CN1771696A - 具有可经由桥接终端连接的子网的网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工作于不同频道并通过无线转发器站连接的子网的连接。根据本发明，转发站周期性地切换到另一频道以在那儿保持预定的出现持续时间，由此补偿由重叠分组传输所造成的出现时间的抖动。根据本发明，利用涉及功率节省机制的信号来指示转发器站在相应子网中的出现时间和不出现时间。

Description

具有可经由桥接终端连接的子网的网络
本发明涉及分组交换网络领域。本发明特别涉及一种利用桥接终端(bridge terminal)连接通信网络的第一子网和第二子网的方法，涉及一种桥接终端，涉及一种具有第一子网和第二子网以及用于连接第一子网和第二子网的桥接终端的通信网，以及涉及一种操作用于连接第一子网和第二子网的通信网的桥接终端的计算机程序。
已经开发了在不需授权的频带上操作的许多标准和类型的无线电网，例如W-CHAMB、ETSI BRAN Hiper-LAN/2、HomeRF、DECT、蓝牙/IEEE 802.15和IEEE 802.11。通常这些无线电网共享无线电资源。
文献“Broadband Radio Access Networks(BRAN)，HIPERLAN type2；“Functional Specifications；Data Link Control(DLC)Layer；Part 4：Extension for Home Environment”，DTS 101 761-4，ETSIApr.2000.”描述了一种包括多个终端的特设(ad hoc)网络。至少一个终端被提供作为控制特设网络的控制器。在一些情况下，可能需要另一个终端成为特设网络的控制器。在这样的网络达到预定规模的情况下，需要把该特设网络划分为多个子网。为了执行并控制子网之间的通信，可以提供一种适合作为桥接终端的终端。例如在DE 101 07816 A1中描述了这样的桥接终端(它也可以被称作“转发器(fotwarder)”)。
本发明的目的是允许在通信网的子网之间进行简单而可靠的通信。
根据本发明的示例性实施例，上述目的可以使用一种利用桥接终端连接通信网的第一子网和第二子网的方法来实现，其中第一子网工作于第一频道，而第二子网工作于第二频道。根据本发明的示例性实施例，在第一频道上的第一子网的操作与在第二频道上的第二子网的操作之间切换桥接终端的操作。当桥接终端工作于第一子网时，它不可用于第二子网。当桥接终端工作于第二子网时，它不可用于第一子网。利用通信网络的功率节省信号来向第一和第二子网的终端发信号通知桥接终端在第一和第二子网内的不可用性。
根据本发明的这个示例性实施例，提供了一种以下述方式来控制桥接终端的非常简单的方法，即在第一和第二子网中的桥接终端不出现(absence)时间期间，信息不丢失，同时允许高数据传输速率。
根据如权利要求2所述的本发明的示例性实施例，通信网络是符合IEEE 802.11标准的分组传输或交换网络。IEEE 802.11标准(IEEE801.11，1999版本(ISO/IIC 8802-11：1999)IEEE标准，用于信息技术-系统间远程通信和信息交换)因此作为参考而并入。
根据如权利要求3所述的本发明的另一个示例性实施例，桥接终端周期性地在第一和第二子网之间切换，并且通过分别控制切换，在多个交换周期上补偿在子网内预定持续时间的不出现中的抖动。
有利的是，本发明的该示例性实施例可以确保桥接终端的出现(presence)时间对两个子网都相等。有利的是，这避免了数据传输的延迟。
根据如权利要求4所述的本发明的另一示例性实例，桥接终端利用探针(probe)/探针信令来报告丢失信标信号的内容。有利的是，这允许非常安全的数据传输。
如权利要求5所述的本发明的另一示例性实施例提供一种用于连接第一和第二子网的桥接终端，其中利用通信网的功率节省信号来在相应的子网中发信号通知桥接终端在第一和第二子网中的不可用性，即在第一和第二子网的相应子网中的不出现时间和出现时间。有利的是，根据本发明的该示例性实施例，提供一种在通信网络的子网之间的简单连接，其中已经存在的信号结构，即涉及功率节省模式的信号被用于发信号通知桥接电路在相应子网中的不出现时间和出现时间。
权利要求6、7和8提供根据本发明桥接终端的另一个示例性实施例，它可以允许子网之间提高的数据传输速率，同时不需要把关于桥接终端的不出现时间和出现时间通知给第一和第二子网中其它终端的另外的信令结构。
权利要求9和10提供根据本发明的通信网的示例性实施例，从而允许能够以低工作量和低成本建立的简单网络结构。
本发明还涉及一种操作用于连接第一子网和第二子网的通信网的桥接终端的计算机程序，其中第一子网工作于第一频道，而第二子网工作于第二频道。权利要求11进一步定义了根据本发明的计算机程序。根据本发明的计算机程序优选地被下载到桥接电路内的数据处理器的工作存储器中。从而桥接电路内的数据处理器被配备成执行本发明的方法。计算机程序可以存储在诸如CD-Rom之类的计算机可读介质上。计算机程序还可以经由诸如万维网之类的网络来提供，并可以从这样的网络下载到数据处理器的工作存储器中。
桥接电路或转发站切换到别的子网的别的频道以在那儿保持预定的出现持续时间，这可以被看作是本发明的示例性实施例的要点。根据本发明的示例性实施例，补偿由重叠分组传输造成的出现时间的抖动。根据本发明的一个方面，利用涉及通信网的功率节省模式的信号，在相应的子网中向例如其它终端发信号通知相应子网中桥接电路的出现和不出现。
参考下文描述的实施例并参考以下附图，本发明的这些和其它方面是显而易见的并将被阐明。
图1显示了根据本发明示例性实施例的包括三个子网的特设网络的简化示意表示，其中每个子网包括用于无线电传输的终端。
图2显示了根据本发明示例性实施例的显示两个子网之间切换的时序图(time-dependency diagram)；
图3显示了根据本发明示例性实施例的显示时间抖动补偿的时序图。
图4显示了根据IEEE 802.11标准的MAC帧格式。
图5显示了根据本发明示例性实施例的显示在子网内出现和不出现的信令的时序图。
图6显示了根据本发明示例性实施例用于发信号通知打盹(doze)模式的广播的时序图。
图7显示了根据本发明示例性实施例用于发信号通知打盹模式的数据帧的传输的时序图。
图8显示了根据本发明示例性实施例的特设业务指示消息的时序图。
图9显示了根据本发明示例性实施例的显示ATIM对频率切换影响的时序图。
图10显示了根据本发明示例性实施例的显示探针-应答机制使用的时序图。
图11显示了根据本发明用于操作通信网的方法的示例性实施例的时序图。
图1显示了根据本发明的特设通信网的示例性实施例的简化示意表示。图1所示的网络包括分别包括多个终端4至16的三个子网1至3。终端4至9是子网1的部分，终端4和10至12是子网2的部分，以及终端5和13至16是子网3的部分。在子网中，属于各个子网的终端通过无线电传输来交换数据。图1所示的椭圆分别指示子网1至3的无线电区域，在子网1-3中，在属于各个子网的终端之间的通信是可能的。
终端4和5被称作桥接终端或转发器，因为这些终端允许子网1与2以及1与3之间的数据传输。桥接终端4被提供用于子网1与2之间的数据传输，以及桥接终端5被提供用于子网1与3之间的数据传输。
本地网的终端4至16可以是移动的或固定的通信装置，并且可以例如包括站(station)、连接控制装置、包含天线等的无线电收发信机。站例如可以是便携式计算机或电话。
下面将参考符合IEEE 802.11标准的通信网和子网来进一步描述本发明。必须注意的是，尽管本发明在下文中是参考符合IEEE 802.11标准的通信网描述的，但本发明并不局限于这样的标准，而是可应用于任何具有指示终端的打盹或功率节省模式的信令结构的分组交换无线电通信网。
图2显示了用于进一步解释桥接终端从工作于频率f1的子网1切换到工作于频率f2的另一个子网2的时序图。正如从图2中可以看到的，桥接终端周期性地从子网网络1切换到子网网络2并切换回到子网网络1。在桥接终端出现于子网网络1的时间期间，桥接终端不出现于子网网络2。在桥接终端出现于子网网络2的时间期间，桥接终端不出现于子网网络1。正如从图2中还可以看到的，频率切换可以约用时2毫秒。在频率切换期间，即在这些2毫秒期间，桥接电路既不能接收也不能发射任何信号。
图3显示了用于进一步解释在根据本发明示例性实施例的子网网络1和子网网络2之一内的桥接电路的出现时间的延长或缩短的时序图。由于用于接入无线电信道的竞争接入方法，切换，即在一个子网内桥接信道的出现和不出现之间的改变不可能在一个精确的时刻上执行。
在脉冲20结束之后，桥接电路的无线电发射机的频率从子网网络1的频率切换到子网网络2的频率。这由箭头22指示。如参考图2所示，子网之间的切换通常用时约为2毫秒。然后子网出现，即如脉冲24所示，在子网网络2中工作。脉冲20与脉冲24的比较显示出脉冲24比脉冲20长。在此情况下，由于竞争接入方法，通过扩展26来延长桥接终端的出现时间。然后，桥接终端的操作切换回到子网网络1，其中在约2毫秒的切换之后，可在由脉冲28指示的时间期间使用桥接终端。在脉冲28结束后，桥接电路再次切换到子网网络2中的操作。正如可以从指示桥接终端存在于子网2的脉冲30中看到的，脉冲30短于指示桥接终端在相应子网中的标准出现时间的标准脉冲20。脉冲30被减少图3所示的时间32。在脉冲30之后，桥接终端的操作切换回到子网网络1中的操作。
延长桥接终端在一个子网中的不出现时间的另一个原因是站间的内部传输和不出现时间信令消息之间的串通(collusion)。切换的抖动强烈地依赖于将在子网之间传送的业务。
出现时间的延长造成数据传输的延迟。为了允许桥接终端在两个子网中的合理的出现时间，设置平均出现时间是必要的。在图3所示例子中的平均出现时间用脉冲20指示。正如从图3可以看到的，在延长的出现时间24之后的出现时间30被减少时间量32，该时间量32是出现时间34超过延长的出现时间20的时间量。因此，脉冲32应当具有与脉冲26相同的大小。根据该原理，在两个子网之间的足够的切换周期之后，可以实现对应于设置出现时间20的平均出现时间。
基于能量节省模式的出现和不出现
在能量节省模式中，站或终端可以处于以下两种状态之一：
1、唤醒：站准备发送和/或接收
2、打盹：站/终端既不发送也不接收
站或终端的唤醒状态包括连续侦听用于启动发送或实现NAV的帧的无线电脉冲。由于此，通过一帧的接收，所有的站可以得出关于已接收帧的发送或接收站的功率管理状态的结论。IEEE 802.11标准定义了三种不同类别的帧类型：数据帧、控制帧和管理帧。正如可以从显示符合IEEE 802.11标准的一般帧格式的图4中看到的，待发送的每一帧的报头包括多个控制和管理信息。报头中信息的完整描述可从IEEE802.11标准中得到，因此该描述作为参考而并入。
图5示出报头的细节，以用于进一步解释本发明的原理。如图5所示，利用图5中参考数字40所示的功率管理比特(PWRMgtBit)字段来作出能量节省模式的指示。正如从图5中可以看到的，在包括数据帧42交换的数据交换序列期间，桥接终端可以通过设置功率管理比特40指示从子网网络1到子网网络2的切换。在发送了功率管理比特40之后，子网网络1中的所有其它终端都知道该桥接终端处于打盹状态，即在子网网络1中不可用。由于所有的站都连续侦听无线电波路径，因此该桥接终端的打盹状态被发信号通知给子网网络1中的所有站/终端。然后，桥接终端可以切换到子网网络2并在子网网络2中开始它的操作。
该CSMA/CA方法作为符合IEEE 802.11标准的基本接入方法，通过使用根据其发信号通知各个站的接入权的优先级方案来避免串通。在一个站准备发送的情况下，该站侦听传输介质，即无线电波路径，并且如果路径是空闲的，则它发送传输请求。在IEEE 802.11标准中描述了关于CSMA/CA的细节，该细节作为参考而并入。由于CSMA/CA方法，可以减少串通的出现，但不能完全避免串通。
因此，不可能总是无串通地执行桥接终端从实际子网中的剩余站的停止(sign-off)。发信号通知或者广播该停止的优选方式是标准数据传输序列，包括从桥接终端到其它站或者从其它站到桥接终端的RTS/CTS(准备发送/清除发送)。该数据交换受到NAV的保护，并且还包括对随后打盹模式的已接收信令的确认。
在桥接电路的出现时间结束且不存在计划的数据传输的情况下，存在两种发信号通知停止的选择。第一种选择是发送广播消息，这是从桥接终端到相应子网内所有或大多数剩余终端或站的传输。第二种选择是数据帧的传输，这是端对端传输。在图6中描述了第一种选择，即广播传输，并在图7中描述了数据帧传输，即第二种选择。
正如可以从图6中看到的，桥接终端被唤醒，直至帧50(有阴影线的帧)的广播传输结束。在具有功率管理比特的帧50的广播传输结束之后，桥接终端向子网中的剩余站指示它即将到来的打盹状态。然后桥接终端可以被切换到另一个子网。
这种广播传输是到达一个子网内(即在一个独立的基本服务集(IBSS)内)所有站的一种简单而有效的方式。然而，当存在串通时，广播的缺点就显现出来。没有根据IEEE 802.11标准对广播消息的确认。因此不能控制广播消息到所有剩余站的成功传送。根据本发明的一个方面，可以通过连续地传送多个广播帧来解决该问题。这样，例如帧52和54可以是具有功率管理比特的广播帧。但是，甚至多个广播的传输也不允许子网内所有终端成功接收广播的确认。
第二种选择是优选实施例。根据本发明的该示例性实施例，桥接终端发送不带有RTS/CTS的数据帧。根据IEEE 802.11标准，接收站或终端确认这种数据帧的接收。利用指示即将到来的打盹状态的这种数据帧的传输，允许对桥接终端成功地接收打盹模式信令的确认。根据本发明一个方面的丢失的确认自动地促使该数据帧的新发送。这种数据帧的内容可以包括具有0长度的伪入口(dummy entry)。这被显示在图7中。如可以从图7中看到的，在该子网中的桥接终端的出现时间即将达到结束之前发送帧56(用阴影线指示)。然后，在另一个终端(在这个例子中只有一个其它终端)发送了其确认帧ACK58之后，桥接终端切换到另一个子网，其中确认帧ACK58指示该终端成功地收到具有功率管理比特的帧。因此，从图7中描述的子网的观点看，在切换到另一个子网之后，桥接终端处于打盹状态。
桥接终端的同步
能量节省模式假设在一个IBSS内(即一个子网内)的所有站同步。同步本身是通过发送信标来实现的。这些信标按照规则的时间间隔发送。在时间同步函数(TSF)对准后，利用特设业务指示消息(ATIM)来指示剩余的传输，这显示在图8中。图8显示了一个ATIM窗口。在ATIM窗口的开头是信标60的传输。接着利用ATIM消息62的传输来指示每一个剩余传输。接收终端必须利用确认消息ACK64来确认ATIM消息。在图8中，一个确认消息丢失。因而重复相应的传输。
处于打盹模式的站必须改变到ATIM窗口的唤醒状态，以便不丢失来自其它站的剩余传输。
ATIM窗口和同步对于桥接终端来说是重要的。由于桥接终端经常在两个或甚至多个子网之间变动，因此桥接终端必须在那些子网中同步，并且必须发送用于在两个子网的每一个中的每个ATIM的确认消息ACK。这样的确认消息ACK的丢失可能有两种原因。第一种原因是因为串通而不能接收所发送的ATIM消息。第二种原因可能是由于丢失的同步而使接收站处于打盹状态。
对于这两种情况，IEEE 802.11标准提供了一种在连续ATIM窗口中的剩余传输的新显示。为了避免在ATIM窗口的第二次重复之后站停止数据帧的重传，根据本发明的桥接终端被安排成使它在用于每一个第二ATIM窗口的相应子网中出现。
图8示出两个子网之间的频率改变的时序图，并示出ATIM窗口的位置。脉冲70指示桥接终端在子网网络1和子网网络2中的出现时间。脉冲72指示子网网络2中的ATIM消息，以及脉冲74指示子网网络1中的ATIM。子网网络1的操作被显示在图9的上部，而子网网络2的操作被显示在图9的下部。参考数字76指示在子网网络1和网络2之一中的桥接终端的延长的出现时间。
由于ATIM周期和目标信标传输时间(TBTT)周期的可变长度(可以由动态选择的终端改变)，因此必须考虑两个网络的不同的ATIM和TBTT，这从图9中可以看出。
在ATIM窗口已经被丢失或者相应确认丢失的情况下(如在脉冲78期间的ATIM窗口74的情况)，IEEE 802.11标准允许各个站或终端使用依据在前传输的假设，以便评估或确定站的存在。这种定义允许桥接电路完全跳过ATIM窗口，通常在此情况下，在脉冲78期间指示子网网络1中桥接电路的出现时间。然而，如果ATIM窗口已经被丢失，则所发送的ATIM的确认也丢失。因此，在随后的信标之前，站必须根据到这时接收的帧来作出关于站出现的假设。由于该知识，甚至在这种传输阶段期间，站也可以启动数据交换序列。但是，ATIM窗口的永久遗漏或丢失、或者ATIM消息的永久不确认不会发生，因为必须从桥接终端将有关即将到达的传输通知给也可能已改变到打盹模式的其它站。除此之外，桥接终端知道何时将发送下一个信标也是必要的。因此，与两个子网的时间同步函数(TSF)的对准可能对于桥接终端是重要的。
经由探针/探针应答的同步
在信标已被丢失后，桥接电路的时间同步函数(TSF)不能再同步到剩余站/终端的TSF。那么后续信标的时间不再为桥接终端所知，因而新的同步将是不可能的。在这种情况下，IEEE 802.11标准提供该探针-P/应答机制。该机制是关于站对无线电小区的附属或成员资格的主动请求。在探针-P/应答期间，探针请求消息被发送给该子网的所有站。然后，信标早先发送到的站用探针-应答消息来响应该请求。探针-请求消息包括诸如时间标记和信标间隔之类的信息。这两个信息字段提供桥接终端的TSF的新同步。
图10示出在频率切换阶段中的探针-P/应答消息的使用。根据本发明的桥接终端的探针-应答机制的使用允许TSF的同步以及允许同时对不出现进行信号通知。
下面将参考图11来描述上述参考图1至10所描述的本发明的各元件以及各个方面的相互作用。
正如从图11可以看到的，开始桥接终端工作于子网网络1。利用在TBTT开头的信标80来同步桥接终端。对于ATIM窗口82的其余部分，桥接终端工作于子网网络1。在传输阶段开始后，桥接终端通过发送包括设置功率管理比特的帧84来试图指示它到功率节省状态(打盹状态)的切换。在有必要利用即将到来的数据传输来指示切换的情况下，桥接终端发送没有内容的包括设置功率管理比特的所谓伪数据帧。该数据帧被寻址到做出上一次传输并处于唤醒状态的站。在收到已发送数据帧的完成确认之后，桥接终端切换频率并变成子网网络2中的参与者。在子网网络2中的出现时间期间，从子网网络1中终端的观点看，桥接终端处于打盹状态或功率节省状态。因此，子网网络1中已收到伪数据帧的所有站推迟它们到桥接终端的传输。
在切换时间D1(如上面已经指出的，该时间通常为2ms)之后，桥接终端侦听介质，即用于分布式帧间间隔DIFS的无线电波路径。有利的是，这避免了其它站之间数据传输被干扰或者ATIM窗口中的传输被干扰。当桥接终端确定在DIFS后传输介质未占用时，桥接终端通过对TSF与子网网络2同步的主动扫描来发送探针-请求消息。现在，桥接终端完全出现于子网网络2。在剩余的出现时间86期间，可以执行到达和来自其它站的正常数据传输。在子网网络2中出现时间86结束时，桥接终端以从子网网络1改变到子网网络2期间的相同方式来指示或发信号通知它改变到功率节省或打盹状态。
当桥接终端被切换到它在子网网络1中随后的出现时间时，TBTT和ATIM窗口的持续时间被获知，这归因于在前面出现时间期间接收的信标80。现在可以把在出现时间86期间在子网网络2中接收的数据分配到子网网络1中的各个站。同时，已恢复的唤醒状态(即出现)可以指示给子网网络1中的站。由于其它站(即未从子网网络2接收到数据传输的站)侦听传输信道，因此利用这些数据传输来通知它们关于桥接终端的新出现时间。所以，现在将有关桥接终端的实际状态通知给子网网络2中所有站。从而在ATIM窗口中ATIM的确认不再是必要的。有利的是，这里可以省略主动扫描。
正如从图10中可以看到的，在子网网络1中的出现时间88之后，桥接终端再次切换到子网网络2，并且具有子网网络2中的另一个出现时间90。正如从图10中能够看到的，在对于出现时间90切换到子网网络2之后，新的ATIM窗口应当在子网网络2中。两个子网的ATIM窗口以及TBTT都是同步的并具有不同大小。在可以接收到子网网络2的ATIM窗口的时候，子网网络1中的时间位移的ATIM窗口被丢失。在此情况下，如果在剩余的站中存在即将到来的传输，则这些剩余站向子网网络1中的桥接终端发送ATIM消息。该信令在ATIM窗口结束之前一直重复，并在ATIM窗口的结尾处结束。ATIM信息的丢失造成即将到达的MSDU(MAC业务数据单元)的缓冲，直至下一个ATIM窗口。如参考图3已经指出的，子网网络2中的出现时间被延长ATIM窗口的长度。

Claims (11)

1、利用桥接终端连接通信网的第一子网和第二子网的方法，其中第一子网工作于第一频道，而第二子网工作于第二频道，该方法包括以下步骤：在第一频道的第一子网中的操作与第二频道的第二子网中的操作之间切换桥接终端的操作；其中，当桥接终端工作于第二子网时，它不可用于第一子网；其中，当桥接终端工作于第一子网时，它不可用于第二子网；利用通信网络的功率节省信号来发信号通知该桥接终端的不可用性。
2、如权利要求1所述的方法，其中通信网络是符合IEEE 802.11标准的分组传输网络。
3、如权利要求2所述的方法，其中桥接终端的操作周期性地在第一与第二子网之间切换，以便桥接终端在第一和第二子网的每个中工作预定的持续时间；并且通过控制切换，在多个切换周期上补偿在所述预定持续时间中的抖动。
4、如权利要求1所述的方法，其中桥接终端利用探针/探针信令来报告已丢失信标信号的内容。
5、用于连接通信网的第一子网与第二子网的桥接终端，其中第一子网工作于第一频道，而第二子网工作于第二频道，其中桥接终端的操作在第一频道的第一子网中的操作与第二频道的第二子网中的操作之间切换；其中，当桥接终端工作于第二子网时，它不可用于第一子网；其中，当桥接终端工作于第一子网时，它不可用于第二子网；其中利用通信网络的功率节省信号来发信号通知该桥接终端的不可用性。
6、如权利要求5所述的桥接终端，其中通信网络是符合IEEE802.11标准的分组传输网络。
7、如权利要求5所述的桥接终端，其中桥接终端的操作周期性地在第一与第二子网之间切换，以便桥接终端在第一和第二子网的每个中工作预定的持续时间；并且通过控制切换，在多个切换周期上补偿在所述预定持续时间中的抖动。
8、如权利要求5所述的桥接终端，其中桥接终端利用探针/探针信令来报告已丢失信标信号的内容。
9、具有第一子网和第二子网以及用于连接第一和第二子网的桥接终端的通信网，其中第一子网工作于第一频道，而第二子网工作于第二频道；其中，桥接终端的操作在第一频道的第一子网的操作与第二频道的第二子网的操作之间切换；其中，当桥接终端工作于第二子网时，它不可用于第一子网；其中，当桥接终端工作于第一子网时，它不可用于第二子网；利用通信网络的功率节省信号来发信号通知该桥接终端的不可用性。
10、如权利要求9所述的通信网，其中通信网络是符合IEEE 802.11标准的分组传输网络。
11、操作用于连接第一子网和第二子网的通信网的桥接终端的计算机程序，其中第一子网工作于第一频道，而第二子网工作于第二频道；其中当计算机程序在桥接终端上运行时，桥接终端执行以下步骤：在第一频道的第一子网的操作与第二频道的第二子网的操作之间切换桥接终端操作；其中，当桥接终端工作于第二子网时，它不可用于第一子网；其中，当桥接终端工作于第一子网时，它不可用于第二子网；利用通信网络的功率节省信号来发信号通知该桥接终端的不可用性。
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