蔽节点。
在检测和避开隐蔽节点(也称为隐蔽站点)方面的改进因此是期望的。
发明内容
根据本发明，必须首先建立在第一网络设备与第二网络设备之间的通信路径。然后，将该通信路径用于将第一网络设备看见的网络设备与第二网络设备看见的网络设备相比较。这使得能够识别隐蔽节点。假设在第二网络设备上存在并使用可配置的天线。然后以使得第二网络设备尽可能多地不再看见对于第一网络设备而言隐蔽的，即不可见的网络设备的方式修改该可配置的天线。
对应地，本发明提出了一种配置在第一网络设备和具有可配置的天线的第二网络设备之间的无线网络连接的方法。在第一网络设备和第二网络设备之间建立数据连接。从第一网络设备通过该数据连接将第一设备看见列表发往第二网络设备。第一设备看见列表包括所有第三网络设备的标识，其中第一网络设备能够利用无线网络从这些第三网络设备接收数据。然后，在第二网络设备中，测试第二网络设备是否能够利用无线网络和可配置的天线从任何额外网络设备接收数据。在此将除了包含在第一设备看见列表中的之外的任何第三网络设备称作额外网络设备。如果存在额外网络设备，以使得能够将额外网络设备的数目最小化的方式修改可配置的天线。这相当于对第二网络设备的可见范围的有意的、方向相关的或者非全向的限制。
根据本发明的方法的优点是，通过有意地限制第二网络设备的可见范围，避开了一般的隐蔽节点，并避免了所描述的信标问题。当然，能够实现这一点的程度取决于所涉及的网络设备的数目，而且还取决于由特定的可配置天线提供的配置的灵活性程度。
已知的、用于操作包括上面描述的定向天线的接入点的方法基于信号质量。假设可配置的天线是分区天线，这相当于使得该分区天线的对现有网络连接的信号质量没有主动贡献的所有分区失效(deactivate)。可以看到，这在许多情况下产生的效果是，仅天线的单个分区，即其它设备位于其中的分区，将保持活动(active)。
相反，用于配置在此提出的无线网络连接的方法相当于使得尤其会贡献隐蔽节点的分区天线的定向特性的部分无效。不减少可见的隐蔽节点的数目的天线定向特性的分区维持运行。以该方式，有利地，不妨碍其它网络设备稍后进入该无线网络。
附图说明
参考附图描述本发明的一个优选实施例。其中：
图1示出了现有技术的第一无线网络配置；
图2示出了用于示例本发明的第二无线网络配置。
具体实施方式
图2示出了用于示例本发明的第二无线网络配置。第二无线网络配置包括以分别相同的附图标记表示的、也包括在第一无线网络配置中的大多数网络设备。然而，与图1中示出的情形不同，第一站点STA1在此被假设为包括可配置的天线，并且因此以附图标记209表示。在不丧失一般性的情况下，第一站点209的可配置的天线在此被假设为包括可以被单独地使用或停用，从而导致该可配置的天线的单独的定向特性的8个角度分区。该8个角度分区在图2中用符号来表示：将第一站点的可见范围104划分为分区201、202、203、204、205、206、207和208。第二无线网络配置还包括第三站点STA3210。
在图2中绘出的示例情况中，第一接入点101是第一网络设备的实施例，并且第一站点209是具有可配置的天线的第二网络设备的实施例。
根据本发明的方法，首先在第一网络设备101和第二网络设备209之间建立通信路径或者数据连接。
该数据连接可以经由无线网络建立，但是可替换地它可以以其它手段无线地或有线地、专用地或标准化地建立。这仅用于第一网络设备将网络设备看见列表发往第二网络设备的单个步骤。
在图2中描绘的示例情况中，第一接入点101看见第一站点209和第三站点210。因此第一设备看见列表包括用于这两个网络设备的独特的标识，并且被发往第一站点209。
现在，第一站点209，在其用作第二网络设备时，可以开始测试它是否“看见”任何额外网络设备的步骤。因为处于该方法的开始，所以可配置的天线优选以全向模式操作。因此，在图2绘出的该示例情况中，第一站点209总共看到第一接入点101、第三站点210、第二接入点105和第二站点107。其中，第一接入点101由于是第一局域网的参与者之一而并非第三网络设备，而第三站点210包括在第一设备看见列表中。因此，仅第二接入点105和第二站点107仍为两个额外网络设备。
为了以使得额外网络设备的数目最小化的方式修改可配置的天线，现在顺序地观察每个天线分区并且将仅当额外网络设备的数目减少时才将其设置为不活动的(passive)。
在图2中绘出的示例情况中，并且假设第三站点210还未处于工作中，
-将第一天线分区201设置为不活动的将不降低额外网络设备的可见性，因此不被执行；
-这同样适用于第二天线分区202和第三天线分区203；
-将第四天线分区204设置为不活动的可以消除第二接入点105的可见性，因此将额外网络设备的数目减一。因此它被执行；
-将第五天线分区205设置为不活动的可以消除第二站点107的可见性，因此将额外网络设备的数目减一。因此它被执行；
-将第六天线分区206设置为不活动的将不降低额外网络设备的可见性，因此不被执行；
-这同样适用于第七天线分区207和第八天线分区208。
在对可配置天线的顺序修改的末尾，所得到的定向特性包括分区201-203以及206-208，它们一起覆盖270度的角度。分区204、205的90度的角度并未被覆盖，因此位于这两个分区中的额外网络设备不再可见。
在该情况下立即显而易见的是，第三站点STA3210是否进入了被活动的天线分区202覆盖的无线网络并且因此对第一接入点101和第一站点209可见，因此不阻止其进入第一局域网。
在之前的描述中，假设了在方法开始时的天线配置是全向的天线配置。但是该方法还可以以任意的、使得能够以规则或不规则的间隔反复应用的初始天线配置被采用。这具有的优点是它允许在运行中考虑无线配置中的缓慢变化。在该情况下，修改可配置的天线的步骤有利地还包括只要将任何天线分区设置为活动的不增加额外网络设备的数量就这样做。
在前文中，在一个涉及静态的、分区的天线的实施例中描述了根据本发明的配置方法。但是该方法还可以在可配置的天线采用数字波束成形时被采用。
请注意，当在其中天线具有仅很少分区的系统中采用本发明的方法时，会出现如下情况：将这些分区中的一个设置为不活动的并不会实际上消除额外网络设备的可见性，但是同时劣化或中断在第一与第二网络设备之间的网络连接。在这些情况下，有利的是仅在不削弱网络连接的附加条件下才将分区设置为不活动的。
换言之，本发明提出了一种用于在这些设备中的至少一个包括可配置的天线时优化无线网络连接的方法。为了避免隐蔽节点的问题，提出以使得仅被具有可配置的天线的网络设备看见的第三设备的数目最小化的方式修改可配置的天线。
Claims (14)
1.一种用于在具有可配置的天线的第二网络设备(209)中优化在所述第二网络设备(209)与第一网络设备(101)之间的无线网络连接的方法，所述可配置的天线具有能够单独地为活动的或不活动的不同的天线区段，包括如下步骤：
-建立在所述第二网络设备(209)与所述第一网络设备(101)之间的数据连接，
-通过所述数据连接从所述第一网络设备(101)接收第一设备看见列表，该第一设备看见列表包括所述第一网络设备(101)能够利用无线网络从其接收数据的所有第三网络设备(210)的标识，
-在所述第二网络设备(209)中测试所述第二网络设备(209)是否能够利用所述无线网络和所述可配置的天线从任何的额外网络设备接收数据，该额外网络设备是未包含在所述第一设备看见列表中的第三网络设备(105,107)，
-如果所述第二网络设备(209)能够从任何的额外网络设备接收数据，对于所述天线区段中的每个，如果将其设置为活动的不增加额外网络设备的数目，则将其设置为活动的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中测试步骤包括：
-编译第二设备看见列表，该第二设备看见列表包括所述第二网络设备(209)能够在利用所述可配置的天线时从其接收数据的所有第三网络设备(105,107,210)的标识，
-将所述第一设备看见列表与所述第二设备看见列表相比较，并且，如果所述第二设备看见列表包括未包括在所述第一设备看见列表中的第三网络设备的标识，则认为所述第二网络设备(209)能够从任何额外网络设备接收数据。
3.根据权利要求1所述的方法，在所述第二网络设备(209)中使用，其中，对于所述天线区段中的每个，如果将其设置为不活动的能够降低额外网络设备的数目，则将其设置为不活动的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述方法的开始，将所有天线区段设置为活动的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，利用所述无线网络连接建立所述数据连接。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，对于所述数据连接，按照全向模式操作所述可配置的天线。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，通过与所述无线网络连接不同的手段建立所述数据连接。
8.一种用于优化在第一网络设备(101)与具有可配置的天线的第二网络设备(209)之间的无线网络连接的方法，所述可配置的天线具有能够单独地为活动的或不活动的不同的天线区段，包括如下步骤：
-建立在所述第一网络设备(101)与所述第二网络设备(209)之间的数据连接，
-从所述第一网络设备(101)通过所述数据连接向所述第二网络设备(209)发送第一设备看见列表，该第一设备看见列表包括所述第一网络设备(101)能够利用无线网络从其接收数据的所有第三网络设备(210)的标识，
-在所述第二网络设备(209)中测试所述第二网络设备(209)是否能够利用所述无线网络和所述可配置的天线从任何的额外网络设备接收数据，该额外网络设备是未包含在所述第一设备看见列表中的第三网络设备(105,107)，
-如果所述第二网络设备(209)能够从任何的额外网络设备接收数据，对于所述天线区段中的每个，如果将其设置为活动的不增加额外网络设备的数目，则将其设置为活动的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中测试步骤包括：
-编译第二设备看见列表，该第二设备看见列表包括所述第二网络设备(209)能够在利用所述可配置的天线时从其接收数据的所有第三网络设备(105,107,210)的标识，
-将所述第一设备看见列表与所述第二设备看见列表相比较，并且，如果所述第二设备看见列表包括未包括在所述第一设备看见列表中的第三网络设备的标识，则认为所述第二网络设备(209)能够从任何额外网络设备接收数据。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，利用所述无线网络连接建立所述数据连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，对于所述数据连接，按照全向模式操作所述可配置的天线。
12.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，通过与所述无线网络连接不同的手段建立所述数据连接。
13.一种网络设备(209)，其具有可配置的天线并且被装备和配置为实施根据权利要求1所述的方法，所述可配置的天线具有能够单独地为活动的或不活动的不同的天线区段。
14.一种用于优化无线网络连接的系统，其包括第一网络设备(101)和具有可配置的天线的第二网络设备(209)，所述可配置的天线具有能够单独地为活动的或不活动的不同的天线区段，所述第一网络设备(101)被装备和配置为建立与所述第二网络设备(209)的数据连接，以及经由所述数据连接向所述第二网络设备(209)发送第一设备看见列表，该第一设备看见列表包括所述第一网络设备(101)能够利用无线网络从其接收数据的所有第三网络设备(210)的标识；并且所述第二网络设备(209)被装备和配置为实施根据权利要求1所述的方法。
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