CN1643852B

CN1643852B - 在无线媒介中实现快速信道切换的系统和方法

Info

Publication number: CN1643852B
Application number: CN038059045A
Authority: CN
Inventors: J·德普拉多帕冯; A·索姆罗; S·蔡
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: JP4777614B2; EP1486041A1; KR100960295B1; WO2003077483A1; CN1643852A; US7756090B2; JP2005520399A; KR20040101297A; EP1486041B1; AU2003209543A1; ATE511271T1; US20030219001A1

Abstract

本发明涉及在无线局城网(WLAN)中实行快速信道切换的一种方法。该方法通常包括如下步骤：确定在PCF帧间间隔(PIFS)周期期间无线媒介是空闲的；在所说的一个PIFS周期之后的一个时隙期间发送第一管理帧；其中，在所说时隙间隔的传输基本上可以保证对于所说无线媒介的优先接入；并且按照在所说的管理帧内包含的指令实现网络中的快速信道切换，在这里定义的快速信道切换包括停止当前的信道和/或从当前的操作信道切换到新的操作信道这二者之一，这个方法克服了与基于争用的服务(如DCF服务)有关的等待时间，该方法还可以包括如下的附加步骤：发送一个或多个附加的管理帧，附加的管理帧的格式与所说的第一管理帧相同，每个附加的管理帧最好分开PIFS帧间间隔，以提供较高等级的传输可靠性。该方法最好在基础设施网络中的一个接入点(AP)和在特定网络中的一个无线网站STA处实行。

Description

在无线媒介中实现快速信道切换的系统和方法

技术领域

本发明一般来说涉及无线局域网(WLAN)。更加具体地说，本发明涉及用于提供接入无线局域网的优先权以实现快速信道切换的方法和系统。

背景技术

在典型的基于802.11的无线局域网中，对于无线媒介的访问是在MAC层由协调函数(coordination function)控制的。802.11标准提供两个协调函数，即分布式协调函数(DCF)和点协调函数(PCF)。DIFS是用于DCF Interframe Spacing的英文缩写，其表示DCF帧间周期(间隔)。如果需要无内容的服务，可以由点协调函数(PCF)提供，点协调函数(PCF)建立在分布式协调函数(DCF)的上边。点协调函数是802.11规定中的一个任选的部分，至今还没有广泛地实施。在分布式协调函数下的网络站STA之间的帧交换在当前开办的无线局域网中占据主导地位。分布式协调函数基于由IEEE8201。11标准描述的“先听后说”方案，这个方案称之为CSMA/CA(冲突回避载波检测多路访问)。

按照DCF方案，在试图发送一个帧之前，每个站都要检查这个媒介是否是空闲的。如果这个媒介不是空闲的，这些站要相互延迟，并且使用指数补偿(back-off)算法来避免传输碰撞。

DCF方案的一个缺点是，在网络中有大通信量负荷的情况下，在无线媒介上交换帧的尝试当中，网络站可能引发相当长时间的延迟。

这些潜在可能的传输延迟产生的结果是，不可能满足欧洲在5GHz频带操作的适应动态频率选择(DFS)的规则要求。DFS规则要求特别规定了：无线STA(网络站)必须：(1)在规定时间内迅速停止当前信道中的传输，和(2)当检测到一个主用户时，在规定的时间内切换信道。主用户例如可以是雷达跟踪系统或卫星系统。

因此，就需要一个在MAC层实现的改进的媒介接入方案，以便提供无线媒介的快速信道接入，迅速实现信道切换和/或迅速停止当前信道的传输，防止对定位在同一系统内的主用户正在执行的紧要使命功能的干扰。

发明内容

本发明涉及提供快速信道优先接入的方法和系统，从而可以按照通信系统(例如基于802.11的无线通信系统)的MAC层协议，发送时间紧要帧，例如“谱管理动作帧”。

本发明的新颖性的关键点在于：获得对于无线媒介的优先接入，从而可以实现来自源节点(例如，AP或STA)的一个或多个谱管理帧的优先传输，实现快速信道切换。如这里定义的，快速信道切换包括信道切换的宣告或停止在当前操作的信道中的所有传输。本发明在它的一个方面包括对于无线媒介提供快速信道接入的一种方法。这种方法通常包括如下步骤：确定在PCF帧间间隔(PIFS)周期期间该无线媒介已是空闲的；在所说的一个PIFS周期之后的时隙期间发送第一管理帧；其中，在所说时隙上的发送基本上保证对于所说无线媒介的优先接入；按照在管理帧中包含的指令在网络中完成快速信道切换。该方法还可以包括如下的附加步骤：发送一个或多个附加的管理帧，附加的管理帧的格式与所说的第一管理帧相同，每个附加的帧隔开PIFS帧间间隔，以提供较高程度的发送可靠性。这个方法最好在基础设施网络中的接入点(AP)或者在特定的网中的STA上实行。

本发明在它的另一个方面包括提供快速信道优先接入从而可以按照通信系统(例如针对基于802.11的无线通信系统)的MAC层协议优先传输谱管理动作帧的一种系统。这种系统包括：用于确定在PCF帧间间隔(PIFS)周期期间无线局域网(WLAN)是空闲的装置；用于在所说的PIFS周期的时隙边界上发送第一管理帧的装置，其中，所说第一管理帧在所说PIFS时隙边界上的传输符合所说节点到所说无线局域网的优先接入；用于按照在第一管理帧中包含的指令在网络中完成快速信道切换的装置；用于在传输所说第一管理帧以后发送一个或多个附加的管理帧以提供较高程度的发送可靠性的装置，其中每个附加的管理帧隔开PIFS时间周期。

仔细阅读下面提供的详细描述并适当地参照附图，本发明的上述的和其它的目的、特征、方面、和优点都将变得更加清楚明白。

附图说明

结合附图参照以下的描述可以理解本发明，其中：

图1是说明性的通信网络的示意图，通信网络包括按照本发明的实施例的说明性的无线局域网；

图2表示在按照本发明的实施例的一个单元内的接入点(AP)和每个站(STA)的简化方块图；

图3是说明用于确定对于无线媒介的优先接入的3个帧间间隔之间的关系的时间线(time-line)；

图4说明按照本发明的方法的3个管理帧的传输。

具体实施方式

下面围绕在MAC层的控制下提供核心成帧操作的优先接入基于802.11的无线媒介来描述本发明。然而，应该认识到，这里描述的本发明的技术是不受限制的。即，本发明还可以应用到其它的通信系统，只要这里的网络站(如移动的或固定的网络站)试图可靠地接入与一个基站或其它的通信系统的接入点有关的媒介以实现如这里定义的快速信道切换即可。

在优选实施例中，本发明提供一种系统及其相关的方法，所说的系统和方法允许源节点(该源节点可以是基础设施网络中的接入点(AP)或特定网络中的站(STA))，以获得优先接入基于802.11的无线媒介，从而发送一个或多个优先的谱管理帧，实现快速信道切换(即，快速宣告信道切换和/或停止在当前信道中的所有传输)。优先接入无线媒介使得在某个时间点的管理帧的传输在与其它节点争用(contention)开始之前进行，因而可以避免与分布式接入争用协议有关的众所周知的网络等待时间，如接入延迟和指数补偿(exponential back-off)。

图1表示用于实施本发明的方法的一个无线局域网(WLAN)20的系统。无线LAN(局域网)20定义了一个基础设施网络，该基础设施网络包括多个单元(cell)22。该单元22包括接入点(AP)24(接入点有时也称之为无线本机桥或基站)。

继续参照附图1，单元(网孔)22可以包括远程网络站(STA)26。AP 24和远程STA 26可以是系统的发送器和接收器。每个STA 26可以是移动的、便携式的、或者是固定的终端。每个STA 26可以是台式工作站、膝上型计算机、掌上型计算机、手持式个人计算机、书写式计算机、个人数字助理、手持扫描仪、数字收集器、手持打印机。

AP 24如果存在的话，可以是一个接口，用于在无线网络20和有线线路网络之间进行通信。可以对AP 24进行配置，以便在STA 26和单元22内的AP 24之间提供通信网关，并且还在有线线路网络和STA 26之间提供通信网关。通常还要对于AP 24进行配置，以便能在有线和无线通信媒介之间转换信号。这种转换可允许接入点在有线线路网络和无线STA26之间传送通信信息。有线线路网络可以耦合到一个外部网络(如，PBX、PSTN、因特网等)。

现在参照附图2，AP 24和STA 26两者都可以包括：显示器30、CPU 32、发送器/接收器34、输入设备36、存储模块38、随机存取存储器(RAM)40、只读存储器42和公共总线41。虽然这里的描述可参照描述特定的计算机系统中通用的术语进行，但这里的描述和概念完全可应用到其它的处理系统，其中包括与图2中所示有不同体系结构的系统。发送器/接收器34耦合到天线(未示出)上，以发送期望的数据，它的接收器将接收的信号转换成对应的数字式数据。通过允许基础设施网络中的AP或者特定网络中的STA进行操作，可使CPU 32能够在ROM 42中包含的操作系统的控制下进行操作，并且可使CPU 32能够利用RAM 40实现在无线局域网(WLAN)内的频率选择，从而可以为其余的站(STA)提供新的信道或无线链路。

在操作中，在一个典型的基于802.11的无线局域网(WLAN)中，例如图1的无线局域网LAN20，多个STA(网络站)26可能都与接入点AP 24(如果存在的话)发生关联。每个STA 26都可以有不同的通信能力和要求。AP 24可以管理STA 26和有线线路网络之间的通信量。AP 24可以通过控制帧发送到单元22中的每个远程STA 26的时间来管理通信量。在单元22中的通信量可以包括数据帧(例如，携带帧以提供数据通信的信号)、声音帧(例如，携带帧以提供声音通信的信号)、实时帧(例如，携带帧以提供实时通信如多媒体或声音通信的信号)、管理帧(例如，携带帧以提供网络管理通信的信号)等。

为了实现快速信道切换，本发明的方法要求优先接入无线媒介。在IEEE802.11eD3.2中，早就描述过获得优先接入无线媒介的过程。

通常，802.11标准为接入无线媒介以交换通信量提供了两个协调函数。这些协调函数在MAC层被控制。这两个函数就是分布式协调函数(DCF)和点协调函数(PCF)。如以上所述，点协调函数是802.11标准的任选特征，至今还没有广泛推广。分布式协调函数是802.11标准的强制性特征，提供基于标准的类似于以太网的连接的服务，这种服务基于先听后说的方案，这个方案也称之为CSMA/CA(冲突回避载波检测多路访问)，如在IEEE802.11标准中所述。点协调函数和分布式协调函数利用了帧间间隔来协调对媒介的接入。具体来说，IEEE802.11标准确定了4个不同的帧间间隔。这里使用3个帧间间隔来确定媒介的接入。

现在参照附图3，其中表示的是时间线50，用于说明用来确定媒介接入的3个帧间间隔(即，SIFS，PIFS，DCF帧间周期DIFS)之间的相互关系。如在本领域中众所周知的，3个帧间间隔对于媒介上的不同类型的帧产生不同的优先等级。不同的优先等级建立了如下的关系：在媒介变为空闲以后，高优先等级的帧等待的时间没有低优先等级的帧等待的时间那么长。因此，如果存在任何未曾解决的高优先等级的帧，例如确认帧，这个帧就可以先接入网络，然后低优先等级的帧才有机会接入网络。

现在参照附图3，无线媒介在一开始时表现为忙碌状态52。在这个忙碌时间间隔52期间，假定网络站24或26之一已经控制了无线媒介，并且正在发送一个帧。在忙碌间隔52期间，当前没有控制无线媒介的所有其它站24、26必然保持沉默并且推迟任何预定的信号通信。在忙碌间隔结束时(见点“A”)，媒介变为空闲。

在忙碌间隔52之后的间隔定义为空闲间隔55，在空闲间隔55内，表示出3个帧间间隔。这3个帧间间隔中的每一个都为STA 24或26接入空闲媒介提供一个唯一的优先等级。短的帧间间隔(SIFS)时间54用于最高优先等级的传输。一旦SIFS帧间间隔时间54在SIFS时隙边界(见“B”点)上已经流逝了，高优先等级的传输就开始。一旦高优先等级的传输开始，媒介再次变为忙碌，因此使在SIFS帧间间隔时间54过后发送的帧的优先等级高于只在较长的间隔(如帧间间隔时间PIFS 56和DIFS58)后能发送的较低优先等级的帧。

图3还表示出PCF帧间间隔时间(PIFS)56，这个帧间间隔时间由在PCF服务下操作的STA 24和AP 26使用。与上述参照SIFS帧间间隔时间54描述的类似，如果确定在PIFS时隙边界(见点“C”)媒介是空闲的，则允许STA 24和AP 26立即接入媒介。当前，只在PCF服务模式中使用PIFS帧间间隔时间56来提供无争用服务。如以上所述，PCF服务几乎不被加入基于802.11的局域网配置(deployments)，并且这里不再进一步讨论。

继续参照附图3，DIFS帧间间隔(时间)58由操作在基于争用的DCF服务模式中的STA 24和AP 26使用。按照DCF服务，如果确定在DIFS时隙边界(见点“D”)媒介是空闲的，则允许STA 24和AP 26立即接入媒介。

因为第四帧间间隔时间不是固定的间隔，并且只在帧传输中出现差错时使用，所以在图3中没有表示出第四帧间间隔时间，第四帧间间隔时间称之为扩展的帧间间隔(EIFS)，在此不作进一步的讨论。

众所周知，DCF基于争用的服务是这样操作的：首先检测无线媒介，以确定所说的无线媒介对于DIFS帧间间隔时间36是否已是空闲的，而后再进行传输。在DIFS帧间间隔时间58过后，指数补偿操作开始。为了进行补偿，STA 24产生一个随机数，这个随机数在零(0)和争用窗口60之间。这个随机数是在传输之前STA必须等待的时隙62的数目。在信道清除期间，传输节点减小它的补偿计数。当补偿计数达到0时，这个节点发送数据分组。显然，DCF服务面临的是等待时间，如缺陷和接入延迟。

为了按照本发明的原理实现快速信道切换，上述的与常规的DCF服务有关的等待时间是不能允许的。本发明克服这些等待时间问题的方法是使用这样一种技术：按照无争用的方式优先接入媒介以实现与快速信道切换有关的操作，下面对此还要进行描述。

按照用于获得快速信道接入的一个实施例，STA 24或AP 26检测媒介，以确定在PIFS帧间间隔时间56期间该媒介是否是空闲的。如果在PIFS时隙边界(图3中的“C”点)媒介保持空闲，则AP 26或STA 24在PIFS时隙边界(图3中的“C”点)可以发送管理帧，借此可优先接入这个信道。管理帧包括用于进行快速信道切换的指令，所说的快速信道切换可以包括：(1)在规定的时间内快速停止当前信道中的传输，和(2)当检测到主用户时，在规定时间内快速切换信道。

值得注意的是，本发明的优先接入方案不能代替常规的基于争用的服务，而是作为对它的一个补充的服务，即，在需要快速发送管理帧的那些情况下，由AP 26或STA 24实现优先接入。值得注意的还有，与其中包括如以上所述的“补偿(back-off)”过程的常规的基于争用的服务相比，不存在与本发明的信道优先接入方案有关的任何补偿过程。由于在本发明的方法中不包括相关的补偿过程，所以可以避免与其它的STA的争用，借此可以基本上保证优先接入。

现在参照附图4，其中表示按照本发明的方法发送的3个管理帧。如以上所述，在PIFS时隙边界(图3中的“C”点)发送单个管理帧61。然而，利用单次传输不可能保证管理帧的正确接收。因此，本发明试图发送附加的管理帧63、65，这两个管理帧最好分开PIFS时钟周期，以提供较高程度传输可靠性。在图4中表示的是3个管理帧，但是或更多或更少的管理帧都可以使用。

因此，如以上所建议的改进都被认为是在本发明的范围内，但本发明不限于此。

Claims

1.一种用于在无线局域网WLAN(20)中为节点(24)获得快速信道接入的方法，包括如下步骤：

-在所述节点上，确定对于一个点协调函数PCF帧间间隔PIFS周期(56)该无线局域网WLAN是空闲的；

-在与其他节点的争用开始之前，在所述一个PIFS周期(56)之后的时隙间隔期间发送第一管理帧；

其中在所述时隙间隔发送所述第一管理帧提供对所述无线局域网WLAN(20)的优先接入，并且其中所述第一管理帧包括用于执行快速信道切换的指令。

2.权利要求1的方法，其中所述用于执行快速信道切换的指令包括在规定的时间内从当前的操作信道切换到新的操作信道和在规定的时间内停止在所述当前的操作信道中的传输中的一个。

3.权利要求1的方法，其中所述节点是在基础设施无线局域网WLAN中的接入点(24)。

4.权利要求1的方法，其中所述发送步骤还包括如下步骤：

从所述节点向所述无线局域网WLAN(20)中的多个相关的节点(26)在空中进行发送。

5.权利要求1的方法，其中所述第一管理帧的所述发送发生在与多个相关的节点(26)的争用开始之前，借此提供对所述无线局域网的所述优先接入，其中所述争用是由与所述无线局域网WLAN(20)相关的所述多个相关的节点(26)竞争接入所述无线局域网WLAN(20)来确定的。

6.权利要求5的方法，其中与所述多个相关的节点(26)的所述争用在分布协调函数DCF帧间周期DIFS时隙边界(D)上开始，所述DIFS时隙边界(D)出现的时间比在所述一个PIFS周期(56)之后的所述时隙间隔要晚些。

7.权利要求1的方法，进一步包括如下步骤：

在发送所述第一管理帧之后并且在与所述无线局域网WLAN(20)相关的多个相关的节点(26)竞争接入所述无线局域网WLAN(20)开始之前，发送至少一个附加的管理帧。

8.一种用于在无线局域网WLAN(20)中获得快速信道接入的节点，所述节点包括：

-模块，用于确定对于一个点协调函数PCF帧间间隔PIFS周期该无线局域网WLAN(20)是空闲的；

-模块，用于在与其他节点的争用开始之前在所述一个PIFS周期(56)之后的时隙间隔期间发送第一管理帧；

其中在所述时隙间隔上所述第一管理帧的所述发送提供对所述无线局域网WLAN(20)的优先接入，并且其中所述第一管理帧包括用于执行快速信道切换的指令。

9.权利要求8的节点，其中所述节点是在基础设施网中的接入点(24)。

10.权利要求8的节点，其中所述节点(24)进一步包括：

用于在空中向所述无线局域网WLAN(20)中的多个相关的节点(26)发送所述管理帧的模块。

11.权利要求8的节点，其中所述节点(24)进一步包括：

用于在发送所述第一管理帧之后并且在与所述无线局域网WLAN(20)相关的多个相关的节点(26)竞争接入所述无线局域网WLAN(20)开始之前，发送至少一个附加的管理帧的模块。