CN110268647B - 用于具有可扩展分层架构的低延迟无线通信的方法和系统 - Google Patents

用于具有可扩展分层架构的低延迟无线通信的方法和系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种可扩展分层低延迟通信网络架构。该架构使用新颖的多节点、多包块确认(ACK)无线通信方法。该方法用于可扩展分层架构，其用于存储一个或多个程序的非暂时性计算机可读存储介质。该一个或多个程序包括执行以下步骤的指令：在中心集线器处接收来自多个节点的多个数据和控制包；为在中心集线器处接收的来自多个节点的多个数据和控制包创建单个ACK包；以及将确认多个数据包和控制包的接收的单个ACK包传送到多个节点。

Description

用于具有可扩展分层架构的低延迟无线通信的方法和系统
在先申请
本申请要求相同发明人的以下申请的优先权：于2016年9月30日提交的题为“ANOVEL MULTI-NODE MULTI-PACKET BLOCK ACKNOWLEDGEMENT FOR WIRELESSCOMMUNICATION NETWORKS”的美国临时申请序列号62402916；题为“A BEACON BASEDWIRELESS LOW LATENCY NETWORK AND METHOD”的美国临时申请序列号62402936；题为“METHOD AND SYSTEMS FOR LOW LATENCY WIRELESS COMMUNICATION WITH A SCALABLEHIERARCHIAL ARCHITECTURE”的美国临时申请序列号62402951；以及题为“A MULTIBANDWIRELESS COMMUNICATION DEVICE AND NETWORK”的美国临时申请序列号62402958；并通过全文引用将其并入本文。
版权声明
本公开包含受版权保护的材料。版权所有者不反对按照专利和商标局文件、记录等中所公开的对本公开进行复制。另一方面，根据37 CFR 1.71(d)，版权所有者保留对本专利公开的任何版权。
公开背景
以下信息有助于更好地理解本公开。请注意，本部分中包含的信息并不承认所提供的信息是必要的、本公开的现有技术或如所要求保护的公开中所描述的，或者具体地、暗示地或以其他方式引用的任何出版物或文献是现有技术。
1.技术领域
本申请中公开的创造性设备大体上涉及网络协议，并且更具体地，涉及基于多频带信标信号的具有可扩展分层架构的低延迟无线通信网络，所述低延迟无线通信网络使用新颖的多节点、多包、块确认机制来减少通信延迟。通信系统内的包的有序传输用于减少冲突以及延迟。
2.背景技术
在无线通信网络中，当发送器向接收器发送包时，接收器需要通过向所述发送器发回应答包(acknowledgment packet，ACK包)来确认所述包的接收。ACK包增加了通信的开销。ACK包增大了通信延迟并减少了整个网络的吞吐量。另外，当有多个发送器通过空中发送包时，可能会出现冲突。所述冲突将使通信延迟和网络的吞吐量更加糟糕。
一般而言，无线通信网络不可扩展。在由大量小型无线网络组成的大型无线通信网络中，冲突是主要问题。当同一小型网络中的多个节点尝试同时或在基本相似的时间发送包时，可能发生冲突。当来自不同小型网络的多个节点尝试同时或在基本相似的时间发送包时，也会发生这种情况。
我们提出的低延迟网络(或减少延迟网络)具有星形拓扑。星形拓扑广泛用于许多无线通信标准和无线通信网络，如WIFI、Zigbee和蓝牙[1、2和3]。图1示出了星形拓扑无线网络，所述星形拓扑无线网络由一个集线器(中心节点)和8个节点组成。所有节点都无线连接到集线器。所述减少延迟网络使用超帧结构来同步集线器和节点之间的通信，如图2所示。通常，超帧结构基于信标信号。每个超帧结构以从集线器发出的信标信号开始。所述节点监听所述信标信号并在所述信标信号之后传输。图3示出了在Zigbee和802.15.4系统[3]中使用的基于信标信号的惯常超帧结构。对于发送到集线器的每个包，其之后是ACK包，这限制了网络的吞吐量，并且这还增大了通信延迟。
在图4(a)和(b)中示出了最常见的ACK机制。在图4(a)中，对于从节点发送到集线器的每个包，集线器回复ACK包以确认从节点发送到集线器的包的正确接收。在图4(b)中，对于从集线器发送到节点的每个包，节点回复ACK包以确认从集线器发送到节点的包的正确接收。ACK包增加了通信的开销，增大了通信延迟并减小了整个网络的吞吐量。
为了减少ACK包的数量，在802.11n WIFI[2]中，人们提出了图5所示的块确认机制。代替针对来自同一节点的每个包传输单独的ACK，集线器通过使用单个ACK包一起确认多个包。该确认机制称为块ACK，并且在IEEE802.11n[2]得到应用。
因此，WIFI 802.11n试图使用块确认来解决延迟问题和吞吐量问题。但是块ACK用于通过单个ACK包确定从同一发送器到接收器的多个包的接收。
如图5所示，块ACK机制减少了用于确定从同一发送器到接收器的多个包的接收的ACK开销。如果多个包来自不同的发送器，则接收器仍然需要发送出多个ACK包，这增大了通信延迟并减小了网络的吞吐量，如图6所示。
Zigbee和802.15.4引入了基于信标信号的超帧结构架构以减少冲突。但它无法解决由确认包引入的开销。
到目前为止，还没有可靠的方式来解决由若干较小网络组成的大型无线网络内部的冲突。
许多通信系统，尤其是许多低吞吐量通信系统，仅在单个频带或预先分配的单个频带上工作。例如，蓝牙[1]仅支持2.4GHz ISM频带上的通信。
与ISM 5.8GHz频带和其他频带相比，2.4GHz是干扰重且繁忙的频带。WIFI、无绳电话和一些家用电器使用ISM 2.4GHz频带。对于2.4GHz频带上的无线通信，来自它们的所有干扰将导致包括丢包、重传和高延迟的问题。
所引用的参考文献如下所示：
[1]蓝牙核心规范，
https://www.bluetooth.com/specifications/bluetooth-core-specification
[2]IEEE 802.11：无线局域网媒体访问控制(Wireless LAN Medium AccessControl，MAC)和物理层(Physical Layer，PHY)规范
[3]IEEE 802.15.4：局域网和城域网的IEEE标准-15.4部分：低速无线个人局域网(Low-Rate Wireless Personal Area Networks，LR-WPAN)
随着虚拟现实技术和增强现实技术(virtual reality and augment reality，VR和AR)的兴起，低延迟无线通信变得越来越重要。
过去，人们可能还没有像如今一样意识到低延迟无线通信的重要性。除了VR和AR之外，低延迟无线通信对于游戏、实时反馈控制系统和实时监控系统也至关重要。因此，期望减少通信网络中的延迟。
过去，人们可能还没有意识到即使对于低吞吐量的通信网络系统也支持多频带的重要性。人们曾经认为低吞吐量意味着高延迟。然而，对于VR/AR系统、实时反馈控制系统和实时监控系统中的无线通信，情况不再如此。这些系统需要以低延迟实时传递少量传感器/状态/控制数据。在繁忙且嘈杂的环境中，干扰会对延迟产生不利影响。因此，期望即使对于低吞吐量系统也支持多频带通信，以便让系统自动选择具有较少干扰的频带。例如，期望有一种在所有ISM频带(工业、科学和医疗频带)上，例如2.4GHz、5.8GHz、915MHz、433MHz频带，以及非ISM频带上支持低延迟无线通信的机制。
在本公开中，请注意引用的所有专利、专利申请和文献都通过全文引用并入本文。此外，当通过引用并入本文的参考文献中的术语的定义或使用与本文提供的该术语的不一致或相反时，适用本文提供的该术语的定义，而不适用参考文献中该术语的定义。该实施方式可以寻求满足上述期望中的一个或多个。尽管以下公开的实施方式可能回避了上述期望中的一个或多个，但是应理解，该实施方式的某些方面可能不一定回避它们。
发明内容
本申请中公开的创造性设备大体上涉及网络协议，并且更具体地，涉及基于信标信号的低延迟可扩展分层无线网络，该无线网络使用新颖的多节点多包块确认机制来减少通信延迟。该低延迟无线网络可以在多频带上工作，以便尽可能地避免干扰。
本公开的一般目的(在下文将对其进行更详细描述)，是一种低延迟可扩展分层无线网络，其采用了新颖的多节点、多包块确认机制。所述分层网络由多个具有星形拓扑的基于信标信号的减少延迟网络组成。每个基于信标信号的减少延迟网络可以在无线频带或多个无线频带的不同子频带上工作。低延迟分层网络可用于许多系统，诸如游戏系统、虚拟/增强现实系统、实时反馈控制系统、数据/状态监控系统和医疗监控系统。
低延迟分层网络的基本构建单元是基于信标信号的减少延迟网络。我们首先描述基于信标信号的减少延迟网络。然后，我们将描述分层网络。我们还将描述分层网络中的信道接入方法，以尽可能避免干扰。
在实施方式的一个方面，公开了一种具有可扩展分层架构的多节点、多包、块确认(ACK)无线通信方法，该方法用于非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质存储一个或多个程序。所述一个或多个程序包括指令，所述指令由计算设备执行时，使得所述计算设备的模块执行以下步骤：在中心节点或中心集线器处接收来自多个节点的多个数据包和控制包；为在中心集线器或中心节点处接收的来自多个节点的多个数据包和控制包创建单个ACK包；以及将所述单个ACK包传送到所述多个节点，所述ACK包确认多个数据和控制包的接收。
还预期的是，该实施方式包括以下步骤和/或限制中的一个或多个；即，
将其他信息和消息与ACK信息一起多路复用，以形成单个包，所述ACK信息是对所接收的多个数据包和控制包的确认，并且将其他信息和消息与ACK信息作为所述单个包的一部分传送到所述多个节点；
将ACK信息作为从中心节点或集线器传输的信标信号的一部分传送到所述多个节点；
在超帧结构的开始处，从中心集线器或中心节点向多个节点传输信标信号；通过多个节点在每个超帧结构中进行监听；响应于信标信号，使用超帧结构在中心节点或中心集线器与多个节点之间同步通信；并且将一个或多个确认(ACK)信息作为信标信号的一部分传送到多个节点；
其中，同步通信包括当多个节点尝试同时或在基本相似的时间将多个数据包和控制包发送到中心集线器或中心节点时避免数据冲突；
将多个数据包和控制包的一个或多个确认(ACK)信息作为信标信号的一部分传送到多个节点；
将其他ACK信号、同步信号以及数据和信息作为信标信号的一部分传送到多个节点；
将信标信号内的一个或多个确认(ACK)传送到多个节点，以通知所述数据和信息的接收状态，所述数据和信息是通过发送到中心集线器或中心节点的控制包接收的；以及
通过作为集线器的电话、平板电脑、个人计算机和计算设备中的至少一种，将多个数据包和控制包的一个或多个确认(ACK)信息作为信标信号的一部分传送到多个节点。
在实施方式的又一方面，公开了一种用于非暂时性计算机可读存储介质的方法，所述非暂时性计算机可读存储介质存储一个或多个程序。所述一个或多个程序包括用于通过集线器将信标信号传输到无线网络的多个节点的指令，所述指令由计算设备执行时，使得计算设备的模块执行以下步骤：由所述多个节点中的每个节点监听并同步通信到信标信号；在每个超帧中每个节点轮流将包传送到集线器；并且从每个节点以根据每个节点加入无线网络时的顺序所决定的顺序或由来自集线器的分配顺序所决定的顺序进行传送。
还预期的是，该实施方式包括以下步骤和/或限制中的一个或多个；即，
通过多个节点连同其他数据和信息确认从集线器传输的数据和信息的接收；将数据和信息传送到集线器；以及将包从节点传输到集线器，所述包包含ACK信息，所述ACK信息用于确认从集线器传输到多个节点的信标信号内的数据和信息的接收；
从多个节点传输包含确认(ACK)的包，以通知从信标信号接收的数据和信息的接收；
每个节点轮流将包传送到集线器，包括两个节点轮流将包传送到作为集线器的移动电话；以及
每个节点轮流将包传送到集线器，包括两个节点轮流将包传送到作为集线器的平板电脑或个人计算机或计算设备。
在实施方式的又一方面，计算机服务器、存储器、I/O端口和处理器，所述处理器配置为执行超帧结构，所述超帧结构用于同步中心集线器和多个节点之间的通信，其中：每个超帧以从中心集线器传输的信标信号开始；在每个超帧中节点监听从中心集线器传输的信标信号并轮流与中心集线器进行通话；并且基于信标信号的超帧通信架构采用多节点多包块确认机制，所述多节点多包块确认机制实现减少延迟通信，并当多个节点同时或在基本相似的时间将包发送到中心集线器时避免数据冲突。
还预期的是，该实施方式包括以下步骤和/或限制中的一个或多个；即，以下中的至少一个或多个：
对从多个节点传输的数据包的一个或多个确认(ACK)信息作为信标信号的一部分被传送到多个节点；
用于多个节点的同步信号、数据和信息以及其他信号作为信标信号的一部分被传送到多个节点；以及
一个或多个确认(ACK)在信标信号内被传送到多个节点，以通知多个数据和信息的接收状态，所述多个数据和信息是通过发送到中心集线器或中心节点的控制包接收的。
在实施方式的又一方面，分层低延迟网络是一种通信网络，被公开为包括：超级集线器、大量权利要求15中定义的减少低延迟网络，以及大量直接连接到所述超级集线器的节点。每个减少延迟网络可以具有不同数量的节点。
在一个实施方式中，减少低延迟网络中的每个和超级集线器在不同的无线子频带或整个频带上工作；第一减少延迟网络在子频带1或整个频带1上工作；第二减少延迟网络在子频带2或整个频带2上；第三减少延迟网络在子频带3或整个频带3上；以及...第N减少延迟网络在子频带N或整个频带N上；并且超级集线器配置为在子频带N+1或整个频带N+1上和所有减少延迟网络以及与超级集线器直接关联的节点进行通信。子频带中的每个彼此不同。在另一实施方式中，子频带中的一些是相同的，并且它们中的一些是不同的。整个频带中的每个都是不同的。在另一实施方式中，整个频带中的一些是相同的，并且它们中的一些是不同的。
如本文所述，应理解的是，可以不一定根据本公开的任何一个特定实施方式实现优点和新颖的特征。因此，本公开可以以优化或实现如本文所教导的优点中的一个或一组的方式来体现或执行，而不实现可能教导或建议的许多或所有优点。在说明书中清楚地要求保护被认为是新颖的本公开的特征。应注意的是，附图可以是简化的形式，并且可能不是精确的比例。参考本文所公开的，仅出于方便和清楚的目的，参考附图使用诸如顶部、底部、左、右、上、下、之上、上方、之下、下方、后、前、远和近之类的方向术语。这些方向术语不应被解释为以任何方式限制实施方式的范围。
附图说明
本说明书的书面部分随附的附图示出了用于本公开的实施方式和(一种或多种)方法，根据本公开的教导构建和操作的使用新颖的多节点多包块确认机制的基于信标信号的超帧结构。
图1示出了具有集线器(中心节点)和8个节点的星形拓扑网络。
图2示出了基于超帧的星形网络(具有集线器和N个节点，其中N是大于或等于1的正整数)。
图3示出了惯常的基于信标信号的超帧结构。
图4(a)示出了针对从节点发送到集线器的每个包，集线器回复确认(ACK)包以确定接收的网络。
图4(b)示出了针对从集线器发送到节点的每个包，节点回复确认(ACK)包以确定接收的网络。
图5示出了针对从同一节点接收的多个包，集线器回复确认(ACK)包的网络。
图6示出了如果存在从不同节点发送的多个包，则集线器仍然需要针对其接收的每个包发回ACK包的网络。
图7示出了本公开的基于信标信号的超帧结构，其中P1表示包1，P2表示包2...，且PN表示包N；C1表示控制包1，C2控制包2...，且CM控制包M，并且每个超帧由数据帧周期和控制帧周期组成。在一些配置中可能不存在控制帧周期。
图8示出了本公开的基于基本信标信号的减少延迟网络和超帧结构。
图9示出了信标信号包，所述信标信号包包含集线器在先前超帧结构中接收的包的ACK信息，并且从节点发送的包可以包含ACK信息，所述ACK信息用于通过本公开的信标信号从集线器发送到节点的消息和数据的接收。
图10示出了新颖的多节点多包(multi-node multi-packet，MNMP)块ACK机制，包括：集线器通过单个ACK包一起确认来自不同节点的多个包的接收，并且该单个ACK可以是本公开的超帧结构中的信标信号的一部分。
图11示出了分层低延迟网络，所述分层低延迟网络包括本公开的大量(W)RLN(reduced latency networks，减少延迟网络)，和大量(M)节点以及超级集线器。
图12示出了本公开的跳频：超帧i-1在信道x上；超帧i在信道y上；且超帧i+1在信道z上。
图13示出了本公开的子频带的示例，其中2.4GHz ISM频带被划分为4个子频带。
图14示出了本公开的将子频带划分为多个信道的示例。
图15是根据一些实施方式的用于本公开的基于基本信标信号的减少延迟网络和超帧结构的系统的框图。
在下文中将结合所附附图对本公开的各种实施方式进行描述，其中相同的标号表示相同的元件。
具体实施方式
如上所述，本公开申请的实施方式大体上涉及用于诸如平板电脑、移动电话、移动终端以及移动设备和传感器之类的移动电信装置的无线通信网络。更具体地，它们涉及由中心节点(例如集线器)和大量节点组成的用户友好的低延迟无线网络。
最一般地，在本公开中，我们将对试图解决上述问题的低延迟可扩展分层无线网络进行描述。所述分层网络由具有星形拓扑的多个基于信标的减少延迟网络组成。每个基于信标的减少延迟网络可以操作无线频带的不同子频带。所述低延迟分层网络可用于许多系统，诸如游戏系统、虚拟现实系统、增强现实系统、实时反馈控制系统、数据/状态监控系统和医疗监控系统。
现在参考附图，其中相同的标号始终表示相同的部分。
如本文所使用的，术语“无线”或“无线网络”或“网络”指的是与设备或在多个设备之间的无线通信。根据商业、场地、活动或博物馆的需要，无线设备可以锚定到一位置和/或硬连线到电力系统。在一个实施方式中，可以使无线设备能够连接到因特网，而不需要将数据传递到因特网和从因特网传递数据，以便在无线信息通信和传送系统内进行通信。
如本文所使用的，术语“智能电话(Smart Phone)”或“智能电话(smartphone)”或“移动设备(一个或多个)”或“蜂窝电话”或“蜂窝”或“移动电话”等是指无线通信设备，其包括但不限于，集成电路(integrated circuit，IC)，芯片组，芯片，包括低噪声放大器的系统单芯片(System on a chip)，功率放大器，专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)，数字集成电路，收发器，接收器或者传输器，动态、静态或非暂时性存储器设备(一个或多个)，用于处理接收和传输的信号(例如，从因特网或到因特网)的一个或多个计算机处理器，其他无线设备，且用于提供无线信息通信和传递系统内的包括发送、广播和接收信息、信号数据、位置数据的通信，总线，用于传输和接收信号的天线，以及诸如可充电电池或电力存储单元之类的电源。例如，芯片或IC可以在从硅、蓝宝石、磷化铟或砷化镓晶片切割出的“裸片”上构造(“制造”)。例如，IC可以是例如芯片上的模拟集成电路或数字集成电路或其混合组合。此外，数字集成电路可以在仅几平方毫米的区域上包含以下任何元件：一个到数千或数百万个信号反相器、逻辑门(例如“与”、“或”，“与非”和“或非门”)、触发器、多路转换器等。与更复杂的板级集成相比，例如IC的小尺寸允许这些电路提供高速操作、低功耗和减少制造成本。
如本文所使用的，术语“无线”、“无线数据传递”、“无线跟踪和位置系统”、“定位系统”和“无线定位系统”无限制地指代传递数据或传送或广播消息的任何无线系统，该通信可以包括使用一个或多个设备(例如，无线通信设备)的位置坐标或其他信息。
如本文所使用的，术语“模块”或“多个模块”无限制地指代任何软件、软件程序(一个或多个)、固件或实际硬件或其组合，已被添加、下载、更新、传递，或者最初是更大的计算系统或收发器系统的一部分，协助或提供计算能力，包括但不限于逻辑功能，以协助或者提供命令或消息的通信广播，该通信可包括位置坐标或者与一个或多个设备(例如，无线通信设备)或在这些设备之间、之中的通信。
如本文所使用的，术语“减少延迟”或“低延迟”无限制地指取决于节点的数量和数据大小。例如，如果有四个节点，并且数据只有几个字节，那么“减少延迟”或“低延迟”可能小于1ms。另一方面，如果有20个节点，并且集线器和节点之间的数据是100字节，那么“减少延迟”或“低延迟”可能是大约20ms。最一般地，在一个或多个实施方式中，“减少延迟”或“低延迟”是指低于1ms至几十ms的范围。
如本文所使用的，术语“多个节点”或“节点”是指想要与网络或集线器以及一个或多个用户设备通信或者在其间通信的用户设备，例如，膝上型电脑、移动电话或设备或传感器等。
通过附图标记参考附图，图7-15中示出了低延迟可扩展分层无线网络，例如可用于许多系统中的节点与中心控制器或集线器之间的通信的系统，诸如游戏系统、虚拟现实和增强现实系统、实时反馈控制系统、数据/状态监控系统、医疗监控系统等。
图7示出了所提出的减少延迟网络的所提出的超帧结构700。超帧结构700中的每个超帧以信标信号702开始，该信标信号由集线器721传输(如图8所示)。在信标信号702传输之后，存在来自节点750、752...770)的大量包(706、708...720)(如图7和图8所示的N个包)、以及大量控制包724、726...740)(如图7所示的M个控制包)。
如图7和图8所示，信标信号702由集线器721传输到节点750、752...770、772。在超帧结构700的每个超帧中(例如，超帧i 703、超帧i+1 711....)，每个节点监听并同步到信标信号702，并且将一个包706、708...771或更多包轮流传输到集线器721。从每个节点传输的顺序和包的数量由所述节点加入网络(例如，网络800)时的顺序决定。最初，网络中只有集线器721。加入网络的第一节点750变为节点1，且第二节点752加入网络变为节点2，第三节点754变为节点3，等等。当多个节点750...770、772等尝试同时或在基本相似的时间发送包时，有序传输避免了冲突。
在一些实施方式中，传输的顺序可以由集线器721分配，其中第一节点750加入网络，集线器721将编号x分配给第一节点750，第一节点750变为具有ID(标识)x的节点。第二节点752加入网络变为具有ID y的节点(集线器将ID y分配给该节点)，并且第三节点754变为具有ID z的节点，等等。然后，节点根据其分配的编号传输包(例如，包706、708、710、712、714、716等)。
在一些实施方式中，来自不同节点(例如，节点750、752、754、756...770、772)的每个包(例如，包706、708、710、712、714、716等)可以具有不同的长度或者不同的持续时间。在一些实施方式中，信标信号702可以包含与每个包(例如，包706、708、710、712、714、716等)的长度或持续时间相关的信息。在一些实施方式中，以不同的方式，当节点(例如，节点750、752、754、756...770、772)加入网络时，可以分配每个包(例如，包706、708、710、712、714、716等)的长度或持续时间。
在一些实施方式中，在超帧结构700的每个超帧中，节点(例如，节点750、752、754、756...770、772)可以传输多于一个包(例如，包706、708、710、712、714、716等)。信标信号702可包含与节点(例如，节点750、752、754、756...770、772)可以在超帧中传输的包(例如，包706、708、710、712、714、716等)的数量相关的信息。在一些实施方式中，在节点(例如，节点750、752、754、756...770、772)加入网络时可以分配节点(例如，节点750、752、754、756...770、772)可以传输的包(例如，包706、708、710、712、714、716等)的数量。
在一些实施方式中，控制包(例如，控制包724、726...740等)用于新节点(例如，节点772)，所述新节点未在网络中然而与集线器721交换控制信息(如准许进入网络)。在一些实施方式中，已经在网络中的节点(例如，节点750、752、754、756...770)也可以使用控制帧周期722来与集线器721交换控制信息或额外数据信息(包括控制包1 724、控制包2 726...控制包M 740)。
参考图9，在所提出的减少延迟网络中，当集线器721(参见图8)从节点(例如，节点750、752、754、756...770)接收包(P1 706-P6 716)时，所述集线器直到下一超帧中的信标信号702才确认该包(P1 706-P6 716)的接收(例如，集线器在超帧i+1(711)中确认在超帧i(703)中接收的包的接收，如图7、8和9所示)。也就是说，在该实施方式中，信标信号702包含用于在先前超帧中发送到集线器721的包(P1 706-P6 716)的确认904信息，如图9所示。
总之，中心节点(集线器)721通过单个确认包904一起确认来自不同节点750、752、754、756...770的多个包706、708、710、712...771的接收，如图10所示。我们将该确认机制称为多节点、多包、块确认机制。
在本公开中，信标信号702内的单个确认(多节点多包块确认)904与许多无线通信网络[1]、[2]和[3]中使用的普通确认机制区不同。
在一些实施方式中，信标信号702可以包含节点750、752...770、772的数据和信息。在一些实施方式中，对接收那些数据和信息的确认(例如，确认902是对从节点到集线器的接收的确认)，连同从节点(例如，节点750、752...770、772)到集线器721(如图8、9和10所示)的包中的其他数据和信息一起，被传输到集线器721。也就是说，如图9所示，从节点(例如，节点750、752...770、772...)传输的包还包含对从信标信号702接收的数据和信息的接收的确认。
请注意，ACK 904用于从集线器到节点的确认，且ACK 902用于从节点到集线器的确认。
在一些实施方式中，如图11所示，分层低延迟网络(hierarchical low latencynetwork，HLLN)由超级集线器725、大量基于信标的减少延迟网络、以及直接连接到超级集线器725的大量节点(例如，节点750”’、752”’、770”’)组成，所述大量基于信标的减少延迟网络为：具有节点750、752、754和集线器721的减少延迟网络1(Reduced Latency Network，RLN1)，具有节点750’、752’、754’、756’和集线器721’的减少延迟网络2(RLN2)，以及具有节点750”、752”和770”的减少的延迟网络3(RLN3)。每个减少延迟网络(RLN)(例如，RLN 1、RLN2...RLN W)可以具有不同数量的节点。
在一些实施方式中，分层低延迟网络的信道接入方法结合了TDMA(time-divisionmultiple access，时分多址，即基于信标信号的减少延迟网络内的有序传输)、FDMA(frequency-division multiple access，频分多址)和跳频。
在一些实施方式中，基本减少延迟网络基于时分多址(TDMA)，结合了跳频。在超帧期间，如图8和图9所示，节点(750、752...770)采用图12所示的同一无线信道轮流与集线器(中心节点)进行通话。所有节点(包括想要与集线器进行通话的新节点)应监听由集线器721传输的信标信号702。信标信号702为所有端节点建立它们应该何时传输的定时。
为了使来自可能针对不同超帧使用固定信道的其他无线网络的干扰最小化，集线器和节点之间的通信使用不同的信道。在一些实施方式中，如图12所示，在新超帧上，无线信道可以跳到不同的频率。例如，跳频是由信标信号702指示的预定义序列或伪序列，或者在网络形成时建立；即，超帧i-1 695在信道x上、超帧i 703在信道y上，以及超帧i+1 711在信道z上。
无线频带，例如2.4GHz和5.8GHz ISM频带，可以划分为大量子频带。每个子频带占据一定范围的频率范围。例如，在图13中，我们将2.4GHz ISM频带划分为4个子频带(子频带1 780(2.4GHz-2.425GHz)、子频带2 782(2.425GHz-2.45GHz)、子频带3 784(2.45Ghz-2.475GHz)和子频带4 786(2.475GHz-2.5GHz)。每个子频带占据25MHz的频率范围。如图14中的示例所示，每个子频带(例如，子频带1 780)可以进一步被划分为多个信道(例如，信道1 790、信道2 792、信道3 794、信道4 796、信道5 798)。在该示例中，我们将图13中的子频带划分为五个信道。
在本公开的又一实施方式中，公开了一种基本减少延迟网络，其在无线频带的子频带或整个频带上工作。在一种示例中，不同节点通过时分多址与集线器进行通话。在一些实施方式中，由大量基本减少延迟网络组成的分层低延迟网络使用TDMA和FDMA的组合，基本减少延迟网络(RLN1、RLN 2...RLN W，其中W是大于或等于1的正整数)中的每个在不同的子频带或整个频带上工作。例如，RLN 1在子频带1上工作、RLN 2在子频带2上；...；且RLN W在子频带W上。在一些实施方式中，超级集线器通过不同的子频带(子频带W+1)和所有减少延迟网络以及和与超级集线器直接关联的的节点进行通话。
组合的TDMA和FDMA避免了每个RLN内的节点之间的冲突。同时，它避免了来自不同基本减少延迟网络的节点之间的冲突。
集线器和/或超级存储器可以时时扫描无线频带，并且选择具有较少干扰的频带和子频带，进行数据通信。
所引用的参考文献如下所示：
[1]蓝牙核心规范，
https://www.bluetooth.com/specifications/bluetooth-core-specification
[2]IEEE 802.11：无线局域网媒体访问控制(Medium Access Control，MAC)和物理层(Physical Layer，PHY)规范
[3]IEEE 802.15.4：局域和城域网的IEEE标准-15.4部分：低速无线个人局域网(Low-Rate Wireless Personal Area Networks，LR-WPAN)。
在如前所述的一个或多个实施方式中，公开了一种分层低延迟网络(HLLN)，其包括超级集线器、大量基于信标信号的减少延迟网络，以及直接连接到超级集线器的大量节点。每个减少延迟网络可以具有不同数量的节点。在基于信标信号的减少延迟网络中，超帧结构配置为对集线器和节点之间的通信进行同步。每个超帧结构以从集线器传输的信标信号帧开始。在超帧结构的每个超帧中，节点监听信标信号并继而与集线器进行通话；并且配置有新颖的多节点多包块确认机制的基于信标信号的超帧通信架构实现了低延迟通信，并且当多个节点在基本相似的时间尝试将包发送到集线器时避免了数据冲突。
在基本减少延迟网络中，使用多节点多包块确认方法。所述方法包括确认从不同节点发送到集线器的多个数据包的接收的步骤。集线器通过单个ACK包一起确认来自不同节点的多个数据包。信标信号不仅包含同步和ACK信号，它还包含针对每个节点的数据和信息。每个节点通过将ACK连同其数据发回集线器来确认这些数据和信息的接收。分层低延迟网络可以在具有较少干扰的多个ISM或非ISM频带或那些频带的子频带上同时工作，以便减少冲突。
图15是根据一些实施方式的用于本公开的基于基本信标信号的减少延迟网络和超帧结构的系统的框图。
参考图15，系统1500包括处理器1501、计算机服务器1502、网络接口1503、输入和输出(I/O)设备1505、存储设备1507、存储器1509和总线或网络1508。总线1508将网络接口1503、I/O设备1505、存储设备1507和存储器1509耦接到处理器1501。
相应地，处理器1501配置为使计算机服务器1502(例如，因特网服务器)能够执行本文公开的特定操作。应注意，本文描述的操作和技术可以至少部分地以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。例如，所描述的实施方式的各个方面，例如处理器1501、计算机服务器1502等，可以在一个或多个处理单元内实现，所述处理单元包括一个或多个微处理单元、数字信号处理单元(digital signal processing units，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuits，ASIC)、现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate arrays，FPGA)或任何其他等效的集成逻辑电路或离散逻辑电路，以及这些部件的任何组合。
术语“处理单元”或“处理电路”通常可以指前述逻辑电路中的任一种，单独地或者与其他逻辑电路组合，或任何其他等效电路。包括硬件的控制单元也可以执行本公开的技术中的一种或多种。
在根据本公开的一些实施方式中，计算机服务器1502配置为利用I/O端口1505经由诸如无线网络之类的网络1508与外部设备通信。在某些实施方式中，I/O端口1505是网络接口部件，诸如以太网卡、光学收发器、射频收发器或任何其他类型的可以发送和从因特网接收数据的设备。网络接口的示例可以包括移动计算设备中的
Figure BDA0002010274170000185
、3G和
Figure BDA0002010274170000182
无线电接口以及USB。无线网络的示例可以包括
Figure BDA0002010274170000183
、
Figure BDA0002010274170000186
和3G。在一些实施方式中，互联网服务器1502配置为利用I/O端口1505与诸如移动电话、平板PC、便携式膝上型电脑或任何其他具有因特网连接的计算设备之类的客户端设备1510无线通信。相应地，在计算机服务器1500和客户端设备1510之间传输电信号。
在根据本公开的一些实施方式中，计算机服务器1502是能够执行常规服务器具有的任何功能的虚拟服务器。在某些实施方式中，计算机服务器1502是系统1500的另一客户端设备。换句话说，系统1500可能没有集中主机，并且系统中的客户端设备1510配置为彼此直接通信。在某些实施方式中，这样的客户端设备1510在对等(peer-to-peer，P2P)基础上彼此通信。处理器1501配置为执行程序指令，所述程序指令包括配置为执行如参考图7-14所描述和图示说明的方法的模块。相应地，针对一种用于存储一个或多个程序的非暂时性计算机可读存储介质，模块配置为执行包括具有可扩展分层架构的多节点、多包块确认(ACK)的无线通信方法的操作。
在一个或多个实施方式中，所述一个或多个程序包括指令，所述指令在由计算设备执行时使得所述计算设备的模块执行包括以下的步骤：在中心节点或中心集线器处接收来自多个节点的多个数据和控制包；为在中心集线器或中心节点处接收的来自多个节点的多个数据和控制包创建单个ACK包；以及将确认多个数据和控制包的接收的单个ACK包传送到多个节点。
例如，上述该实施方式中的方法还可以包括以下任何或所有步骤：
(a)将其他信息和消息与对接收的多个数据包和控制包的ACK信息一起多路复用以形成单个包，将其他信息和消息与ACK信息作为单个包的一部分传送到多个节点；
(b)将ACK信息作为从中心节点或集线器传输的信标信号的一部分传送到多个节点；
(c)在超帧的开始处将信标信号从中心集线器或中心节点传输到多个节点；多个节点在每个超帧中进行监听；响应于信标信号，使用超帧结构来对中心节点或中心集线器与多个节点之间的通信进行同步；以及将一个或多个确认(ACK)信息作为信标信号的一部分传送到多个节点；
(d)同步通信包括当多个节点尝试同时或在基本相似的时间将多个数据和控制包发送到中心集线器或中心节点时避免数据冲突；
(e)将多个数据和控制包的一个或多个确认(ACK)信息作为信标信号的一部分传送到多个节点；
(f)将其他ACK信号、同步信号以及数据和信息作为信标信号的一部分传送到多个节点；
(g)将信标信号内的一个或多个确认(ACK)传送到多个节点，以通知通过发送到中心集线器或中心节点的控制包接收的数据和信息的接收状态；以及
(h)通过充当集线器的电话、平板电脑、个人计算机和计算设备中的至少一种，将多个数据和控制包的一个或多个确认(ACK)信息作为信标信号的一部分传送到多个节点。
在一个或多个实施方式中，一个或多个程序包括指令，所述指令在由计算设备执行时，使得计算设备的模块执行以下步骤，包括：一种用于非暂时性计算机可读存储介质的方法，所述非暂时性计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于通过集线器将信标信号传输到无线网络的多个节点的指令，所述指令在由计算设备执行时，使得计算设备的模块执行所述以下步骤，所述方法包括：由多个节点的每个节点监听并同步与信标信号的通信；在每个超帧结构中每个节点轮流将包传送到集线器；并且从每个节点以根据每个节点加入无线网络时的顺序所决定的顺序或由来自集线器的分配顺序所决定的顺序进行传送。
例如，上述该实施方式中的方法还可以包括以下步骤的任一或所有：
(a)通过多个节点连同其他数据和信息确认从集线器传输的数据和信息的接收；将数据和信息传送到集线器；并且从节点将包传输到集线器，所述包包含用于确认从集线器传输到多个节点的信标内的数据和信息的接收的ACK信息；
(b)传输来自多个节点的包含确认(ACK)的包，以通知从信标信号接收的数据和信息的接收；
(c)每个节点轮流将包传送到集线器，包括两个节点轮流将包传送到充当集线器的移动电话；以及
(d)每个节点轮流将包传送到集线器，包括两个节点轮流将包传送到充当集线器的平板电脑或个人计算机或计算设备。
网络接口1503配置为访问程序指令和数据，所述数据由远程存储的程序指令通过网络(未示出)访问。
I/O设备1505包括输入设备和输出设备，所述输入设备和所述输出设备配置为使得用户能够与系统1500交互。在一些实施方式中，输入设备包括例如键盘、鼠标和其他设备。此外，输出设备包括例如显示器、打印机和其他设备。
存储设备1507配置为用于存储程序指令和由程序指令访问的数据。在一些实施方式中，存储设备1507包括例如磁盘和光盘。存储器1509配置为存储待由处理器1501执行的程序指令和由该程序指令访问的数据。在一些实施方式中，存储器1509包括随机存取存储器(random access memory，RAM)和/或一些其他易失性存储设备和/或只读存储器(readonly memory，ROM)和/或一些其他非易失性存储设备，包括其他可编程只读存储器(programmable read only memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasableprogrammable read only memory，EPROM)、电子可擦除可编程只读存储器(electronically erasable programmable read only memory，EEPROM)、闪存、硬盘、固态驱动器(solid state drive，SSD)、光盘只读存储器(compact disc ROM，CD-ROM)、软盘、盒式磁带、磁性介质、光学介质或其他计算机可读介质。在某些实施方式中，存储器1509合并在处理器1501中。
应注意，如本文在该方法中描述的，预期用途的步骤和/或方法可以根据例如一个或多个用户偏好以许多不同的方式、过程等来执行。本文的权利要求中的“……的步骤”不应被解释为“用于……的步骤”，且并非意图利用35U.S.C§112,
Figure BDA0002010274170000211
的规定。
在阅读本说明书时，应当理解的是，在适当的情况下，按照用户要求或愿望、设计考虑因素、营销偏好、成本(一种或多种)、结构要求(一个或多个)、可用材料、技术进步等来考虑这些问题，其他使用排布的方法，诸如，例如上述列表中不同的顺序、消除和/或附加的步骤，包括或消除例如程序、过程和/或维护步骤(一个或多个)等，可能就足够了。
然而，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本文公开的概念的情况下，除了已经描述的那些之外的更多修改是可能的。因此，除了所附权利要求的精神之外，该实施方式不受限制。此外，在解释说明书和权利要求时，所有术语应以与上下文一致的尽可能广泛的方式解释。
特别地，术语“包括”和“包含”应被解释为以非排他的方式指代元件、部件或步骤，指示所引用的元件、部件或步骤可以存在或被利用或与未明确引用的其他元件、部件或步骤组合。如本领域普通技术人员所观察到的，现在已知或以后设计的，并且如本文所述的所要求保护的主题的非实质性变化，被明确地预期为在权利要求的范围内是等同的并且被本领域技术人员所理解。因此，本领域普通技术人员现在或以后了解的明显替代被定义为在所定义的元件的范围内以及如本文所述的说明书的解释中。
因此，权利要求应理解为包括上面具体说明和描述的内容、概念上等同的内容、可以明显替代的内容以及基本上包含实施方式的基本思想的内容。另外，在说明书和权利要求涉及选自由A、B、C....以及N组成的组中的至少一个的情况下，文本应解释为只需要来自该组中的一个元素，而不是A加N或B加N等。

Claims (11)

1.一种多节点、多包块确认无线通信方法，其中，包括：
在网络的中心节点处，在用于同步通信的超帧结构的第一超帧中接收来自第一节点的第一数据和控制包；
在所述超帧结构的第一超帧中，在所述中心节点处接收来自所述网络的其他节点的其他数据和控制包，其中所述第一节点和所述其他节点是单独的设备，且所述第一节点和所述其他节点包括在所述第一超帧中向所述中心节点发送数据的所有节点；
在实现所述中心节点的计算设备处生成信标，所述信标包括：
a）具有第一ACK信息的第一ACK字段，用于确认从所述第一节点接收到所述第一数据和控制包；
b）具有其他ACK信息的其他ACK字段，所述其他ACK信息用于确认从所述其他节点接收到其他数据和控制包；
c）专用于所述第一节点的数据；
d）专用于每个所述其他节点的数据；
在所述超帧结构的第二超帧中，由所述中心节点向所述第一节点和所述其他节点中的每一个发送所述信标；以及
在所述第二超帧中，在所述中心节点处接收来自所述第一节点的确认接收到所述第一节点专用数据的信息，以及来自所述其他节点中的每一个的确认接收到所述其他节点中的每一个专用数据的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述同步通信包括当所述第一节点和所述其他节点尝试同时向所述中心节点发送所述第一数据和控制包和所述其他数据和控制包时避免数据冲突。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括以下步骤：
通过电话和计算设备中的至少一种，将所述信标发送给所述第一节点和所述其他节点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述中心节点位于用于虚拟现实或增强现实应用的计算设备，所述第一节点是第一传感器，所述其他节点是其他传感器。
5.一种减少延迟网络，其中，包括：
中心集线器、第一节点、其他节点、计算机服务器、存储器、I/O端口和处理器，所述处理器配置为执行超帧结构，所述超帧结构用于所述中心集线器与所述第一节点和所述其他节点之间的同步通信，其中：
所述第一节点和所述其他节点是单独的设备；
第一超帧以从所述中心集线器传输的第一信标开始；所述第一节点和所述其他节点被配置为监听从所述中心集线器发送的信标，并使用所述超帧结构与所述中心集线器进行通话；所述第一节点和所述其他节点被配置为分别将第一数据和控制包和其他数据和控制包同时发送给所述中心集线器，所述第一节点和所述其他节点包括在所述第一超帧中向所述中心集线器发送数据的所有节点；
所述中心集线器被配置为在第一超帧之后的第二超帧中发送第二信标，所述第二信标包括：
a）具有第一ACK信息的第一ACK字段，用于确认从所述第一节点接收到所述第一数据和控制包；
b）具有其他ACK信息的其他ACK字段，所述其他ACK信息用于确认从所述其他节点接收到其他数据和控制包；
c）专用于所述第一节点的数据；
d）专用于每个所述其他节点的数据；
所述中心集线器被配置为在所述超帧结构的第二超帧中，从所述第一节点接收确认接收到所述第一节点专用数据的信息，以及从每个所述其他节点接收确认接收到每个所述其他节点专用数据的信息。
6.根据权利要求5所述的网络，其中，同步信号作为所述第二信标的一部分被传送到所述第一节点和所述其他节点。
7.根据权利要求6所述的网络，其中，所述第一节点和所述其他节点位于用于虚拟现实或增强现实应用的计算设备，所述第一节点是第一传感器，所述其他节点是其他传感器。
8.一种分层低延迟网络，其中，包括：超级集线器、如权利要求5所述的减少延迟网络，以及直接连接到所述超级集线器的多个节点；
其中，每个所述减少延迟网络包括不同数量的节点。
9.根据权利要求8所述的网络，其中，所述减少延迟网络中的每一个和所述超级集线器在无线频带的无线子频带上工作；其中第一减少延迟网络在子频带1上工作；其中第二减少延迟网络在子频带2上工作；其中第三减少延迟网络在子频带3上工作；以及...其中第N减少延迟网络在子频带N上工作；以及其中所述超级集线器配置为在子频带N+1上与所有所述减少延迟网络以及与所述超级集线器直接关联的所述节点进行通信。
10.根据权利要求9所述的网络，其中，所述子频带中的每个彼此不同。
11.根据权利要求9所述的网络，其中，所述子频带中的一些相同，所述子频带中的另一些彼此不同。
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