CN1714540A - 鲁棒的通信系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种在通信系统中使用的主站(10)，该系统按照预定的协议运行。该主站能管理多个具有在单独的逻辑无线电信道上与主站通信的次站(12a，b，c)的微微网。尤其是，该信道上可用的容量被监测(20、25)，并且对使用中的信道进行控制，从而即使在大量使用的周期内仍使能次站通信。该主站适合于在公共场所(机场、火车站)以及在其中需要鲁棒的低功率多无线电网络的商务或家庭场景中作为无线接入点的应用。

Description

鲁棒的通信系统
本发明涉及到一种通信系统，并且进一步涉及到一种在这样的系统中使用的主站和一种运行这样的系统的方法。本发明对于并入ZigBeeTM短程通信系统的无线接入点具有特定的、但并不排他的应用。
近年来，人们有越来越大的兴趣使设备能够经由无线通信链路交互，从而避免需要大规模的敷设电缆。可以用于这样的无线链路的通信系统的一个例子是按照ZigBee联盟(www.zigbee.com)定义的规范运行的ZigBee网络。设想这样的网络将提供在家庭/办公室中的移动计算机(PDA、Laptop)、移动电话、照明和其他设备之间的非常低成本的、短程无线电链路。这样的网络在诸如购物中心和机场的公共场所的其他应用通常被设想成：其中在处于例如专用的信息终端或者并入无线接入点的站附近的、用户的移动电话/PDA上向用户提供信息(例如特殊报价、登机口编号、延误等等...)。
在这样的机场应用中，可能同时有许多用户想获得信息，尤其是例如当不可预测的事件(诸如空中交通控制问题)发生时。这样，在结合无线电消息业务量负载一起使用的单一无线电信道容量方面，通信系统的有限资源由于允许同时连接的注册设备/用户的数量，而可能处于紧张状态、导致系统崩溃和/或用户的航程受阻。
在国际专利申请WO 01/65864中描述了一种系统，其中描述了一种帮助用户寻找充足容量的通信资源的方法和装置。这种方法牵涉到向用户提供具有可用资源的站的位置信息，以便帮助用户找到一个具有用于操控想要的通信的足够容量的固定通信站。这有如下缺点：需要许多物理上分离但是互连的站，而且进一步给已经找到一个站、不方便转移到其他站的用户带来负担。
因此本发明的一个目的是提供一种鲁棒的通信系统，籍此尽管用户需求巨大但用户仍能够获得信息。
按照本发明的第一方面，提供了一种包括一个主站和多个次站的通信系统，其中该主站具有：根据预定的协议通过若干无线电信道与次站交换无线电消息的装置、监测所述信道的容量的装置和至少部分地依赖于所述被监测的容量来控制被至少一个询问次站使用的信道的装置。
按照本发明的第二方面，提供了一种在包含多个次站的通信系统中使用的主站，其中该主站具有：根据预定的协议通过若干无线电信道与次站交换无线电消息的装置、监测所述信道的容量的装置和至少部分地依赖于所述被监测的容量来控制被至少一个询问次站使用的信道的装置。
根据本发明的第三方面，提供了一种运行包括一个主站和多个次站的通信系统的方法，该方法包括：主站根据预定的协议通过若干无线电信道与次站交换无线电消息、监测所述信道的容量；并且至少部分地依赖于所述被监测的容量来控制被至少一个询问次站使用的信道。
本发明的另外的方面提供了用于运行所述主站的计算机程序。
本发明的系统、站和方法方面通过监测可用的信道容量并且自动地控制一个并入次站的用户设备用以通信的信道，而在所使用的无线电信道正遇到巨大的数据业务量负载的情况下向用户提供信息。由此提供了在单一主站处的鲁棒(robust)通信。
在一个优选实施方案中，并入主站的无线接入点按照ZigBeeTM联盟无线电标准运行，并且用户设备被自动地向主站注册以获得信息。万一该系统由于系统中的其他用户(巨大的负载)或者由于例如无线电信道干扰而在为该用户设备服务中遇到问题，那么该系统可以自动地注销该设备，并且允许在一个有容量的信道上重新注册，因为几乎没有(或者有零个)被注册的站正在使用那个信道。有很小容量(例如有许多用户、或少量用户要求大量的容量)的信道被阻塞不允许用户注册。
主站有利地运行于信标模式，其中在每一个无线电信道上发射信标信号，并且其中通过监测每一个信道每超帧时间的可用时隙数来对该信道的容量进行监测。在这种模式中，要求有保证的时隙的次站可以被分配以已确定具有这样的容量的信道。
主站有利地包括一个具有用于每一个无线电信道的收发机装置的通信模块。该模块被链接到监测和控制上述收发机的处理装置。该处理装置为了紧凑可以安置在主站内、可以是单机配置方案，或者一个远离主站安置的计算机可以提供监测和控制功能。
因此，支持预定义的、规定在单一信道上通信的协议的通信系统被使能在变化的业务量负载条件下通过不同信道向多个用户提供服务。
现在通过示例的方式、并且参照附图来描述本发明的实施方案，其中：
图1是一个通信系统的示图，
图2是一个具有无线电信道功能块的主站的示意图，
图3A图示了一个无线电信道功能块和一个无线电协议栈，
图3B是一个典型的无线电消息的示图，
图4是信标超帧的示图，以及
图5是图示运行根据本发明的主站的方法的流程图。
应当指出的是，这些图是概略的而不是按比例画的。为了制图中的清晰和方便，这些图中各部分的相对尺度和比例已经在尺寸上被放大或缩小地示出。相同的参考标记通常被用来指代在修正的和不同的实施方案中相应的或相似的特征。
下面我们特别考虑一个为站间消息的通信而利用ZigBee低功率短程协议的通信系统。该系统也参照其中用户需要飞行信息的机场场景来描述。将会认识到，其它无线电协议和系统也可以被采用，并且也可以在不同的场景中(例如主题公园、购物中心、电影院、剧场、公共汽车和火车站、家庭或办公室网络)，在这些场景中同时提供和管理在同一位置上的多于一个的无线电信道/微微网是有利的。
现在将描述按照ZigBee联盟无线电协议( www.zigbee.com)运行的一个实施方案。该联盟在开发这一应用的时候与IEEETM合作将该协议标准化为IEEE 802.15.4。这个协议为单一的个人区域网络(PAN)提供协调程序设备来操控该网络上的高达255个设备，所述网络使用直接扩展频谱序列(DSSS)方案在单一无线电信道上进行通信并且其中该无线电信道选自16个在不需许可的2.4GHz ISM带宽上的预定义信道中的一个。该网络可以运行于对等模式，其中无线电消息按照轮询请求被交换。替代地，该网络可以运行于所谓的星型拓扑，其中中央主机协调其网络上的所有通信(这种配置有时也被本领域技术人员称作“主从”配置)。提出的最大网络数据速率大约为250千比特/秒，这在网络中所有设备间被共享。
考虑到现实世界的噪声和干扰问题，申请人估计更现实的有效载荷数据速率将大约为100千比特/秒。该设备经由协议分层的栈来运行，协议分层的栈具有较低的物理层(PHY)及媒体介接入控制层(MAC)和较高的层(HL)。所述较高的层包括网络(NWK)层和应用代码(AC)，应用代码例如生成并格式化有效载荷数据以插入到无线电消息中。正如本领域技术人员所熟知的，在概念上消息向下(或向上)经过所述的层传递，每一层对报头字段数据操作或为下一层添加报头字段数据。最后消息以分组的形式传送到空中接口以便被预期的接收者设备接收。
一个其中ZigBee网络根据所述协议运行的主/从或星型模式是那种在选定的单一无线电信道上有“信标”数据的模式，其中网络协调程序在单一无线电信道上发送出由次站(用户设备)接收并对之作出反应的周期性参考或信标信号。所述参考信标包含那些对其来说数据是预期的或待处理的次站的指示(例如唯一的ID)，其中次站根据多址接入协议作出响应。所有在一个星型拓扑或者对等拓扑中运行的设备具有一个唯一的64比特扩展地址。这个地址可以用于该PAN中的直接通信，或者当设备与网络关联时被映射到由PAN协调程序分配的一个短地址。
对PAN标识符进行选取以便不与无线电作用范围内当前正被任何其他网络所使用的任何其他标识符发生冲突。一旦选取了一个PAN ID，那么PAN协调程序就可以允许其他设备加入该网络。分组的通信通常在ZigBee中被确认(ACK)以证实接收到一个被发射的数据分组。
ZigBee的其他特征包括载波侦听多址接入(CSMA)算法，通过该算法设备在进行发射前检查该无线电频道空闲。然而，这并不能避免由第二设备在第一设备检查该频道空闲后准备发送的瞬时间隔内检查该频道而导致的冲突。诸如随机指数退回方案的争用解决方案更适宜被采用来尝试且避免第一和第二设备在同一瞬间重新尝试。
ZigBee方案提供了基本的注册或列举过程，其中希望加入微微网的次站扫描信标。(在申请人的共同待决的2001年10月25日公布的国际申请WO0128157中描述了注册过程的一个例子，其在此被引入以作为参考，并且现在将读者导向该例)。在刚检测到信标后，就可以请求注册，其中网络ID和设备ID被交换(ZigBee为一个设备定义了64比特的唯一标识符，尽管在使用中协调程序给设备分配一个更短的16或8比特的无线电代码/标识符是更可取的)。协调程序存储这些被分配的代码的一个路由表以用于消息传送。在注册之后，该设备能够与协调程序交换无线电消息，而忽略经由该无线电消息报头字段中的代表源/目标/网络地址的ID、来自其它网络的或该网络中其他设备的消息。
图1图示了一种系统，它具有可操作来在有限的无线电射程(在图中用虚线圆周11和半径r表示)内与很多次站12a(S1)、12b(S2)和12c(S3)通信的主站10(PS)。图中S1和S2正使用第一无线电信道(CH1)与PS进行无线通信，而站S3正经由第二无线电信道(CH2)进行通信。PS和S1、S2有效地形成第一网络(或微微网)，同时PS和设备S3形成第二网络(或微微网)。在这个关于机场场景的实施方案中用S1、S2和S3所代表的站将典型地代表用户的配备有标准ZigBee无线电模块的便携式设备，它们是诸如移动电话、掌上电脑(PDA)和膝上型电脑。然而，如果某人考虑到家庭联网场景，其中站例如可以代表装备了ZigBee的诸如电灯开关、电灯、电热调节器、DVD播放器、远程控制单元和电视机的设备，那么显而易见，所述站并不局限于移动设备。
图2是主站10的框图，其中主站包括耦合到易失性存储器22和非易失性存储24(例如可以包括光学压密盘和/或磁硬盘驱动器)的微处理器20(up)。该处理器还有一个到数据库28(DB)的链接26(例如其可以经由一个局域网(LAN)、或者因特网)，其中数据库28存储可以提供给用户的设备12a、b、c的信息(例如班机登机口、航班延误)。微处理器20被进一步耦合27到通信模块29。在使用通用PC来提供微处理器和存储器的情况下，到该通信模块的耦合27可以经由例如通用串行总线(USB)集线器(未示出)，或者对于完全集成的单机配置方案它可以经由专用数据总线(如这个实施方案中示出的那样)。
在这个实施方案中该通信模块包括16个功能块29a、29b、29c...29p，2.4GHz ZigBee方案中可用的每一个信道一个功能块。每一功能块包括一个微控制器和一个收发机，二者一起执行ZigBee微微网主机或协调程序设备的功能，每一功能块与属于那个功能块的微微网的次站一起协调无线电消息的发射和接收。
提供了存储在非易失存储器24中的计算机程序(PRG)25，该程序包括这样的指令，当其加载到存储器22时经由数据总线27指导微处理器20监测无线电信道的容量并控制次站使用哪一个无线电信道(这在下面将更详细地描述)。
图3A概略地示出了模块29的其中一个功能块29a的典型的例子。功能块29a包括耦合到收发机34的微控制器30。该功能块包括协议和用于存储ZigBee无线电协议栈36的应用存储器32(在这个实施方案中它显示为被独立地提供，但取决于应用要求可以被嵌入到微控制器中)。所述栈的较低层包括：物理层(PHY)和媒介接入控制(MAC)层，接收到的无线电信息34通过其被传送给上部网络(NWK)以及应用代码(AC)层36a。
图3B示出了无线电报头/有效载荷数据分组或者消息38的示例结构。该消息具有多种包含报头信息(例如发送方唯一标识符，它在ZigBee中典型地是一个指明设备制造商和设备/次站的8字节唯一编号)的字段38a。该消息还提供了应用数据38b及校验和(C)字段。正如分组无线电系统领域的技术人员所熟知的，该消息的一些部分(服务和协议数据单元SDU、PDU)运行于在无线电标准中定义的各种层上，并且与所述各种层相关。存储器32还存储路由表，在该表中维护功能块的微微网的成员的无线电标识。
应当指出的是，这个实施方案中的图1和图2的主站10提供了硬件，它能够作为一个在同一位置可同时运行高达16个ZigBee微微网的复合接入点来运行，每个微微网在一个独立的无线电信道上运行。此外，微处理器20能够从所述功能块获得有关每一微微网的信息，并且尤其是能监测每一微微网的成员的数量、以及哪些无线电信道正在使用中。
在这个实施方案中功能块29a和29b运行在前述的信标模式。参照图4，信标信号40被超帧时间分隔，有利地划分成十六个有同等大小的时隙42。信标信号在每一个超帧的第一个时隙被发射，并且信标信号之间的时间典型地是15ms。
这个时间的一部分44包括一个其间次站通过CSMA/CA机制竞争信道的争用周期(CP)，并且ZigBee标准进一步允许该帧的剩余部分被保证给特定的设备。由此，在这个模式中设备竞争对信道的接入，并且如果被准予的话就可以请求进而分配到有保证的时隙46(GTS)。典型地一帧内允许高达七个设备具有保证的时隙。
如果单个设备请求占帧的绝大部分的有保证的时隙，那么其他试图接入该信道的设备就只具有很少的时间(少量的时隙42)来发送无线电消息中的数据的分组。实际上，任何单个设备可用的带宽被减少了。所以，次站所承受的数据吞吐速率取决于在争用周期获得接入的设备，并且随后取决于有多少被保证的时间可用以及有多少数据被要求发射/接收。
申请人已经意识到：机场无线接入点或类似的牵涉到许多人从网络协调程序同时/几乎同时要求信息的场景可能一次只能实际地服务于少数请求有保证的时隙的设备，并且将不证明在许多用户请求信息时的繁忙时刻的鲁棒性。
例如当3个不同用户同时做出10k字节(80千比特)数据文件请求时就可能出现一个忙网络。对于一个具有大约100千比特/秒容量的现有技术的单一信道主站协调程序来说，传递所请求的240千比特数据至少耗时2.4秒。对于根据本发明构造的多信道协调程序(以及对于具有至少3个信道功能块29a、29b、29c的这个例子)来说，可把所述用户设备注册到不同信道上，允许在一秒钟内同时传输数据。
类似的容量问题被预见为伴随着任何廉价的低功率无线电协议而存在，所述无线电协议由于成本而可能普遍存在于各种设备中，但它只能使能同时在单一信道上通信。
运行该系统的方法
在使本发明的方法具体化的、运行本系统的一个示例方式中，微处理器监测向各个功能块注册的次站数量，并且通知那些具有的次站数量大于或等于预定阈值数的功能块拒绝来自新询问次站的注册请求。在预期平均起来在许多用户和该主站之间交换少量数据的应用中，该阈值设置得相对高一点是有利的。例如，每一信道允许高达255个用户设备连接，这样一个功能块可以设置比方说每信道5个用户的阈值。这使能80个用户同一时间连接到PS且同时保证每个设备有一个相当大的带宽比率(平均每个设备有五分之一的信道容量，相比于如果80个用户连接到作为常规系统运行在单一信道上的单一主站协调程序则只有八十分之一的信道容量)。这是通过计算机程序25和每个经由总线27传送相关数据的功能块29a、29b...29p的应用代码来实现的。例如，微处理器20通过从微控制器表(通过应用代码来提供)获得以站ID列表形式的相关数据来监测每一功能块的注册设备的数量。
当功能块“满”时，其中向那个功能块注册的次站的数量等于或大于所述阈值，那么该功能块的应用代码就接收到一个命令来阻塞此后的注册请求。可以通过该功能块的应用层通知MAC层转换PAN信息库(PIB)来对此进行控制。该功能块负责维护PIB以维持被管理对象的数据库。如果该功能块为一个次设备设置mac关联允许标志(在ZigBee中所定义的)为假，则那个设备任何随后加入网络的请求都将被拒绝。
在此之后，任何来自次站的加入微微网的请求都将被否决，同时其他有更多容量的功能块将可用于接受该请求。
一旦用户从微微网分离/注销他的设备(例如只是通过将他的设备带出离开无线接入点10的范围r)，那么阻塞命令就被重置并且该功能块可以自由地接受新的注册。
可替代地，可以按照在主站使用期间可统计确定的各种因素对阈值数进行动态调整，所述因素包含诸如平均和峰值数据速率。在火车站或购物中心场景，确定一天中忙(高峰时期/午饭时期)和闲周期并据此动态地调整阈值是可能的。
以上主要步骤在图5中示出，其中计算机程序25通知处理器20：
设置每一微微网的阈值50(SET THR)，接着对信道CHi进行监测52，其中使用该微微网的次站的数量被返回给处理器20，然后在比较步骤54(COM)将该数量与阈值相比较，并且如果
结果小于阈值，则分支56后跟随步骤58，在该步骤中选择下一个信道(INC i)并且程序跳回到监测步骤52并且继续进行，
否则
确定使用该微微网的次站数量等于或大于阈值的那个程序执行控制步骤60(CTRL)，在该步骤中通知使用该信道的功能块29a阻塞另外的注册，然后跳回监测步骤52并继续进行。
在另外一个相关方法中，阈值最初被设置为1(即每信道一个设备)，并且因此每个功能块在被通知不接受另外的请求之前仅仅接受一个注册。当所有十六个(在这个实施方案中)功能块都具有一个注册用户时，则计算机程序递增该阈值。因此，每一个信道对于询问用户的到达被循序地使用。在这个例子中，最初十六个设备可被分配信标间的所有可用的时隙。一旦第17个设备请求注册，则接受该请求的那个功能块将必须使之与该微微网上的其他设备共享可用的时隙(以及由此共享带宽)。这个方法具有的优点是可以容纳要求大量信息的用户(例如有膝上型电脑的用户可能在机场被延误，并且可能希望通过玩无线接入点提供的游戏来消磨时光，游戏要求低等待时间的连接以及因此要求有保证的时隙GTS)。
前一个方法可以进一步与后一个方法相结合，其中更适宜要求大GTS周期的用户可以被动态地重新分配一个和该用户当前参与的微微网比并不忙的信道/微微网。这通过发送一个分离通知命令(一个有效地将站踢出一个网络/微微网的ZigBee命令)到该次站，并且令该站向一个只有很少或没有用户的功能块(在监测步骤52中确定该功能块)重新注册来实现。
在一个可替换的实施方案中，具有高容量要求(多半要交换视频剪辑或个人文件)的两个或者更多的用户经由担当所述次站被关联到的网络/信道间桥梁的主站交换数据。
前面描述了一种采用一个主站的系统，该系统按照其中已连接设备的活动和要求被监测的方法来运行，并且根据被监测的动态使用来对可用于连接的信道进行管理。该系统具有能够按照规定的无线电协议进行通信的通信模块。
该通信模块取决于协议和针对其而设计的应用场景而可以具有不同数量的功能块。例如，家庭网络主站可以包括三个功能块，在其上运行照明、加热和消费者电子应用微微网，每个功能块在相应的独立的信道上运行。
可替代地，所述通信模块可以包括有单一接收机和多个发射机的单一收发机体系，该单一的复合收发机被微处理器直接控制并且运行如上文所述的方法。
此外，尽管已参照ZigBee无线电协议描述了所述实施方案，但本发明的方法和设备也可以具有在其他无线电协议中的应用，其中网络或微微网在若干逻辑无线电信道之一上运行，并且其中可以在大量使用的周期内限制容量。BluetoothTM是目前存在的这样的无线电协议的一个例子。
以上描述了一种在通信系统中使用的主站，该系统遵照预定的协议运行。该主站能管理多个具有在单独的逻辑无线电信道上与主站通信的次站的微微网。尤其是，该信道上可用的容量被监测并且对使用中的信道进行控制，从而即使在大量使用的周期内仍使能次站通信。该主站适合于在公共场所(机场、火车站)以及在需要鲁棒的低功率多无线电网络的商务或家庭场景中作为无线接入点的应用。
通过阅读本公开内容，其他的修改对本领域的技术人员来说将会是很明显的。这样的修改可牵涉到在无线电通信系统及其部件的设计、制造和使用中已知的其他特征，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，这些其他特征可代替本文已述特征或附加于本文已述特征而被使用。

Claims (14)

1、一种运行包括一个主站(10)和多个次站(12a、12b、12c)的通信系统的方法，该方法包括：
该主站(10)根据一个预定的协议(36)通过若干无线电信道(14a、14b)与次站交换无线电消息(38)，
监测所述信道的容量；以及
至少部分地依赖于所述被监测的容量来控制被至少一个询问次站(12a)使用的信道。
2、按照权利要求1的方法，其中对信道容量的监测包括：
把每信道(14a、14b)注册的次站(12a、12b、12c)的数量与预定阈值相比较，以及
对于那些具有每信道注册的次站数量等于或超过预定阈值的信道，阻塞注册。
3、按照权利要求2的方法，其中具有最低注册次站(12c)数量的被监测信道(14b)被使用来注册一个询问次站。
4、按照权利要求1的方法，其中在每一个无线电信道(14a、14b)上发射信标信号(40)，并且其中通过监测每一个信道的每帧时间可用的时隙(42)数量来对那个信道的容量进行监测。
5、按照权利要求4的方法，其中请求有保证的时隙(46)的询问次站被分配一个无线电信道，其具有未用时隙可供该请求使用。
6、一种包括一个主站(10)和多个次站(12a、12b、12c)的通信系统，其中该主站(10)具有：根据预定的协议通过若干无线电信道与次站交换无线电消息(38)的装置(29)、用于监测所述信道的容量的装置(20、27)、以及用于至少部分地依赖于所述被监测的容量来控制被至少一个询问次站使用的信道的装置(20、25、27)。
7、一种在包括多个次站的通信系统中使用的主站(10)，其中该主站具有：根据预定的协议通过若干无线电信道与次站交换无线电消息(38)的装置(29)、用于监测所述信道的容量的装置(20、27)、以及用于至少部分地依赖于所述被监测的容量来控制被至少一个询问次站使用的信道的装置(20、25、27)。
8、权利要求7中所要求的主站、其中用于交换无线电消息的装置包括通信模块(29)，它具有多个耦合(35、27)到所述监测和控制装置(20)的收发机(29a、29b、29c)，并且其中每一个收发机运行单一无线电信道。
9、权利要求7或8中所要求的主站，其中监测装置(20)监测在由收发机在各自的信道上发射的周期性信标信号(40)之间的可用时隙(42)，并且其中控制装置(20)分配具有可用的未用时隙的一个无线电信道给至少一个询问次站。
10、权利要求7所要求的主站(10)，其中预定的协议是ZigBee无线电协议。
11、一种计算机程序(25)，其包括当在构成主站的可编程设备上执行时导致其完成利要求1中的步骤的代码。
12、一种计算机程序(25)，其包括当在链接到主站的计算机上执行时导致其完成权利要求1中的步骤的代码。
13、一种在载体(24)上的计算机程序(25)，其携带当在构成主站的可编程设备上执行时导致其完成权利要求1中的步骤的代码。
14、一种在载体(24)上的计算机程序(25)，其携带当在链接到主站的计算机上执行时导致其完成权利要求1中的步骤的代码。
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