TWI638551B - 無線通訊系統及相關的無線通訊方法及無線裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種用於一競爭協定下的無線通訊系統，其包含了一無線存取點以及至少一站台，其中該站台係用來在該競爭協定下與該無線存取點進行無線通訊。在該無線通訊系統的操作中，該無線存取點會廣播一輪詢使用序列以指派一時槽給該站台，且該站台接著使用被指派的該時槽來傳送一資料封包至該無線存取點。

Description

無線通訊系統及相關的無線通訊方法及無線裝置

本發明係有關於無線通訊系統，尤指一種無線通訊系統中一無線存取點與一或多個站台之間的無線通訊方法。

目前已有許多有線以及無線網路係使用分佈式通道存取（distributed channel access）架構來達到多重存取。在一典型的例子中，諸如各種IEEE 802.11 的協定下的裝置，該些裝置可將存取分享至無線媒介（medium），以及在需要進行傳送的時候，會獨立地選擇數個可進行傳送的（transmission-available）時槽（time slot）（或稱退避時間（backoff），亦可理解為用來進行倒數的時間），以在嘗試傳送一封包之前進行延遲。每一個新的封包皆會選取一新的退避時間，而所選取的新退避時間係為隨機或是偽隨機地（pseudo-randomly）選自該協定所決定出的一組可能的退避時間。不同的裝置通常會選擇不同的退避時間（因為每一傳送器的退避時間係被獨立地選擇），之後該些裝置將不會於相同的時間進行傳送。如此一來，該協定可允許採用相同的底層協定（underlying protocol）的不同裝置分別在不同時間進行傳送，而不需要再額外的使用任何協商或仲裁訊息的序列（explicit sequence of negotiation or arbitration messages）來進行溝通。以上係為一“分佈式”通道存取架構。

然而，若是兩個或兩個以上的裝置選擇了相同的退避時間值（backoff value），在此情況下，將會發生碰撞（collision）的情形。

為了使上述分佈式座標系統能夠有效率地運作，可供選擇之退避時槽（available backoff slot）的數量必須比需要在給定時間進行傳送的不同裝置的數量更多。首先，可供選擇的退避時槽的數量至少要相等於需要在給定時間進行傳送的不同裝置的數量，每一裝置才能選擇到不同的退避時槽；再者，若要進行傳送的裝置的數量很多，而退避時槽的數量僅僅稍微超出裝置的數量，在此情況下也難以有令人滿意的結果。

當有重疊的無線網路存在時(亦即，IEEE 802.11所提及的術語：重疊基本服務集(Overlapping Basic Service Sets，OBSSs))，一個裝置或許會因為不同的無線網路之間的傳輸而判斷無線傳輸媒介是忙碌的，而此裝置，後續稱為“站台(station)”，可能會因為鄰近之重疊基本服務集的繁忙溝通傳輸，而被大幅地限制透過退避協定(backoff protocol)存取無線媒介的能力。

在許多的無線通訊協定中，包含IEEE 802.11，接收端透過輪詢機制獲取無線媒介的存取是可行的，而這個接收端(例如，中央控制器或是無線存取點)會傳送一個封包以保留無線媒介一段足夠的時間(至少讓其他裝置能夠接收並理解到該接收端的訊息)，以供站台開始傳輸其資料。然而，這個方法增加了協定的負擔，且這個負擔會和網路媒介的繁忙程度以及鄰近之想要傳輸資料的站台數量有關，此外，即使這些站台自接收端收到了輪詢訊息，萬一這些站台判斷該無線媒介仍然處於繁忙狀態時，則站台也無法開始進行資料傳輸。因此，為了達成一個成功的輪詢訊息，接收端發送輪詢訊息的時間點必需是站台在判斷無線媒介是閒置狀態時所進行回覆的時間。然而，一般來說，由於隱藏節點(hidden node)的問題，接收端並無法得知站台對於無線媒介是否忙碌的判斷結果，因此在一個成功的輪詢之前可能會有一些失敗的輪詢產生。舉例來說，在一個非常繁忙的環境中，站台可能只有百分之十的時間可以看到無線媒介是處於閒置狀態，而接收端也只有在這百分之十的時間才可以成功的輪詢，因此會嚴重地造成協定的負擔。

因此，本發明地目的之一在於提供一種無線通訊系統之一無線存取點與一站台之間的一操作協定及/或一存取方法，其可以在有重疊無線網路及隱藏節點的情形下允許更高的裝置輪詢效率，以解決上述的問題。

在本發明的一個實施例中，揭露了一種用於一競爭協定下之一無線裝置的無線通訊方法，其包含了以下步驟：無線接收一輪詢使用序列，其中該輪詢使用序列指派一時槽給該無線裝置；以及使用被指派的該時槽以傳輸一資料封包至一無線存取點。

在本發明的另一個實施例中，一種應用於競爭協定下的無線通訊裝置包含了一接收電路以無線接收一輪詢使用序列，其中該輪詢使用序列指派一時槽給該無線裝置；以及一傳送電路，使用被指派的該時槽以傳輸一資料封包至一無線存取點。

請參考第1圖，其為根據本發明一實施例之無線通訊系統100的示意圖。如第1圖所示，無線通訊系統100包含一無線存取點(Access Point，AP)110及多個無線裝置，其中該多個無線裝置在後續被稱為站台(station)STA1~STAn。在本實施例中，無線存取點110係透過無線的方式連接到站台STA1~STAn，且允許站台STA1～STAn透過無線保真（wireless fidelity，Wi-Fi）或是其他相關規範來無線連接至一有線網路。此外，站台STA1～STAn可以是任何用戶端裝置，例如筆記型電腦、桌上型電腦、智慧型手機、平板電腦，或任何其它能夠無線連接於無線存取點110的電子裝置。換言之，該站台STA1～STAn具有一接收電路以及一傳送電路，其中該接收電路用以接收來自該無線存取點110的封包；該傳送電路用以傳送一傳送封包給該無線存取點110。由於該接收電路與該傳送電路在本技術領域為習知，故省略較詳細說明。

請參考第2圖，其為根據本發明一實施例之無線存取點110與多個站台STA1~STAn之間的通訊的時序圖，而在本實施例中係假設無線存取點110與多個站台STA1~STAn之間已經建立了連結。參考第2圖，無線存取點100主動地廣播一輪詢使用序列以用來指派時槽給至少一部份的站台STA1~STAn，其中該輪詢使用序列包含了一媒體存取控制(Media Access Control，MAC)位址序列以及一指定的持續時間。在本實施例中，該指定的持續時間係被保留以供無線存取點110與多個站台STA1~STAn之間的資料傳輸使用，且該媒體存取控制位址序列的序列編號則分別作為多個站台STA1~STAn之指派時槽，舉例來說，以下的表格1繪示了本發明一實施例之媒體存取控制位址序列及相對應的時槽及站台的示意圖。 表格1

無線存取點110所廣播的輪詢使用序列僅包含了上述表格1中所示的“序列編號”以及“媒體存取控制位址”，而當站台STA1~STAn接收到輪詢使用序列時，每一個站台會判斷自己的媒體存取控制位址是否有出現在輪詢使用序列之中，且只有媒體存取控制位址出現在輪詢使用序列中的站台才被允許傳送資料封包至無線存取點110。在表格1所示的實施例中，站台STA2、STA3、STA1分別對應到具有序列編號1~3的媒體存取控制位址，因此站台STA2、STA3、STA1分別被指派具有時槽#1、#2、#3，而其他未出現在輪詢使用序列中的站台則不被允許在該指定的持續時間內傳送資料封包給無線存取點110。

在一實施例中，以上所提到的時槽是由無線存取點110所決定與指派的，且所有的站台STA1~STAn均不涉及到時槽的決定。此外，以上所提到的時槽#1、#2、#3並非是作為發明的限制，在其他實施例中，站台STA2、STA3、STA1所被指派的時槽可以是#1、#3、#5，或是任何其他相對來說具有很小間隔的數值。

在站台STA1~STA3接收到輪詢使用序列之後，每一個站台直接使用被指派的時槽來傳送資料封包至無線存取點110。舉例來說，由於站台STA2具有被指派的時槽#1，因此站台STA2直接使用時槽#1來傳送資料封包至無線存取點110，亦即當站台STA2中的一個退避計數器(backoff counter)由“1”倒數至“0”的時候(同時，站台STA3的退避計數器(backoff counter)由“2”倒數至“1”；以及STA1中的一個退避計數器(backoff counter)由“3”倒數至“2”)，站台STA2便會開始傳送資料封包；接著，在接收到站台STA2所傳送來的資料封包之後，若在操作的確認政策有需要，無線存取點110便會回覆一個確認訊息(acknowledgement，ACK)。接著，由於站台STA3具有被指派的時槽#2，因此站台STA3直接使用時槽#2來傳送資料封包至無線存取點110，亦即當站台STA3中的一個退避計數器(backoff counter)倒數至“0”的時候(同時，STA1中的一個退避計數器(backoff counter)由“2”倒數至“1”)，站台STA3便會開始傳送資料封包；而在接收到站台STA3所傳送來的資料封包之後，無線存取點110便會回覆一個確認訊息。類似地，由於站台STA1具有被指派的時槽#3，因此站台STA1直接使用時槽#3來傳送資料封包至無線存取點110，亦即當站台STA1中的一個退避計數器(backoff counter)倒數至“0”的時候，站台STA1便會開始傳送資料封包；而在接收到站台STA1所傳送來的資料封包之後，無線存取點110便會回覆一個確認訊息。

站台STA2、STA3、STA1所傳送的資料封包可以是一個完整的資料封包或是由管理訊框所提供之具有管理資料的封包。

此外，當一個站台(例如，站台STA2)傳送封包的時候，位於站台STA2之後的其他所有站台會解碼站台STA2之封包的封包持續時間字段（packet duration field）並且暫停其時間倒數，亦即站台STA1、STA3在這段時間不會進行退避時槽的倒數。

需注意的是，當已經到達被指派之時槽的時間點且站台有資格傳送資料封包時，站台會判斷目前的無線媒介是否處於繁忙狀態(亦即，無線媒介是否被其他的裝置占用著)，且站台只有在無線媒介不繁忙的時候(閒置)才會傳送資料封包至無線存取點110。此外，當無線媒介繁忙時，站台並不會傳送資料封包至無線存取點110，且直到無線存取點110廣播下一個輪詢使用序列以指派其他的時槽之前，此站台均沒有資格傳送資料封包，亦即此站台在目前之指定的持續時間內均不會傳送資料封包。

在此以及通篇發明說明中，“時槽”可看作為“可得的（available）退避時槽”。常見的無線協定中（包括IEEE 802.11在內），在退避時槽之前會先設置具有額外的幀間空間（inter-frame-space）以作長度的變化，進而改善一些操作，諸如空閒通道評估（clear-channel-assessment，CCA）、傳送器對接收器（transmitter-to-receiver）以及接收器對傳送器（receiver-to-transmitter）的週轉時間（turnaround time），以及其他的操作。經過適當地調整持續時間，這些操作亦可與本發明結合以增加實用性。

請參考第3圖，其為根據本發明另一實施例之無線存取點110與多個站台STA1~STAn之間的通訊的時序圖，而在本實施例中係假設無線存取點110與多個站台STA1~STAn之間已經建立了連結。參考第3圖，無線存取點100主動地廣播一輪詢使用序列以用來指派時槽給至少一部份的站台STA1~STAn，其中該輪詢使用序列包含了一媒體存取控制位址序列以及一指定的持續時間。類似第2圖所示的實施例，媒體存取控制位址的序列編號則分別作為一部分之站台STA1~STAn之指派時槽。

在第3圖所示的實施例中，站台SAT2具有一指派時槽，且當到達該指派時槽的時間點且站台SAT2有資格傳送資料封包時，站台STA2會透過發送一個保留封包(reservation packet)來保留一段持續時間，且站台STA2僅使用所保留之持續時間的一部份來傳送資料封包至無線存取點110。在資料封包傳送結束，且站台STA2收到來自無線存取點110的一確認訊息之後，站台STA2另外廣播一個輪詢序列至一部份其他的站台，例如第3圖所示的站台STA3，以告知現在可以允許與無線存取點110進行資料傳輸，其中站台STA2所廣播的該輪詢序列包含了站台STA3所對應到的媒體存取控制位址及/或一指派時槽。而在接收到該輪詢序列之後，站台STA3可以利用站台STA2所保留之持續時間的剩餘部分來傳送資料封包至無線存取點110，且當無線存取點110接收到資料封包之後，便會回覆一個確認訊息。

在上述的實施例中，如果站台STA2可以與另一個無線裝置進行溝通聯繫，但是該另一個無線裝置與無線存取點110互相為隱藏節點(亦即，該另一個無線裝置與無線存取點110無法聽到或是聯繫到對方)時，該另一個無線裝置傳送資料封包至站台STA2的時間點可能會與站台STA2傳送資料封包至無線存取點110的時間重疊，因而造成碰撞(collision)的問題。為了避免碰撞事件的發生，當到達指派時槽的時間點且一站台有資格傳送資料封包時，該站台會廣播一個允許傳送（clear to send，CTS）封包以告知其他的無線裝置(亦即，無線存取點110的隱藏節點)目前的無線媒介在所保留的持續時間內已經被使用/佔據。詳細來說，請參考第4圖，當位於所指派的時槽時，站台STA2會發送一個允許傳送封包以保留一段持續時間，且在接收到來自無線存取點110的確認訊息之後，站台STA2開始傳送資料封包至無線存取點110。

透過使用第4圖所示的實施例，由於站台STA2在傳送資料封包至無線存取點110之前會先發送一個允許傳送封包(CTS)以通知其他的無線裝置(如，無線存取點110的隱藏節點)，因此，其他的無線裝置在所保留的持續時間內均不會發送資料封包至站台STA2，故可以避免隱藏節點問題所造成的碰撞事件發生。

第4圖所示的實施例可以被視為一個保護策略(隱藏節點保護策略)，第2圖及第3圖的實施例可視為省略此保護策略，且站台STA1~STAn可以根據來自無線存取點110的指示在這兩種模式之間切換。舉例來說，無線存取點110可以另外廣播一個保護策略訊息以指派一第一模式或是一第二模式，其中當該保護策略訊息指派該第一模式，且當到達指派時槽的時間點且一站台有資格傳送資料封包時，該站台會廣播一個允許傳送封包以保留一段持續時間，接著在接收到無線存取點110的確認訊息之後才會傳送資料封包至無線存取點110(例如，第4圖所示的實施例)。另一方面，當該保護策略訊息指派該第二模式，且當到達指派時槽的時間點且一站台有資格傳送資料封包時，該站台不會傳送允許傳送封包，而是直接傳送資料封包至無線存取點110(例如，第2圖所示的實施例)。

此外，當站台STA1~STAn採用不同模式時，其倒數時間是不同的。詳細來說，參考第5圖，如果不採用保護策略時，每一個倒數時間會對應到的單一個時槽；而如果採用保護策略時，對應到所指派之時槽的倒數時間會包含一允許傳送時間、一短幀間間隔(short inter-frame space，SIFS)以及一時槽時間。如此一來，所有的站台會被允許有一段適當的時間延遲。

在一實施例中，無線存取點110可以廣播一個封包以終止輪詢操作。舉第2圖為例子來說，在站台STA2完成資料傳送之後，無線存取點110可以發送一個封包至站台STA1、STA3以終止輪詢操作，亦即站台STA1、STA3將不會傳送資料封包至無線存取點110，直到接收到下一個輪詢使用序列為止。

此外，在廣播輪詢使用序列之前，無線存取點110可以判斷站台STA1~STAn是否支援本發明之實施例的協定內容。舉例來說，但並非是作為本發明的限制，每一個站台STA1~STAn在初始網路連結時會先發送一個訊息以告知所支援的協定；或是站台STA1~STAn的能力(所支援的協定)會搭配其他的協定內容；或是無線存取點110會和站台STA1~STAn交換管理訊框以詢問其是否有能力支援本發明實施例的協定；抑或是無線存取點110使用試誤法來推定站台STA1~STAn的能力。

簡要歸納，在本發明的實施例中，由於無線存取點會主動地發送輪詢使用序列以指派時槽給多個站台，且每一個站台也只會在被指派的時槽才會傳送資料封包給無線存取點，因此，可以降低協定負擔。此外，透過使用保護策略，本發明的實施例可以在具有重疊網路及隱藏節點的環境下允許更有效率的站台輪詢機制。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧無線通訊系統

110‧‧‧無限存取點

STA1~STAn‧‧‧站台

第1圖為根據本發明一實施例之無線網路系統的示意圖。 第2圖為根據本發明一實施例之無線存取點與多個站台之間的通訊的時序圖。 第3圖為根據本發明另一實施例之無線存取點與多個站台之間的通訊的時序圖。 第4圖為根據本發明另一實施例之無線存取點與多個站台之間的通訊的時序圖。 第5圖為根據本發明的一實施例的不同的時間倒數的示意圖。

Claims (8)

1. 一種用於一競爭協定下之一無線裝置的無線通訊方法，包含有：無線接收一輪詢使用序列，其中該輪詢使用序列指派一時槽給該無線裝置；以及使用被指派的該時槽以傳輸一資料封包至一無線存取點；在該無線裝置傳送該資料封包至該無線存取點之後，該無線裝置廣播一輪詢序列給另一無線裝置以告知該另一無線裝置允許與該無線存取點進行通訊；其中使用被指派的該時槽以傳輸該資料封包至該無線存取點的步驟還包括有：保留一持續時間；以及僅使用一部分的該持續時間來傳送該資料封包至該無線存取點；其中，而該持續時間的剩餘部分則用來給該另一無線裝置進行資料傳送。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊方法，其中該時槽係由該無線存取點所決定及指派，且該無線裝置不涉及該時槽的決定。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊方法，其中，該輪詢使用序列包含了該無線裝置的至少一部分媒體存取控制位址、以及用來進行資料傳輸的一指定持續時間；以及對應於該無線裝置的該至少一部分媒體存取控制位址序列的序列編號係作為該無線裝置被指派的該時槽。
4. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊方法，其中當到達所指派的該 時槽的時間點且該無線裝置有資格傳送該資料封包時，該無線裝置會判斷一無線媒介是否忙碌，且該無線裝置只有在該無線媒介被判斷為不忙碌的時候才傳送該資料封包至該無線存取點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之無線通訊方法，其中使用被指派的該時槽以傳輸該資料封包至該無線存取點的步驟還包括有：廣播一允許傳送(clear-to-send，CTS)封包以保留一持續時間；以及在收到回覆的一確認訊息之後，才傳送該資料封包至該無線存取點。
6. 一種用於一競爭協定下之一無線裝置的無線通訊方法，包含有：無線接收一輪詢使用序列，其中該輪詢使用序列指派一時槽給該無線裝置；使用被指派的該時槽以傳輸一資料封包至一無線存取點；以及接收一保護策略以被指派一第一模式或是一第二模式；其中使用被指派的該時槽以傳輸該資料封包至該無線存取點的步驟還包括有：當該保護策略指派該第一模式時，廣播一允許傳送(clear-to-send，CTS)封包以保留一持續時間，以及在收到回覆的一確認訊息之後，才傳送該資料封包至該無線存取點；當該保護策略指派該第二模式時，在不廣播該允許傳送封包的情形下直接傳送該資料封包至該無線存取點。
7. 一種用於一競爭協定下之一無線裝置，包含有：一接收電路，係無線接收一輪詢使用序列，其中該輪詢使用序列指派一時槽給該無線裝置；以及 一傳送電路，係使用被指派的該時槽以傳輸一資料封包至一無線存取點；其中在該傳送電路傳送該資料封包至該無線存取點之後，該傳送電路廣播一輪詢序列給另一無線裝置以告知該另一無線裝置允許與該無線存取點進行通訊；其中該無線裝置會保留一持續時間，並僅使用一部分的該持續時間來傳送該資料封包至該無線存取點，而該持續時間的剩餘部分則用來給該另一無線裝置進行資料傳送。
8. 如申請專利範圍第7項所述之無線裝置，其中該時槽係由該無線存取點所決定及指派，且該無線裝置不涉及該時槽的決定。