CN1980133A - 一种数据包交互方法及个人域网络通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术，特别涉及个人域网络通信技术，公开一种数据包交互包方法及个人域通信设备，以解决现有技术在不通过修改通信设备的物理层技术或不破环通信设备兼容性的前提下，无法提高通信速率的问题。所述方法包括如下步骤：发送设备将数据包分割为复数个包分片，并在所述包分片的包头中设置分片序号后分别通过复数个收发信机并行发送；接收设备通过分别对应连接的复数个收发信机并行接收所述复数个包分片，并根据所述分片序号重组所述数据包。所述设备包括并行设置的两个或两个以上射频收发模块和控制模块。应用本发明所述方法和设备，不改变现有物理层技术的基础上提高了通信速率并保持了设备之间的兼容。

Description

一种数据包交互方法及个人域网络通信设备

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及个人域网络通信技术，公开一种数据包交互方法及个人域通信设备。

背景技术

PAN(Personal Area Network，个人域网络)是指个人范围内的设备所组成的网络，个人范围也指短距离的范围。PAN当中的设备可以通过各种技术进行连接，比如蓝牙、UWB(Ultra Wide Band，超宽带技术)、ZigBee(一种低速的短距离无线通信技术)，甚至WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)。

在PAN的各种通信技术中规定了数据发送的峰值速率，比如蓝牙是1Mbps、ZigBee是250kbps、802.11b规定的WLAN技术是11Mbps。数据发送的峰值速率跟设备所采用的具体技术参数有关，实际的传输速率往往低于峰值速率，这是由于衰减、干扰和噪声等影响，导致数据出错需要重传。某种通信技术的峰值数据速率不是随意规定的，跟所采用的具体方案有关，如编码、扩频、调制等方法，低峰值速率的通信技术即使使用高速率来发送数据，也会因为技术不适应而导致误码率过高经常需要重传，使实际接收到的正确数据的速率还是低速率。所以要真正提高数据发送的峰值速率，只有对原有技术方案进行改进，甚至采用新的技术。

提高峰值速率最直接的方法是采用新的物理层技术，在设备上来说，是采用含有新技术的基带处理和射频芯片。另一个方法是改进上层的通信协议，提高数据的吞吐量。上层的通信协议通常是设备的软件部分，修改起来相对容易。但无论采取何种方法，都涉及到一个兼容性的问题，即不影响改进后的设备与以前的设备之间的通信。所以对设备物理层或者上层通信协议的改动不可能太大，否则以前PAN当中所应用的所有设备都要替换成新的设备，成本比较高。

很多无线通信设备都是如图1所示的单天线设备，包括：实现网络层以上的功能的中心控制模块、实现网络层的功能的网络控制模块和实现硬件部分功能的射频收发模块，通常中心控制模块和网络控制模块合并设置为控制模块，中心控制模块连接外部设备。

在常用的提高通信速率的方法中，多天线技术是一种比较重要的技术。如果能够把高速的数据分成低速的数据在不同的天线发送，并且不同天线上接收的低速数据再重新组合成高速数据，这样就能提高通信速率了。但如果直接在物理层当中采用如图2所示的多天线收发技术，需要对处理芯片做出比较大的改动，丧失兼容性。为了能够使用多个天线来提高通信速率，又不想修改物理层，可以把多个单天线设备组合成一个整体来使用，为了协调和管理，需要共用上层的通信协议，并且与原先单天线设备的协议有所不同，但要顾及兼容性问题。利用多个设备来进行数据收发，主要是利用了射频收发模块，所以多个单天线设备可以作简化，除了物理层器件，只包括控制物理层工作的数据链路层以及必需的高层协议，而其余的更上层的通信协议可以统一放在一起。

在这里简单介绍一下协议分层的知识。为了使网络应用更为普及，需要各公司的网络设备能够互联互通，这需要一个统一的标准，于是ISO(InternationalOrganization for Standardization，国际标准化组织)提出一个OSI(Open SystemInterconnect Reference Model)开放式系统互联参考模型，提出了分层的概念，各层之间的功能比较独立，便于各自的设计，而层间通过一些信息接入点进行交互，以便协调共同工作。只要采用相同的OSI通信协议，两个系统就能进行互相通信。

如图3所示，OSI的模型共有七层，每层负责不同的功能，从底层到上层分别是物理层(Physical)、数据链路层(Data Link)、网络层(Network)、传输层(Transport)、会话层(Session)、表示层(Presentation)和应用层(Application)。物理层是用于原始比特流的传输，规定电子信号传输和硬件接口；数据链路层主要负责将数据分帧，并处理流控制，指定网络拓扑结构并提供硬件寻址；网络层主要负责路由功能，即提供网络层地址，通过寻址来建立两个节点之间的连接，它包括通过互连网络来路由和中继数据；传输层包括面向连接或无连接两种协议，主要负责全双工或半双工、流控制和端到端的差错控制服务；会话层负责建立、维护和拆除两个进程间的连接，连接建立后负责管理通信双方的会话活动；表示层主要规定数据的格式，以便为应用程序提供通用接口，另外还包括加密功能；应用层用于定义一系列具体的应用服务。

实际的通信系统一般不是完全遵循OSI七层协议模型的，但都采用分层协议的思想，并且根据需要增加或者删减一些协议层。不过通常都有物理层、数据链路层和应用层协议，如果涉及到组网，那么还需要有网络层协议。实际中各层的功能和上面的描述可能有所出入，但一般来说，各层虽然可能增加或者减少一些功能，但都保持了基本功能，如物理层规定硬件特性、数据链路层规定信道接入和发送确认、网络层规定路由、应用层规定应用服务等。

现有PAN无论采用哪种通信技术，都涉及到PAN建立、设备加入和离开PAN，以及设备间通信的问题。PAN的建立是一个设备通过扫描信道选择一个或多个信道作为整个PAN工作使用的信道，即以后PAN当中所有设备都使用这些信道进行通信，除非PAN的工作信道发生改变。PAN建立以后，如果一个设备想加入PAN，它必须选择一个父设备建立连接，然后在网络层获得一个网络地址，并且记录一些必要的信息，比如网络标识、父设备的网络地址、相邻设备的网络地址等等，如果一个设备想离开PAN，它先向父设备请求离开PAN，然后断开自身的连接，其它相关设备如父设备删除和这个设备相关的信息。设备间的通信可能是直接的通信，也有可能需要经过路由器进行转发，称为多跳的通信。无论是直接的通信还是多跳的通信，都可以由网络层的路由功能实现。发送设备的应用层根据用户的输入，首先生成发送的数据流，然后逐层往下层协议栈传递，每个协议栈添加相应的数据包头或包尾，以实现本层的功能，最后到物理层的器件发送出去。接收设备的物理层器件接收到数据后经过接收处理，然后往上层协议栈传递，每个协议栈根据数据包头或包尾完成本层的功能，同时去掉完成任务的包头或包尾后再往上传递，知道应用层处理后得到要接收的数据。

需要说明的是根据PAN的信道接入协议(位于数据链路层的协议)，可以把PAN分为单信道接入的PAN和多信道接入的PAN。在单信道接入的PAN当中，所有设备都只能在一个信道上收发各种数据，而在多信道接入的PAN当中，设备可以在多个信道上收发数据，由于可以使用多个信道，所以多信道接入的PAN当中的设备复杂程度要更高。因此很多PAN设备采用单信道接入协议，下面举一个例子来说明PAN的工作，如图4所示，PAN由设备A建立。

设备A首先通过对各信道进行扫描，根据一定准则比如干扰最小来选择一条信道，并且在这个信道上收发数据，把自己的网络地址设为d＝0，这样PAN就建立起来了，假设是单信道PAN，那么整个PAN的工作信道也确定了，设备A建立PAN后，开始发送广播消息。

设备B想要加入该PAN时，通过对各信道进行扫描，因为接收到A发送的广播消息，发现A建立的PAN，如果B想加入PAN，选择A作为父设备，向A发出请求，A收到请求后同意，然后在路由表当中把B的地址记录下来，并给B作出应答，在应答中指定了B的网络地址为d＝1，并且规定了B通信的一些参数，比如是采用随机接入信道的方式还是固定时隙接入信道的方式。B收到应答之后把自己地址设为d＝1，记录下通信的参数，在路由表当中把A的地址记录下来，这样B就完成了加入PAN的操作。

设备C、D、E各自加入PAN的方法和过程和B类似，不过加入PAN所选择的父设备不同，地址也有所不同。

当E要离开网络时，向父设备A发出请求，A同意之后给出应答，删除在路由表当中记录的E的地址，E也删除自身路由表当中记录的A的地址，断开与A的连接。

PAN通信过程示例如图5所示，假设C要跟D进行通信，图5中假设每个设备的分层结构是物理层、数据链路层、网络层和应用层，虚线箭头表示设备内部的数据流向，实现箭头表示设备间的数据流向，中间的A和B只画出底三层，因为它们的应用层不参与C跟D通信的过程。C向D发数据的完整过程是：

1、在设备C，应用层首先产生应用层的数据，加上包头数据后传到网络层；

2、网络层在路由表当中找到目的地址为D的下一跳地址是d＝0，把网络地址和其它一些信息如自己的网络地址、序列号等加入到包头数据当中，再传到数据链路层；

3、数据链路层加上一些信息到包头如硬件地址，再往下传到物理层；

4、物理层完全属于硬件部分，按照芯片的设计来处理数据然后发送。

5、A接收到C发来的数据，物理层经过处理后传到数据链路层；

6、数据链路层检查硬件地址和自身吻合，于是去掉链路层包头后继续往上传到网络层；

7、网络层检查网络地址和自身吻合，并且发现目的地址是d＝2，查路由表得知下一跳地址是d＝1，于是把原先的包头改为新的包头，比如源地址是A的地址而不是C的地址，接着往下传到数据链路层；

8、数据链路层加上自己的包头后传到物理层；物理层经过处理后把数据发送出去。

9、B接收到A的数据后进行和A类似的操作然后发送给的D的物理层；

10、D的物理层处理后传给数据链路层；

11、数据链路层检查硬件地址和自身吻合，去掉包头后传给网络层；

12、网络层发现目的地址是自己，于是去掉包头往应用层传；

13、应用层经过处理后得出C的应用层要发送的数据。

这样就完成了一次C到D的数据通信。

现有提高PAN设备之间通信速率的方法是对芯片设计本身进行修改，采用全新的更高速的物理层技术，上层的协议可以做少量修改或不作修改。比如现有的蓝牙技术峰值速率只有1Mbps，其物理层主要采用跳频扩频和GFSK(GaussFrequency Shift Keying，高斯频移键控)的技术，如果采用UWB技术作为新的物理层技术，可以大大提高蓝牙技术的通信速率，相当于把现有蓝牙的物理层替换成UWB的物理层。但这样的话采用更高速物理层技术的设备与原来的设备可能不能进行直接通信了，无法兼容。为了解决兼容问题，可以保留原来的物理层，同时使用两个物理层，而在数据链路层部分作修改，根据实际通信需要选择一个物理层。

上述方法的缺点在于修改芯片设计的难度比较大，需要一定研发周期；新技术的设备跟原有设备可能不兼容，采用旧技术的通信网络为了提高数据速率，只能把网络中所有设备换成新的设备，成本太高；如果为了兼容而采取两个物理层，则芯片成本太高。

发明内容

本发明提供一种数据交互方法和个人域网络通信设备，以解决现有技术在不通过修改通信设备的物理层技术或不破环通信设备兼容性的前提下，无法提高通信速率的问题。

一种数据包交互方法，所述数据包的发送设备或接收设备分别包括至少两个收发信机，所述的数据包交互方法包括如下步骤：

A、发送设备将数据包分割为复数个包分片，并在所述包分片的包头中设置分片序号后分别通过复数个收发信机并行发送；

B、接收设备通过分别对应连接的复数个收发信机并行接收所述复数个包分片，并根据所述分片序号重组所述数据包。

所述步骤A之前还包括：

A01、发送设备判断一个收发信机的峰值速率是否等于或高于所述数据包的目标发送速率，如果是转入步骤C；否则继续步骤A02；

A02、发送设备确定连接接收设备的收发信机个数，并判断一个收发信机峰值速率与所述个数的乘积是否等于或高于所述目标发送速率，如果是则将所述个数作为所述复数的值并执行步骤A；否则转入步骤D；或者，

发送设备确定与一个收发信机峰值速率的乘积等于或高于所述目标发送速率的最小倍数，并判断连接接收设备的收发信机的个数是否等于或大于所述最小倍数；如果是则将所述最小倍数作为所述复数的值并执行步骤A；否则转入步骤D；以及

所述步骤B之后还包括：

C、发送设备和接收设备之间通过一对收发信机收发所述数据包；

D、发送设备通知接收设备因所述目标速率过高而无法发送所述数据包。

所述复数个包分片的长度相等；或者，每一个包分片的长度和对应收发该包分片的收发信机对的连接代价成反比。

所述的连接代价：根据对应连接的收发信机对的路由代价确定，所述路由代价在收发信机对建立连接的过程中，双方分别从交互的路由信息中获取；或者根据对应的收发信机对之间连接测试命令的应答时延和/或应答丢失情况确定。

并且，当连接接收设备的收发信机的个数大于所述最小倍数时，所述步骤A02中还包括：发送设备根据所述连接代价从小到大的顺序依次选择所述复数个收发信机。

根据本发明所述方法，其中一种实现方式为：每一对对应连接的收发信机对分别归属于复数个个人域网络中的一个。

所述复数个个人域网络中，创建每一个个人域网络的收发信机分别位于单收发信机设备和/或多收发信机设备上。

其中，位于多收发信机设备上的一个收发信机创建一个个人域网络的过程包括如下步骤：

多收发信机设备启动该收发信机创建个人域网络；

该收发信机选择工作信道进行工作，并确定个人域网络地址；

多收发信机设备记录该收发信机的网络地址。

所述发送设备和接收设备中，每一对对应连接的收发信机对实现连接的过程为：

一方创建一个个人域网络，另一方加入该个人域网络后实现连接；或者其他设备上的收发信机创建一个个人域网络，双方分别加入到该个人域网络后实现连接；然后

双方交互网络地址和路由信息，并各自保存本收发信机的路由信息。

当创建一个个人域网络的收发信机位于多收发信机设备上时，其他收发信机加入该个人域网络的过程包括如下步骤：

加入方收发信机在创建方收发信机的工作信道上扫描到该个人域网络后，向创建方收发信机请求加入；

创建方收发信机经所在多收发信机设备批准后分配网络地址并发送给请求加入的收发信机。

根据本发明所述方法，其中另一种实现方式为：分别对应连接的复数个收发信机对归属于一个个人域网络，该个人域网络由一个至少包括复数个收发信机的多收发信机设备建立，建立过程包括如下步骤：

多收发信机设备启动建立个人域网络，每一个收发信机分别选择一个工作信道进行工作；

多收发信机设备确定该个人域网络的网络地址。

其中，所述发送设备和接收设备中，每一对对应连接的收发信机对实现连接的过程为：

其中一方创建一个个人域网络，另一方的每一个收发信机分别加入该个人域网络并对应连接创建方的一个收发信机；或者，其他多收发信机设备创建一个个人域网络，双方的每一个收发信机分别加入该个人域网络并连接到创建方的一个收发信机上；然后

双方交互网络地址和路由信息，并由所在设备统一保存所有的路由信息。

当多收发信机设备加入由多收发信机设备所创建的个人域网络时，具体包括如下步骤：

加入方收发信机分别在每一个创建方收发信机工作的信道上扫描到该个人域网络，并分别向对应的创建方收发信机请求加入；

创建方收发信机分别经所在多收发信机设备批准后为加入方收发信机分配网络地址并发送给请求加入的收发信机。

上述两种实现方式中，多收发信机设备上的每一个收发信机独立选择离开当前加入的个人域网络。

发送设备根据本地的所有路由信息确定连接接收设备的收发信机的个数。

所述包分片的包头中还设置有分片标识信息和/分片总数。

本发明所述的一种个人域网络通信设备，包括控制模块，所述通信设备还包括：并行设置的两个或两个以上射频收发模块，分别连接所述控制模块，并在所述控制模块的控制下实现个人域网络通信。

其中，所述控制模块包括：

中心控制模块，用于控制所述两个或两个以上射频收发模块协调工作；和

网络控制模块，连接在中心控制模块和射频收发模块之间，用于控制每一个射频收发模块实现个人域网络通信。

所述网络控制模块为两个或两个以上，分别连接在中心控制模块和每一个射频收发模块之间。

所述射频收发模块包括：基带处理单元、射频处理单元和天线。

本发明的有益效果如下：

本发明所述将数据包分割为包分片通过多信道并行发送的方法中，多信道的概念是放在设备的高层协议当中，下层协议还是单信道，因此只需要对上层的通信协议作少量的修改，不需要修改或只需要极少的修改数据网络层以下的软件协议部分，就可以提高原有无线通信技术的峰值传输速率，扩大已有无线通信设备的应用范围，方便开发和保持兼容；

本发明所述的多收发信机设备不需要改动物理层技术，保持了和原有单收发信机设备的兼容性，可以和原有单收发信机设备共同工作，提高了通信的灵活性。

附图说明

图1为现有单天线射频收发模块设备；

图2为现有多天线射频收发模块设备；

图3为现有OSI七层协议模型；

图4为现有PAN网络结构示意图；

图5为现有PAN网络中，两个设备之间的多跳数据通信过程示例；

图6为本发明所述第一种通信控制协议下的多收发信机设备结构示意图；

图7为本发明所述第二种通信控制协议下的多收发信机设备结构示意图；

图8为多收发信机设备的第一种通信控制协议的协议栈模型；

图9为第一种通信控制协议下包括多收发信机设备的网络示例；

图10为本发明所述实施例一的网络示意图；

图11为图10所示示意图中，根据第一种通信协议控制多收发信机A和D之间通信过程的示意图；

图12为多收发信机设备的第二种通信控制协议的协议栈模型；

图13为第二种通信控制协议下包括多收发信机设备的网络示例；

图14为本发明所述实施例二的网络示意图；

图15为图14所示示意图中，根据第二种通信协议控制多收发信机A和D之间通信过程的示意图。

具体实施方式

本发明通过包括多套收发信机的通信设备进行数据传输，以达到提高通信速率的效果，该通信设备的一种结构框图如图6所示，用于本发明所述的第一种控制协议，包括：多个射频模、多个网络控制模块、一个中心控制模块，其中：

中心控制模块连接在外设和网络控制模块之间，和现有技术相比，其功能发生了变化，负责控制各收发信机的协调工作，包含网络层以上(不包括网络层)的通信协议；

射频收发模块跟现有单收发信机设备的射频收发模块相同，包括基带处理单元、射频处理单元和天线，只实现硬件部分的协议栈；

网络控制模块包括分别连接射频收发模块的多个，分别为每一个射频收发模块实现网络层及以下软件协议栈的功能；

这种结构下，每一个收发信机包括独立的网络控制模块和射频收发模块。

另一种结构框图如图7所示，用于本发明所述的第二种控制协议，由于第二种控制协议的网络层共用，所以网络控制模块设置为一个，这种结构下，每一个射频收发模块构成一个收发信机。

在实际设计时，所有模块都可以集成到一个芯片当中，也可以把网络控制模块和中心控制模块等软件协议部分做到一个芯片中，而多个射频收发模块可以用多个芯片或一个芯片实现，并且，图6所示设备中，每一个网络控制模块和对应连接的射频收发模块可以利用一个芯片实现。

本发明提供两种多收发信机设备的通信控制协议，下面分两部分进行说明。

第一部分、第一种控制协议

第一种控制协议的协议栈模型如图8所示，假设包括m个收发信机，每个收发信机包括射频收发模块和网络控制模块，实现了物理层、数据链路层和网络层协议，所有收发信机共用高层协议，这里高层协议是网络层以上所有协议栈的统称。在这种协议下，每一个收发信机可以单独建立或加入一个PAN，与外部设备进行独立通信，但是每个收发信机只能属于一个PAN，当可多收发信机设备的应用层数据速率过高时，设备高层调用多个收发信机并行发送数据。

下面说明采用第一种控制协议时的工作过程，本发明的多收发信机设备PAN的工作过程，包括PAN建立、设备加入或离开PAN、设备跟设备通信的过程。

如图9所示，图9为包括本发明所述多收发信机的网络结构示意图，包括6个多收发信机和3个单收发信机，图中每个黑圈(实心圈)和白圈(空心圈)都表示一个收发信机，有的黑圈和白圈画在一起，并且在外面有一圈虚线的圈，表示这是一个多收发信机的设备，包含有多个收发信机，两个圈之间有连线表明它们能够直接通信，两个多收发信机设备之间有多条连线表示它们有多个收发信机的连接。

无论是单收发信机设备还是多收发信机设备都可以建立或独立选择加入PAN，每个收发信机只能属于一个PAN，仍以图9为例说明，假设多收发信机N5的两个收发信机分别建立了一个PAN，N6建立一个PAN，多收发信机N3、N7中的两个收发信机分别选择N5中的一个收发信机作为父设备加入对应的PAN，单收发信机N1和N8分别选择N3和N7中的一个收发信机作为父设备加入对应的PAN，多收发信机N2、N6中的一个收发信机也加入到N6建立的PAN，并通过一个单收发信机N4连接。下面分别详细说明工作原理：

1、PAN的建立

单收发信机设备和多收发信机设备建立PAN的基本过程类似，不同的是多收发信机设备需要建立多个PAN，每个收发信机建立一个PAN，并且采用不同的网络层网络标识号和地址。

2、PAN的加入

设备选择一个父设备加入PAN，连接的过程和常规的单收发信机设备组成的PAN类似，不过可以允许两个设备之间有多个收发信机进行连接，因此设备需要知道是哪一个收发信机和对方建立连接的，把自己的收发信机端口号记录下来，放在高层协议的数据结构如端口号表当中，查端口号表可以知道跟同一个设备有多少个收发信机的连接。设备加入PAN之后，它的每个收发信机都能获得一个网络标识和网络地址。

3、PAN的离开

离开PAN的过程和单收发信机设备组成的PAN类似，只是多收发信机设备的每个收发信机可以不同时离开某个PAN，已经离开的收发信机不参与通信。

4、多收发信机设备N3和N5之间的通信过程

假设是N3向N5发送数据，具体包括如下步骤：

(1)N3首先跟N5建立连接，包括直接连接或者经过一个或多个路由器转发的多跳连接，N3的多个收发信机与N5的多个收发信机的连接是通过不同的信道进行的，就是说N3和N5的每个收发信机都工作在不同的信道上，而N3和N5的一对相连接的收发信机是在一个信道上建立的连接，另一对连接则是在另一个信道上建立的连接。连接建立后，N3把连接的数目以及所连接的收发信机的地址记录下来，其中N5的各收发信机的网络地址记录在N3的对应的各收发信机的路由表当中；

(2)如果N3想跟N5进行通信，N3的高层协议(放在中心控制模块)根据数据的速率判断是否需要对数据进行分片，分片的操作是把一个高速的数据流分成几个低速的数据流，低速数据流的数据速率不高于单收发信机的数据速率。如果数据速率不高于单收发信机的峰值速率，不需要分片，N3的高层选择一个收发信机把数据传到网络层(即从中心控制传到网络控制模块)，然后按照常规的单收发信机的通信方式进行通信；如果数据速率高于单收发信机的峰值速率，N3通过查询所记录的与N5连接的信息，知道与N5有几个收发信机是相连的，即可以同时建立几个连接，然后判断分片后的数据流是否仍高于单收发信机的峰值速率，如果仍高于，则给出一个因速率太高超出传输能力出错的信息，如果分片后数据流速率低于单收发信机的峰值速率，就把数据流进行分片，为了方便在接收端按序重组信息，每个分片都编上序号；

(3)分片后的数据流分别送到各收发信机上面按照常规单收发信机的方式进行发送(即从中心控制传到网络控制模块)，如图9当中，实际有两个PAN参与数据的传输；

(4)N5的各收发信机按照常规单收发信机的方式进行接收，把各分片信息传到高层协议模块进行处理(即从网络控制模块传到中心控制模块)；

(5)N5的中心控制模块根据各分片信息的序号把它们按序组合成高速的数据流，再进行常规的处理。

为了更好地说明工作过程，下面以实施例一进行详细说明：

如图10所示，A有两个收发信机A1和A2，A的高层指示建立PAN，于是A1和A2各自扫描信道，分别选择一个信道进行工作，A1和A2的网络层各自确定自己的网络标识和地址，A1是1:0，A2是2:0，这里冒号前面的数字表示网络标识，后面的数字表示网络地址。对A来说，它拥有两个工作信道，同时属于两个PAN，但对每一个收发信机只有一个工作信道，只属于一个PAN。

多收发信机B加入A建立的两个PAN时，B有两个收发信机B1和B2，它们各自扫描信道，分别在A1和A2工作的信道上接收到A1和A2发出的数据，从而知道PAN1和PAN2的存在，B1和B2想加入PAN1和PAN2，分别向A1和A2发出请求。A1和A2通知A的高层，A同意后给B分配地址，其中A1的网络层负责给B1分配地址，A2的网络层负责给B2分配地址，然后A1和A2分别把B1和B2的地址记录在各自路由表当中，A的高层记录跟B连接的A1和A2两个端口号，然后A1和A2都作出应答，在应答当中指定B1和B2的地址以及一些通信参数。B1和B2收到应答后记录通信参数，并各自添加路由表项，因为从B1和B2两个端口都收到A的应答，因此知道跟A有两个连接，从而通知高层记录下跟A连接的两个端口号B1和B2。

单收发信机设备C加入PAN时，C只跟A的A1收发信机进行通信，其过程跟单收发信机加入设备的过程一样。

多收发信机D、E加入PAN的方法和过程跟B类似，注意E的两个收发信机的网络地址并不相同，但这并不妨碍正常的工作，因为虽然两个收发信机是属于同一设备，但它们是属于不同的PAN，两个PAN在网络层以下的工作是独立的。而网络地址是用来路由寻址的，两个收发信机的地址不同并不妨碍这一功能，只要有地址存在就行了。

当E要离开网络，于是通过E1和E2向父设备A的收发信机A1和A2发出请求，A1和A2接收后传到A的高层，A同意之后给出应答，同时A1和A2各自删除在路由表当中记录的E1和E2的地址项，E1和E2也删除自身路由表当中记录的A1和A2地址项，断开与A1和A2的连接，这样E就跟A断开连接了，E的高层也可以选择E1或E2单独离开A。

如图11所示，为多收发信机A和D之间通信的过程，图中假设每个设备的分层结构是物理层、数据链路层、网络层和应用层，虚线箭头表示设备内部的数据流向，实线箭头表示设备间的数据流向，中间的B只画出低三层，因为它的应用层不参与A跟D通信的过程。

A端发送数据包的处理过程具体包括如下步骤：

1、A的应用层产生高速的数据，经过判断认为数据速率比较高，查询端口号表，发现跟D有两个收发信机的连接，所以可以分成两段低速数据流，经过计算，分片后的速率在收发信机的能力范围内，于是把数据分成两个包分片，各自加上包头后传到A1和A2的网络层，包头当中记录了包分片标识、包分片的序号和包分片的总数目；

2、A1和A2的网络层各自查询路由表，下一跳地址分别是d＝1:1的B1和d＝2:1的B2设备，再各自加上网络层包头后分别传到A1和A2的数据链路层；

3、A1和A2的数据链路层各自加上自己的包头再传到物理层；

4、A1和A2的物理层各自进行处理后把数据发送出去。

每一个包分片分别经过A和B收发信机对建立的信道到达B，B端转发数据包的处理过程具体包括如下步骤：

5、B1和B2的物理层分别接收到A1和A2发来的数据，各自处理后传到数据链路层；

6、B1和B2的数据链路层分别处理后传到网络层；

7、B1和B2的网络层分别查各自的路由表得知下一跳地址是地址d＝1:2的D1和d＝2:2的D2，于是分别换成新的网络层包头后传给对应的数据链路层；

8、B1和B2的数据链路层分别处理后再传给对应的物理层；

9、B1和B2的物理层各自处理后又把数据发送出去。

每一个包分片分别经过B和D之间的收发信机对建立的信道到达D，D端接收数据包的处理过程具体包括如下步骤：

10、D1和D2的物理层各自收到B1和B2发送的包分片，并处理后交给对应的数据链路层；

11、D1和D2的数据链路层处理后交给对应的网络层；

12、D1和D2的网络层发现目的地址就是自己，于是再传给应用层；

13、D的应用层根据包分片标识发现数据包是分片的，于是等到两个包分片都接收到后，按照序号把它们重新组织成一个高速的数据流，再按照常规的方法处理得到A的应用层发送的数据，这样就完成了从A到D的一次通信。

第二部分、第二种通信控制协议

如图12所示，为第二种控制协议的协议栈模型，仍假设包括m个收发信机，每个收发信机包括射频收发模块和网络控制模块，同一设备的所有收发信机共用网络层和更高层协议，本发明所述的更高层协议是指网络层以上所有协议栈的通称。在这种协议控制下，一个多收发信机设备只能建立一个PAN，网络层根据每一个收发信机的端口号协调各收发信机工作。

如图13所示，为包括本发明所述多收发信机的网络结构示意图，图中每个黑圈(实心圈)和白圈(空心圈)都表示一个收发信机，有的黑圈和白圈画在一起，并且在外面有一圈虚线的圈，表示这是一个多收发信机设备，包含有多个收发信机，两个圈之间有连线表明它们能够直接通信，两个多收发信机设备之间有多条连线表示它们有多个收发信机的连接。与第一种控制协议不同，每一个多收发信机设备只能建立一个PAN，其他多收发信机设备中的每一个收发信机可以选择其中的一个收发信机作为父设备加入，当然，多收发信机设备中的每一个收发信机也可以选择其他单收发信机建立的PAN，但是并行发送包分片的两个设备加入的PAN一定由一个多收发信机设备建立。下面分别详细说明工作原理：

1、多收发信机设备建立PAN

一个设备多收发信机仍然建立一个PAN，其基本过程类似，多收发信机设备所建立的PAN的网络层允许有多个信道，分别由多个收发信机采用，但是由于共用网络层，网络标识号和地址是相同的。为了区分不同的收发信机，在网络层当中用端口号标识设备不同的收发信机。

2、多收发信机设备加入PAN

多收发信机设备选择一个父设备加入PAN，连接的过程和单收发信机的方法基本相同，不过可以允许两个设备之间有多个收发信机进行连接，因此设备需要知道是哪一个收发信机和对方建立连接的，把自己的收发信机端口号记录下来，同时允许路由表当中有多项的目的地址相同(端口号不同)，表示跟同一个设备有多个收发信机的连接。

3、多收发信机设备离开PAN

多收发信机设备离开PAN的过程和单收发信机设备组成的PAN类似，只是多收发信机设备的每个收发信机可以不同时离开某个PAN，已经离开的收发信机不参与通信。

4、多收发信机设备之间的通信

仍参阅图13所示，以多收发信机设备N3和N5之间的通信过程为例，假设是N3向N5发送数据，具体包括如下步骤：

(1)N3首先跟N5建立连接，包括直接连接或者经过一个或多个路由器转发的多跳连接，N3的多个收发信机通过不同的信道与N5的多个收发信机连接，就是说N3和N5的每个收发信机都工作在不同的信道上，而N3和N5的一对相连接的收发信机是在一个信道上建立的连接，另一对连接则是在另一个信道上建立的连接。连接建立后，N3把N5的地址记录下来，如果有多个收发信机的连接就有多项记录；

(2)如果N3想跟N5进行通信，N3的高层协议(放在中心控制模块)根据数据的速率判断是否需要对数据进行分片，分片的操作是把一个高速的数据流分成几个低速的数据流，低速数据流的数据速率不高于单收发信机的数据速率。如果数据速率不高于单收发信机的峰值速率，不需要分片，N3的网络层选择一个收发信机把数据传到它的数据链路层，然后按照常规的单收发信机的通信方式进行通信；如果数据速率高于单收发信机的峰值速率，N3在网络层通过查询所记录的与N5连接的项的数目，知道与N5有几个收发信机是相连的，即同时可以建立几个连接，然后判断分片后的数据流是否仍高于单收发信机的峰值速率，如果仍高于，则给出一个因速率太高而超出传输能力出错的信息，如果分片后数据流速率低于单收发信机的峰值速率，就把数据流进行分片，为了方便在接收端按序重组信息，每个分片都编上序号；

(3)分片后的数据流分别送到各收发信机上面按照常规单收发信机的方式进行发送；

(4)N5的各收发信机按照常规单收发信机的方式进行接收，把各分片信息传到中心控制模块的网络层协议进行处理。(5)N5的中心控制模块的网络层根据各分片信息的序号把它们按序组合成高速的数据流，再进行常规的处理。

为了更好地说明工作过程，下面以实施例二详细说明：

如图14所示，A有两个收发信机A1和A2，A的高层指示建立PAN，于是A1和A2各自扫描信道，分别选择一个信道进行工作，A的高层把自己的地址设为d＝0。对A来说，它拥有两个工作信道，但对每一个收发信机A1和A2都只有一个工作信道。

多收发信机设备B有两个收发信机B1和B2，它们各自扫描信道，分别在A1和A2工作的信道上接收到A1和A2发出的数据，从而知道PAN的存在，B想加入PAN，通过B1和B2向A1和A2发出请求，A1和A2通知A的高层，A同意后给B分配地址，把B的地址记录在路由表当中，因为从A1和A2两个端口都有请求，因此路由表当中有两个目的地址是B的项，然后分别通过A1和A2作出应答，在应答当中指定B的地址和一些通信参数。B收到应答后记录通信参数，并添加路由表项，因为从B1和B2两个端口都收到应答，因此路由表有两个目的地址是A的项。

单收发信机设备C加入PAN时，C只跟A的A1收发信机进行通信，其过程跟单收发信机加入设备的过程一样。

多收发信机设备E如果要离开网络，于是通过E1和E2向父设备A的收发信机A1和A2发出请求，A1和A2接收后传到A的高层，A同意之后给出应答，同时删除在路由表当中记录的E的两个地址项，E也删除自身路由表当中记录的A的两个地址项，断开与A的A1和A2的连接，E的更高层可以选择A1或A2断开与A的连接。

如图15所示，为多收发信机A和D之间通信的过程，假设每个设备的分层结构是物理层、数据链路层、网络层和应用层，虚线箭头表示设备内部的数据流向，实线箭头表示设备间的数据流向，因为其中间B的应用层不参与A跟D通信的过程，因此B只画出底三层。

A端发送数据的处理流程具体包括如下步骤：

1、A的应用层产生高速的数据，加上包头后传到网络层；

2、A的网络层认为数据速率比较高，需要进行分片，查询路由表，发现目的地址是D的有两项，下一跳地址都是d＝1的B设备，但端口号分别是A1和A2，所以可以分成两段低速数据流，经过计算，分片后的速率在收发信机的能力范围内，于是网络层对数据进行分片，得到两个数据包，各自加上网络层包头后分别传到A1和A2的数据链路层，包头当中记录了数据包的编号和总的数据包的数目；

3、A1和A2的数据链路层各自加上自己的包头再传到物理层；

4、A1和A2的物理层各自进行处理后把数据发送出去。

B端转发数据的处理过程包括如下步骤：

5、B1和B2的物理层分别接收到A1和A2发来的数据，各自处理后传到对应的数据链路层；

6、B1和B2的数据链路层处理后传到B的网络层；

7、因为是从不同端口来的数据，所以网络层认为是两份不同的数据，分别查路由表得知下一跳地址是地址d＝2的D，于是分别换成新的网络层包头后传给B1和B2的数据链路层；

8、B1和B2的数据链路层处理后再传给对应的物理层；

9、B1和B2的物理层各自处理后又把数据发送出去。

D端接收数据的处理过程包括如下步骤：

10、D1和D2的物理层各自收到B1和B2的数据，并处理后交给对应的数据链路层；

11、D1和D2的数据链路层处理后交给D的网络层；

12、D的网络层发现目的地址就是自己，但是发现数据包是分片的，于是等到两个数据包都接收到，然后按照序号把它们重新组织成一个高速的数据流，再传给应用层；

13、D的应用层按照常规的方法处理得到A的应用层要发送的数据，这样就完成了从A到D的一次通信。

上述两个实施例中，数据分片的具体方式很多，最简单的方式是平均分配，由于收发信机的连接代价不同，很多具体场景下，平均分配并不能获得最佳的传输速率，因此那在分割包分片的长度时，根据不同连接代价可以达到最佳的效果。

如图14所示，A发送数据到D，假设每个收发信机的发送速率是1000kb/s，A查询记录连接信息的数据结构，如端口号表，发现跟D有两个连接，分别是A1->D1，代价是32，以及A2->D2，代价是64。如果要发送的数据速率小于2000kb/s，则认为可以分片发送，通过连接代价计算得出分配的分片大小是64∶32＝2∶1，于是如果发送数据速率小于(2+1)/2*1000＝1500(kb/s)，都可以达到最优分片，如果速率在1500kb/s和2000kb/s之间，不能达到最优分片，比如1800kb/s，那么分配的分片大小是5∶4，即实际发送的分片速率是1000kb/s∶800kb/s。(这里A2的实际发送速率是800kb/s不是指它改变发送速率，它还是按1000kb/s的速率发送，只是可能因为分片长度小，所以当A1还在发的时候它就已经不发了)。

一般来说，设有n条连接，代价之比是x1∶x2∶...∶xn，最高速率是Vm，数据速率是Vd，那么如果Vd＞Vm*n，则超出发射机能力，如果：

Vm*n＞＝Vd＞[(1/x1+1/x2+...+1/xn)/MAX(1/x1，1/x2，...，1/xn)]*Vm

其中，MAX(1/x1，1/x2，...，1/xn)1/x1，1/x2，...，1/xn)表示其中的最大值，那么不能达到最优分片，采用这种方法进行分片时，先给代价最低的分最大分片(即不超出发射机最高速率)，然后不考虑已分得分片的收发信机，剩余的分片如果能用最优分片则用最优分片，否则再给剩下的代价最低的分最大分片，如此直到把分片分完，比如x1∶x2∶x3＝1∶2∶2，Vm＝1000，Vd＝2200，那么能用最优分片的速率必须小于(1/1+1/2+1/2)/1*1000＝2000＜2200，所以先给x1分相当于1000速率的分片，剩下的1200按2∶2的比例分给x2和x3，即相当于600的速率，所以最后分片的比例变成1000∶600∶600；如果Vd＜(1/x1+1/x2+...+1/xn)/MAX(1/x1，1/x2，...，1/xn)]*Vm，则肯定可以按最优分片，按照1/x1∶1/x2∶...∶1/xn的比例分片就可以了。

连接代价可以通过两种方法获得，一种方法是在路由建立的同时获得。比如A要建立到D的路由，它通过路由发现的方法(这方面现有技术很多)得到D的路由，并且包含有路由代价信息，网络层各自把路由代价告诉高层，高层把路由代价作为连接的代价；另一种方法是通过发送测试连接命令来获得，比如A同时通过多条连接向D发送测试的数据，比如说10帧数据，并各自等待100ms，如果超时没收到D的确认就认为时延为200，否则计算实际时延，结果A1和A2的平均时延是20ms和10ms，于是代价分别为20和10。

实际中，可以从A和D之间有N条连接，而其中的M条就可以满足发送速率要求时，有两种处理方法可供选择，其一是利用所有连接并行发送，此方法可以获得最快的发送速率；另一种是选择其中可以满足发送速率的M条，并且该M条根据代价最小原则选择，这种方法可以预留一部分资源。

以上实施例以多收发信机都包括两个收发信机为例，但是所有工作过程的控制原理适用于包括任意多个收发信机的多收发信机设备。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (20)

1、一种数据包交互方法，所述数据包的发送设备或接收设备分别包括至少两个收发信机，所述的数据包交互方法包括如下步骤：

A、发送设备将数据包分割为复数个包分片，并在所述包分片的包头中设置分片序号后分别通过复数个收发信机并行发送；

B、接收设备通过分别对应连接的复数个收发信机并行接收所述复数个包分片，并根据所述分片序号重组所述数据包。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤A之前还包括：

A01、发送设备判断一个收发信机的峰值速率是否等于或高于所述数据包的目标发送速率，如果是转入步骤C；否则继续步骤A02；

A02、发送设备确定连接接收设备的收发信机个数，并判断一个收发信机的峰值速率与所述个数的乘积是否等于或高于所述目标发送速率，如果是则将所述个数作为所述复数的值并执行步骤A；否则转入步骤D；或者，

发送设备确定与一个收发信机峰值速率的乘积等于或高于所述目标发送速率的最小倍数，并判断连接接收设备的收发信机的个数是否等于或大于所述最小倍数；如果是则将所述最小倍数作为所述复数的值并执行步骤A；否则转入步骤D；以及

所述步骤B之后还包括：

C、发送设备和接收设备之间通过一对收发信机收发所述数据包；

D、发送设备通知接收设备因所述目标速率过高而无法发送所述数据包。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述复数个包分片的长度相等；或者，每一个包分片的长度和对应收发该包分片的收发信机对的连接代价成反比。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的连接代价：

根据对应连接的收发信机对的路由代价确定，所述路由代价在收发信机对建立连接的过程中，双方分别从交互的路由信息中获取；或者

根据对应的收发信机对之间连接测试命令的应答时延和/或应答丢失情况确定。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，当连接接收设备的收发信机的个数大于所述最小倍数时，所述步骤A02中还包括：发送设备根据所述连接代价从小到大的顺序依次选择所述复数个收发信机。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，每一对对应连接的收发信机对分别归属于复数个个人域网络中的一个。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述复数个个人域网络中，创建每一个个人域网络的收发信机分别位于单收发信机设备和/或多收发信机设备上。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，位于多收发信机设备上的一个收发信机创建一个个人域网络的过程包括如下步骤：

多收发信机设备启动该收发信机创建个人域网络；

该收发信机选择工作信道进行工作，并确定个人域网络地址；

多收发信机设备记录该收发信机的网络地址。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述发送设备和接收设备中，每一对对应连接的收发信机对实现连接的过程为：

一方创建一个个人域网络，另一方加入该个人域网络后实现连接；或者其他设备上的收发信机创建一个个人域网络，双方分别加入到该个人域网络后实现连接；然后

双方交互网络地址和路由信息，并各自保存本收发信机的路由信息。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，当创建一个个人域网络的收发信机位于多收发信机设备上时，其他收发信机加入该个人域网络的过程包括如下步骤：

加入方收发信机在创建方收发信机的工作信道上扫描到该个人域网络后，向创建方收发信机请求加入；

创建方收发信机经所在多收发信机设备批准后分配网络地址并发送给请求加入的收发信机。

11、如权利要求1所述的方法，其特征在于，分别对应连接的复数个收发信机对归属于一个个人域网络，该个人域网络由一个至少包括复数个收发信机的多收发信机设备建立，建立过程包括如下步骤：

多收发信机设备启动建立个人域网络，每一个收发信机分别选择一个工作信道进行工作；

多收发信机设备确定该个人域网络的网络地址。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述发送设备和接收设备中，每一对对应连接的收发信机对实现连接的过程为：

其中一方创建一个个人域网络，另一方的每一个收发信机分别加入该个人域网络并对应连接创建方的一个收发信机；或者，其他多收发信机设备创建一个个人域网络，双方的每一个收发信机分别加入该个人域网络并分别连接到创建方的一个收发信机上；然后

双方交互网络地址和路由信息，并由所在设备统一保存所有的路由信息。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，当多收发信机设备加入由多收发信机设备所创建的个人域网络时，具体包括如下步骤：

加入方收发信机分别在每一个创建方收发信机工作的信道上扫描到该个人域网络，并分别向对应的创建方收发信机请求加入；

创建方收发信机分别经所在多收发信机设备批准后为加入方收发信机分配网络地址并发送给请求加入的收发信机。

14、如权利要求9-13任意之一所述的方法，其特征在于，多收发信机设备上的每一个收发信机独立选择离开当前加入的个人域网络。

15、如权利要求9或12所述的方法，其特征在于，发送设备根据本地的所有路由信息确定连接接收设备的收发信机的个数。

16、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包分片的包头中还设置有分片标识信息和/分片总数。

17、一种个人域网络通信设备，包括控制模块，其特征在于，所述通信设备还包括：并行设置的两个或两个以上射频收发模块，分别连接所述控制模块，并在所述控制模块的控制下实现个人域网络通信。

18、如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述控制模块包括：

中心控制模块，用于控制所述两个或两个以上射频收发模块协调工作；和网络控制模块，连接在中心控制模块和射频收发模块之间，用于控制每一个射频收发模块实现个人域网络通信。

19、如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述网络控制模块为并行设置的两个或两个以上，分别连接在中心控制模块和每一个射频收发模块之间。

20、如权利要求17、18或19任意之一所述的设备，其特征在于，所述射频收发模块包括：基带处理单元、射频处理单元和天线。

Images