CN1842783A

CN1842783A - 基于无干扰组的无线网络协议

Info

Publication number: CN1842783A
Application number: CNA2004800126146A
Authority: CN
Inventors: 朗塞·E·赫斯特; 李宗杰
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC; Google Technology Holdings LLC
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2004-05-05
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2024-05-05
Also published as: US7277394B2; CN100458760C; DE112004000797T5; WO2004102984A2; US20040228300A1; WO2004102984A3

Abstract

一种无线网络(100)和用于将信道集分配到网络中的无线设备集(102－126)的方法(200)，其中，信道少于设备，以致将无线设备分到信道组中，使得分配到每个信道组的无线设备这样布置，以使彼此不干扰。在将第n无线设备分配到第k信道组时，第n以及优选的第k信道组的一个成员在一个时间被指示同时发射，以便确定第n无线设备是否干扰第k信道组中的任何成员，以及是否被其干扰。

Description

基于无干扰组的无线网络协议

技术领域

本发明涉及无线网络。

背景技术

电子制造技术的发展使得能够大量制造便宜的无线设备。目前非常关注将无线设备和无线设备网络的应用大力扩展到传统通信应用之外。

非常期望的是包括许多低成本设备的网络的多种新应用。通常希望这些网络是称为自组网(ad hoc)的网络。在无线网络的上下文中，自组网是指当大量设备通电，并且这些设备中的至少一些在彼此的范围内时，这些设备将协同工作形成网络。不需要由网络工程师进行详细计划，就能形成自组网。从无线链接的观点考虑，自组网中设备的布置是相对随机的。根据网络使用，按需要来布置设备。可能碰巧许多设备放置得很近，而产生干扰的可能。

包括许多低成本设备的网络的一种应用是“传感器网络”。通常，认为传感器网络包括许多耦合到传感器的无线设备，以及一个或几个耦合到数据接收器的无线设备。传感器网络中的数据业务主要是从传感器到数据接收器的。可能会有少量从数据接收器到传感器的控制信号。因此，在传感器网络中，最主要的问题涉及从传感器向数据接收器发送消息。

可由任何无线网络使用的带宽受到规制的约束。随着特定地点中的无线设备的数量增加，带宽限制成为一个问题，以至于必须由该网络中的所有设备共享有限的带宽。在传统的蜂窝网络中，通过将部署蜂窝网络的区域分成大量小区，小区的大小大致是移动无线设备的范围，并且以相邻小区使用不同子带的方式将特定子带分配给特定小区，实现了带宽重用。然而，这种系统需要战略性地设置大量小区站点，以便实现频率再用，因此用在自组网中是不理想的。在无线通信系统中使用了大量的方法来共享可用带宽。这包括频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)和时分多址(TDMA)。基于TDMA的一种用于共享带宽的协议称为轮询媒体访问控制(MAC)。在轮询MAC协议中，在网络控制器无线设备的指导下，为网络中每一个不同的无线设备分配一个特定的供发射消息用的时隙。在这种系统中，网络控制器在规定的时间向每个无线设备发送轮询信号，以触发特定设备发射任何需被发射的消息。遗憾的是，在使用传统轮询MAC的网络中，每个设备可有效利用的带宽是与网络中设备的数量反相关的。

通常希望增加无线网络中设备可用的有效带宽。尤其是，希望增加自组传感器网络中可用的带宽。

附图说明

借助于在附图中示出的示范实施例(但不是限制)来描述本发明。在附图中，相同的参考标记表示相同的元件，其中：

图1是根据本发明优选实施例的无线设备的层次树拓扑路由网络的图形实例；

图2是在图1示出的网络中操作根部无线设备以便向其他无线设备分配信道的方法的流程图；

图3是操作图1中的根部无线设备以便协调该网络中的通信的方法流程图；

图4是根据本发明优选实施例包括在图1所示的网络中的根部无线设备的硬件框图；

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应该理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以各种形式实现。因此，这里公开的具体结构和功能细节不能解释成限制性的，而仅作为权利要求的基础，并作为教导本领域技术人员以任何适当的具体结构等不同方式应用本发明的基础。此外，这里使用的术语和措词不是限制性的，而是提供对本发明可理解的描述。

这里使用的术语“一”或“一个”定义为一个或一个以上。这里使用的术语“多个”定义为两个或两个以上。这里使用的术语“另一个”定义为至少第二个或更多。这里使用的术语“包括”和/或“具有”定义为包括(即开放式语言)。这里使用的术语“耦合”定义为连接，但不必直接也不必机械连接。

图1是根据本发明优选实施例的无线设备的层次树拓扑路由网络100的图形实例。网络100包括多个无线设备102-122，其中包括根部无线设备102。根部无线设备102具有将参考图2-3描述的功能，包括向网络100的其他无线设备104-122分配信道，优选地是由其他无线设备104-122和谐使用不同的信道。在论述层次拓扑网络100时，从图论中借用的术语，包括“儿子”、“父亲”和“边”，是有用的。在图1中示出的将无线设备102-122中的各对互连的粗线，或在图论的命名方法中的边，表示无线通信链接。无线通信链接可以是单向或双向的。也可能存在其他无线通信链接，因为给定的无线设备可能在由图1中示出的边连接的那些设备之外的无线设备的范围内。然而，对于依赖图1示出的示例性层次树拓扑的路由协议，在根据该路由协议的路由消息中使用图1中示出的边。图1示出的层次树拓扑优选地用于向上游路由消息，也就是说从无线设备104-122朝向根部无线设备。

根据本发明的优选实施例，除了通过图1中示出的边表示的无线通信链接之外，根部无线设备102还能够向网络中的其他无线设备104-122中的任何设备直接发射。为了使根部无线设备能够向其他无线设备直接发射，根部无线设备优选地能够进行更高功率的传输。

层次树拓扑网络特别适用的一种应用是传感器网络。在使用层次树拓扑网络的传感器网络中，如图1所示，根部无线设备102理想的是用作数据接收器，其他无线设备104-122耦合到传感器(例如温度传感器、烟气传感器)。通过使用由图1中的边表示的无线通信链接，由传感器收集的信息被从其他无线设备104-122路由到根部无线设备102。在传感器网络中，网络业务主要是朝向根部无线设备102(与从根部无线设备发源相反)。

可以将无线设备102-124分成几个等级。零等级的仅包括根部无线设备102。对其他无线设备104-122中的每个，分配与沿着从该特定无线设备到根部无线设备102的最短路径的边的数量相对应的等级。这样，根部无线设备102具有三个“儿子”，包括第二无线设备104、第三无线设备106和第四无线设备108，它们被认为是处于网络100的第一等级，因为在这三个无线设备104、106、108中的每一个和根部无线设备102之间有一个边。根部无线设备102被认为是处于第一等级的三个无线设备104、106、108的“父亲”。根部无线设备102的三个儿子104、106、108中的每一个有自己的三个儿子。第二无线设备104有三个儿子，包括第五无线设备110、第六无线设备112和第七无线设备114。第三无线设备106有三个儿子，包括第八无线设备116、第九无线设备118和第十无线设备120。类似地，第四无线设备108有三个儿子，包括第十一无线设备122、第十二无线设备124和第十三无线设备126。第五到第十三无线设备被认为是处于网络的第二等级，因为在第五到第十二无线设备中的每一个和根部无线设备102之间的最短路径包括两个边的序列。在图1示出的网络100中，存在三个等级(零、第一和第二)，每个有儿子的无线设备有三个儿子。然而，每个设备的儿子的数量以及等级的数量仅是示例性的。可以有更多的等级，并且设备具有的儿子的数量可以变化。

在层次树拓扑网络100的传感器网络应用中，在将传感器数据向上游路由到根部无线设备102时，网络中其他无线设备104-122中的每一个仅需要向它的父亲发送消息，不需向它的儿子发送。这样，在层次树拓扑网络100的传感器网络应用中，从儿子到父亲的无线通信链接比从父亲到儿子的无线通信链接更重要。

图2是在图1示出的网络中操作根部无线设备(例如102)以便向其他无线设备分配信道的方法200的流程图。作为替换，方法200也可由另一个无线设备执行。尽管在图2的描述中参考图1，但图2中呈现的方法可用于其他网络。在实施图1所示的方法之前，已经建立了层次树拓扑，并且关于该拓扑的信息已经存储在根部无线设备(例如102)中。建立层次拓扑的一种方式是对除了要成为根部无线设备的设备以外的每个设备编程，以便在加电时找出单一的父亲，并且只有在找到父亲后，接受一个或多个儿子。要成为根部无线设备的设备则被编程为在加电时接受一个或多个儿子。在建立父亲儿子关系时，无线设备，例如102-126，可以使用基本MAC，例如具有双指数退避(double exponential back off)的ALOHA。

参考图2，在步骤202，对数量与作为根部无线设备102的儿子的无线设备的数量相等的信道组的第一集合进行初始化。为每个信道组分配特定信道。分配给信道组的信道彼此不干扰。信道优选地是使用时分多址的路由协议中的时隙。作为替换，信道是频带、用于直接序列扩频(DSSS)码分多址(CDMA)信令中的扩展码、或用于跳频扩频(FHSS)信令中的跳频序列，或者在混合系统中具有前述信道类型中的两种或多种的属性。在步骤204，将作为根部无线设备102的儿子的无线设备中的每一个分配到信道组的第一集合中的一个。这样，根部无线设备102的儿子中的每一个是信道组的第一成员。

框206是第一(外层)程序循环的顶部，所述第一程序循环考虑到网络100的连续等级。网络100的等级被认为是顺序地从根部无线设备102的儿子开始。用第一循环的循环索引1指向这些等级。不将零等级算在内，用大写的L表示网络中的等级总数，在网络100的情况中，L等于2。

框208是第二程序循环的顶部，第二程序循环在第一程序循环之内，该第二程序循环考虑到在还没有分配到信道组的每个第1等级内的连续第n个无线设备。通过方法200将每个无线设备分配到信道组。

框210是第三程序循环的顶部，第三程序循环在第二程序循环之内，其考虑到对于还没有分配到信道组的每个第n无线设备而言的连续的已建立信道组(具有至少一个成员的信道组)。第三程序循环的循环索引k指向每个已建立的信道组。通常，在执行方法200之后，小于网络中无线设备总数(大写N表示)的信道组的总数(大写K表示)被分配用于网络(例如100)中。

框212是第四程序循环的顶部，第四程序循环在第三程序循环之内，其考虑到已在第k信道组中的每个第i无线设备，所述第k信道组对应于第三程序循环的当前迭代。第四程序循环的循环索引i指向第k信道组中的连续无线设备。

在步骤214中，由根部无线设备102向第n无线设备(对应第二程序循环的当前迭代)并向第i无线设备(对应第四程序循环的当前迭代)发送消息，指示第i无线设备和第n无线设备通过它们各自的路径同时向根部无线设备102发送响应消息。在网络100使用除时隙以外的信道类型的情况下，第n和第i无线设备被指示使用相同的信道(例如频带、扩展码或跳频序列)。在步骤214中发送的包括指令的消息优选地是使用根部无线设备102的高功率发射性能在分离的控制信道(例如频率)上直接发送的。作为替换，包括指令的消息通过网络102路由。通过使第i和第n无线设备在相同的信道上同时发射，可以确定是否第i和第n设备的位置使彼此干扰。如果第n和第i设备充分间隔开，或者在第i和第n设备之间存在无线信号障碍(例如金属物体、办公设备)，第i和第n设备同时使用相同的信道而不相互干扰是可能的。然而，为使第n无线设备使用由第i无线设备使用的信道，第n设备必须不干扰来自包括第i无线设备的信道组中的无线设备中的任何设备的信号，或不被其干扰。换言之，被认为分配到第k信道组的第n无线设备不干扰第k信道组的成员中的一个或其子集或不被其干扰是不够的，该无线设备还应该不与第k信道组中无线设备中的任何一个干扰。方法200用于以和前述标准一致的方式将无线设备分成信道组。

可选地，响应在框214发送的消息，第n和第i无线设备使用比通常用于发射数据更少的信道编码或根本不使用信道编码来发射消息。降低或消除在干扰测试中的信道编码使用使干扰测试更谨慎。

框216是判定框，其输出取决于在步骤214中请求的两个响应是否被正确接收。注意，根据网络(例如100)的拓扑，当第一设备和第二设备同时通信时，可能会发生这种情况，来自第一设备的信号干扰第二设备的通信，而来自第二设备的信号不干扰第一设备的通信。例如，在图1示出的网络100中，考虑第二104、第三106、第七114和第八116无线设备。第七无线设备114发送通过第二无线设备104到目的地根部无线设备102的消息，并且类似地，第八无线设备116发送消息，经由第三无线设备106到目的地根部无线设备102。注意，第七节点114和第三节点106之间的距离比第八节点116和第二节点104之间的距离更大。依据第七114和第八116无线设备的发射功率、任何信号障碍的位置以及第二104和第三106设备的无线设备干扰抑制比，这种不相称的距离引起以下可能性：第八设备116的传输与在第二设备104处对由第七设备114发射的信号进行的接收相干扰，但第七设备114的传输不会与在第三设备106处对由第八设备发射的信号进行的接收相干扰。

在步骤214中请求的两个响应的正确接收表示出第i设备不干扰第n设备，反之亦然。在执行框214和216中确定的信息是关于两个设备在使用相同信道时是否干扰的信息，该信息优选地存储在称为干扰矩阵的矩阵中。这种干扰矩阵优选地包括用于网络中多个无线设备的信息。每一行对应一个特定的无线设备。每一列也对应一个特定的无线设备。干扰矩阵的元素是二进制数值。干扰矩阵的每个元素指示由元素的列(或行)索引指定的设备是否被由元素的行(或列)索引指定的设备干扰。如由前面句子中的括号所表明的，对应与设备干扰或被设备干扰的列和行的角色可以替代地反转。这种通过将网络中同时发射的无线设备组合并确定所发射的消息是否被接收来进行评估的干扰矩阵，在除图1中所示之外的多种网络中是有用的。以不同的编程语言，并由各程序员以不同的方式来实现这种矩阵。例如，矩阵可以实现为二维阵列或一列列表。

再次参考图2，如果在框216确定在步骤214请求的两个响应已被接收，那么将第n无线设备分配到第k信道组的可能性保持不变，但是第k信道组中的其他成员(如果有的话)仍然要检查与第n设备的干扰。如果在步骤214请求的两个响应被接收，那么方法200继续到判定框218，在框218，确定在对应第三程序循环的当前迭代的信道组中是否存在更多无线设备。如果是，那么在步骤220，指向第k信道组的连续成员的第四程序循环的循环计数器i递增，之后，方法200返回框212。如果在框218确定在第k信道组中没有更多的设备，那么断定第n无线设备没有受到分配给第k信道组的无线设备干扰，并且也没有干扰到它们，方法200继续到步骤222，在步骤222将第n无线设备分配到第k信道组。

之后，方法200继续到判定框224，在框224，确定是否存在更多仍需分配到第1等级(对应外层程序循环的当前迭代)的信道组的设备。如果确定存在更多的仍需被分配的设备，那么在步骤226，指向在第1等级中连续未分配的无线设备的第二程序循环的循环计数器n递增，之后，方法200返回第二程序循环208的顶部。另一方面，如果在步骤224确定在第1等级不再有未分配的无线设备，那么方法200继续到判定框228，在框228，确定在网络(例如100)中是否存在更多等级。如果在判定框228确定在网络(例如100)中不再有更多等级，则方法200终止。另一方面，如果在判定框228确定在网络(例如100)中存在更多等级，那么在布骤230，(指向例如100的网络的连续等级的)外层循环的循环计数器1递增，之后，方法200返回外层程序循环206的顶部。

在到达的判定框216，如果确定在步骤214请求的两个响应中的至少一个没有被正确接收，那么断定在第i和第n无线设备之间存在干扰，方法继续到判定框232，在框232，确定是否还剩下更多已建立的信道组，仍需对它们检查与第n无线设备的干扰情况。如果在判定框232确定存在剩余的更多信道组，那么在步骤234，第三程序循环的循环计数器k递增，之后，方法200返回第三程序循环210的顶部，以考虑另一个已建立的信道组。在考虑用于分配第n设备的连续信道组中，优选的是跳过第n设备的父亲的信道组。另一方面，如果在判定框232确定不再有已建立的信道组，则方法继续步骤236，在步骤236，初始化新信道组。之后，在步骤238，将第n无线设备分配到该新信道组。

尽管新信道组的创建当然受到可用带宽的限制，但通过为具有与设备参与的网络(例如100)的整体空间范围相比具有较小发射范围的设备采用该方法200，使用相同信道的设备被彼此分离(被距离分离，或有时被无线信号障碍分离)，使得网络中的大量设备能够使用较小数量的信道，而不互相干扰。方法200自动将彼此分离并能使用相同信道而不互相干扰的设备分到信道组中。

尽管在图2中没有示出，在步骤236中新信道组的初始化是随还没有达到的最大极限信道而定的。作为替换，通过减小分配用于已有信道组的有效带宽(例如时隙周期长度)并使用为新信道组保留的带宽来获得新信道组。

在步骤238之后，方法200返回判定框224。

具有根据图2所示的方法分配到无线设备的信道的无线设备的层次树拓扑网络特别适于与一种路由协议结合使用，在该路由协议中，从根部无线设备(例如102)之外的设备始发的消息被路由向根部无线设备。根据这种协议，如果消息寻址到一无线设备，该无线设备沿着层次树拓扑中始发设备和根部无线设备之间的路径，那么该消息不需要到达根部无线设备，仅需到达它所寻址的无线设备。另一方面，如果目的地没有沿前述的路径，则消息被发送到根部无线设备，具有直接到达网络中其他设备的足够的发射功率的根部无线设备将该消息直接发射到目的地。对于后一种应用，根部无线设备优选地使用与网络中其他无线设备(例如104-126)使用的信道不同的信道。作为替换，所有消息都被路由经过根部无线设备104。这种路由协议是特别适合的，因为通过图2所示的方法分配信道，使得无线设备在通过它们各自的父亲向根部无线设备102发射消息时不会干扰。

图3是操作图1中的根部无线设备以便协调该网络中的通信的方法流程图。框302是循环的顶部，该循环考虑到连续的帧周期中连续的时隙。在步骤304，对于每个时隙，消息被发送到第k信道组的无线设备，授权第k信道组中的无线设备发射在第k信道组中的每个无线设备可能必须发射的任何消息。图3所示的方法代表组轮询MAC方法。图3所示的组轮询MAC方法的成功取决于网络(例如100)中已通过图2所示的方法被分配到信道组的无线设备，其中它们不干扰其他成员。在每个信道是TDMA多路访问协议的时隙的情况中，每个信道组可称为轮询组。

根据替代实施例，无线设备104-126具有同步的内部时钟，并且能够在不需接收轮询信号的情况下确定何时是它们发射的时机。在该替代实施例中，无线设备可选地通过由根部无线设备102不时发送的同步信号保持同步。

图4是根据本发明优选实施例包括在图1所示的网络中的根部无线设备102的硬件框图。可选地，在运行特定路由协议中执行更多功能(例如控制功能)的无线设备(例如根部无线设备102)连接到外部电源，并且/或者具有更高的处理能力。根部无线设备102包括收发信机402、处理器404、程序存储器406、工作空间存储器408和通过信号总线410耦合到一起的外部网络接口。控制处理器404控制无线设备102的总体运行，并用于执行具体表达图2-3所示的方法的程序。控制处理器404还用来产生用于传输的分组，并处理接收的分组。程序存储器406用于存储由控制处理器404执行的程序。程序存储器406是一种计算机可读介质。作为替换，具体表达图1-2所示的方法的程序存储在其他类型的程序存储器中。工作空间存储器408用作由控制处理器404执行存储在程序存储器406中的程序的工作空间。收发信机402耦合到天线412。外部网络接口用于将根部无线设备102耦合到外部网络，例如局域网(LAN)或其他外部网络。其他无线设备104-126优选地具有相同的基础内部结构，但不需要外部网络接口414。

尽管图2、3呈现的是特定流程图，但应该理解，具体表达本发明教导的程序的结构会根据使用的编程语言和程序风格而变化。

作为用于存储程序的存储器与本发明结合使用的计算机可读介质包括易失性存储器，例如RAM，或者包含瞬态数据的介质，例如通信信道、网络电路或无线通信链接，或者优选地是非易失性存储器，包括(但不限于)闪存、只读存储器(ROM)、EPROM、EEPROM、硬盘。用作用于信号处理操作的工作空间的计算机可读介质可以包括随机存储器(RAM)。

如本领域技术人员所知道的，本发明可以以硬件或软件或以硬件和软件组合来得到。根据结合优选实施例所公开的发明原理的系统、方法可以在单个计算机系统中得到，该计算机系统具有用于执行所述或所要求的各个功能或步骤的分离的元件或装置，或者具有结合所述或所要求的任何功能或步骤的性能的一个或多个元件或装置。

尽管示出并描述了本发明优选的和其他实施例，但显然，本发明不限于此。本领域技术人员会作出各种修改、变化、变型、替换和等效物，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的要旨和范围。

Claims

1.一种无线网络，其包括：

数量为N个的无线设备；

由该数量为N个的无线设备使用的数量为K个的信道，其中，信道的数量K小于无线设备的数量N，其中在所述数量为K个的信道中的每个第k信道被分配到由所述数量为N个的无线设备中的一个或多个所组成的第k子组，并且每个第k子组的成员在同时发射时不相互干扰。

2.如权利要求1所述的无线网络，其中：

由于每个第k子组的成员间隔足够远，或被无线信号障碍而相互屏蔽，所述每个第k子组的成员不干扰。

3.一种无线网络，其包括：

用于向上游进行数据传输、采用层次树路由拓扑的数量为N个的无线设备，该多个无线设备包括位于层次树拓扑的根部的根部无线设备，其中除根部无线设备外的所述多个无线设备中的至少每一个都具有父亲节点；

所述多个无线设备中的每个第n无线设备，除根部无线设备和在根部的儿子位置的无线设备外，都通过第n无线设备的父亲无线设备向根部无线设备路由消息；

所述多个无线设备一起在数量为K个的信道上进行通信，信道的数量K小于无线设备的数量N，其中在所述数量为K个的信道中的每个第k信道被分配到包括所述N多个无线设备的子集的第k信道组，其中每个第k信道组的无线设备被放置，以使得每个第k信道组的任何两个无线设备当在第k信道上同时向这两个无线设备的各自父亲发射时不互相干扰。

4.如权利要求3所述的无线网络，其中：

所述根部无线设备具有足够的发射功率，以直接向所述数量为N个的无线设备中的几乎全部设备发射。

5.如权利要求3所述的无线网络，其中：

所述数量为K个的信道包括时分多址方案的数量为K个的时隙。

6.如权利要求3所述的无线网络，其中：

所述数量为K个的信道包括码分多址方案的数量为K个的扩展码。

7.如权利要求3所述的无线网络，其中：

所述数量为K个的信道包括跳频扩频多址方案的数量为K个的跳频序列。

8.如权利要求3所述的无线网络，其中：

所述数量为K个的信道包括频分多址方案的数量为K个的频带。

9.如权利要求3所述的无线网络，其中：

所述数量为K个的信道包括从以下项构成的组中选择出的两个或多个属性：频率、跳频序列、直接扩频扩展码、时隙。