CN101171800B - 无线网状网络中多信道资源预留的方法 - Google Patents

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Abstract

在网状网络中，多频带OFDM联盟(MBOA)系统通过分布式预约协议(DRP)提供更高的信道访问效率。使用MBOA物理层(PHY)和MBOA介质访问控制(MAC)来提高网状网络的效率。

Description

无线网状网络中多信道资源预留的方法
MBOA(多频带OFDM联盟)是用于在超宽带(UWB)频带上运行的WPAN(无线个域网)的分布式系统。网状网络是一种可以作为WPAN来操作的个域网(PAN)。网状网络通常使用全网状拓扑或者部分网状拓扑这两种基本连接配置中的一种。在全网状拓扑中，将PAN中的每个节点直接连接(或通信)到每个其它节点。在部分网状拓扑中，将一些节点连接(或通信)到PAN中的所有其它节点，但是将一些节点仅连接(或通信)到那些与其交换最多数据的其它节点。网状网络具有无需增加每个节点的发送功率或者接收灵敏度就能提供扩展整体网络覆盖范围的能力。网状网络还通过路由冗余来增强通信可靠性。网状网络提供比以前的网络更容易建立的网络配置，并且由于从一个节点到另一个节点需要更少的重传，所以可以使得节点或者设备电池的寿命更长。
无线网状网络被认为是这样一种多跳系统，其中在通过网络来发送分组时，设备彼此协助。在不利的通信条件下，在通过网络来发送分组时，设备更频繁地彼此协助。服务提供商只用最小的准备就能够建立Ad hoc网络，并且所产生的网络提供可靠、灵活的系统，其可以轻易地扩展到数千个设备。
MIT针对工业控制和传感所开发的无线网状网络拓扑是称为Adhoc多跳网络的点到点到点，或者对等系统。这种网络中的节点可以发送和接收消息。节点还可以作为路由器，并且可以为其邻近的节点或者设备中继消息。参考图1，通过中继过程，无线数据分组将利用可靠的通信链路通过中间节点，来找到到其目的地的通路。在无线网状网络10中，多个节点12、14、16协作，以将消息从发起节点18中继到其目的地节点20。网状拓扑10增强了网络的整体可靠性，这在工作在严苛的工业环境中时尤其重要。
类似于因特网以及其它基于路由器的对等网络，网状网络10在整个网络中提供多个冗余通信路径。如果由于任意原因(包括强RF干扰的引入)，节点(例如节点14和16)之间的一个链路故障，则网络自动地通过备用路径来路由消息(例如从节点14到节点22再到节点20)。
在网状网络中，可以缩短节点间的距离，这将会显著地增加链路质量。如果将节点间的距离减少到二分之一，则在接收器处所产生的信号的强度至少增加到四倍。这使得链路更加可靠，而不必增加单个节点中的发射器功率。在网状网络中，可以简单地通过将更多节点添加到网络中，来扩展范围、增加冗余并且改善网络的综合可靠性。
超宽带(UWB)是用于利用非常低的功率来短距离发送很宽频谱范围上的大量数字数据的无线技术。超宽带无线电可以以非常低的功率(小于0.5毫瓦)将极大量数据传递多达230英尺的距离，并且当以较高功率操作时，超宽带无线电能够将信号传递通过门和其它障碍物，这些门和障碍物能够反射更有限带宽的信号。超宽带可以与诸如蓝牙的另一种短距离无线技术相媲美，其中蓝牙是用于将手持无线设备与其它类似的设备和/或例如桌上电脑相连的标准。
超宽带通过非常宽的频谱(在多个频道上)同时对载波信号上的精确定时的数字脉冲进行广播。必须协调发射器和接收器从而以万亿分之一秒的高精确度来发送和接收脉冲。在超宽带系统中所使用的任意给定的频带上，超宽带信号比该频带上的普通信号需要更小的功率。此外，超宽带信号的预测背景噪声太小，以至于理论上有可能没有干扰。
超宽带用于各种情况，到目前为止，UWB的两种盛行的应用包括：涉及雷达的应用，其中信号穿透附近的表面但是反射更远的表面，以允许检测到墙面或其它覆盖物后面的物体；以及使用数字脉冲的语音和数据传输，其允许非常低功率并且相对低成本的信号在严格的范围内以非常高的速率传递信息。
本发明的实施例提供了利用MBOAPHY以及MBOAMAC的多信道网状网络。MBOA MAC使用多信道DRP。MBOA PHY可以在UWB频带中进行操作。
本发明的实施例可以使用使用了无竞争信道访问方法的MBOAMAC。无竞争信道访问方法可以是DRP，但是也可以是另一种形式的信道预留方法。
在本发明的其它实施例中，在MBOA MAC中，来自站点的信标信号包括用于特定信道的站点之间的预留信息。
本发明的实施例还提供了包括信息元素(information element，IE)的MBOA MAC，并且，其中一个信息元素是进行站点之间的通信预留的信道的信道ID。
本发明的实施例提供了用于经由分布式预留协议(distributedreservation protocol，DRP)来提供高级信道访问的多频带网状网络或者MBOA。此外，本发明的实施例提供了还用于提高网状网络的效率的MBOAPHY。
具体地，本发明的一个实施例包括一种用于在无线网状网络中进行多信道资源预留的方法，其中所述方法包括：提供无线网状网络，所述网状网络使用多频带OFDM联盟(MBOA)PHY，所述网状网络还包括还使用MBOA MAC；在所述MBOA MAC中使用多信道分布式预留协议(DRP)；将所述无线网状网络中的多个信道中的一个信道设置为主信道(MCH)；以及仅在所述MCH中执行DRP预留协商和DRP宣告。
本发明的另一实施例包括一种用于在包括多个站点的网状网络中提供多频带OFDM联盟(MBOA)MAC的方法，其中所述方法包括：在所述MBOA MAC中使用多信道分布式预留协议(DRP)；将所述网状网络中的多个信道中的一个信道设置为主信道(MCH)；在信标周期期间，所述多个站点中的每一个发送信标；以及仅在所述MCH中执行DRP预留协商和DRP宣告。
本发明的上述概要并非旨在表示本发明的每个实施例或者每个方面。
参考下面的结合附图进行的详细描述将获得本发明的方法和装置的更完整的理解，其中：
图1是示例性的网状网络；
图2是示例性的无线网状网络的覆盖范围图；
图3描绘了当使用单信道时，从站点1到站点4的单向多跳路由以及跳跃效率的片段；
图4是MBOAPHY中的示例性频带组分配的图；
图5描绘了当使用示例性的多信道DRP时，从站点1到站点4的多跳路由以及跳跃效率的片段；以及
图6是在示例性的MBOA MAC规范中DRP IE格式的示例性扩展。
预期将来的无线网络将会基于如图1和2中所示的网状网络10、30。具有ad hoc多跳无线基础结构的网状网络可以对网络的地理覆盖范围进行扩展，同时提高网络稳定性。图2中示出了示例性的网状网络30。通过多跳来对每个无线站点的地理覆盖范围进行扩展。例如，即使站点1和6在彼此的发送和接收范围之外，站点1仍然可以通过3跳(1-＞3-＞5-＞6)来与站点6进行通信。网络的稳健性也由于路由冗余而提高。路由冗余使得能够使用两个节点之间的替换路由。例如，从站点3到站点6可以有各种路由(例如，3-4-6；3-5-6；3-4-5-6和3-5-4-6)。如果站点之间的一个路由不可用，则可以成功地利用另一个路由。
然而，如今的无线网状网络的一个问题是，由于在相同的信道上操作的邻近站点所造成的干扰，在多跳场景中无线网状网络容量及其频谱效率急剧下降。如果使用更高的物理层(PHY)模式，情况会变得更加糟糕。更高的PHY层导致节点间的接收范围更短。更短的接收范围需要节点间隔更加靠近。节点间更靠近的间隔导致节点间干扰更多。更短的接收范围需要节点之间跳数更多，但是在每一跳上的干扰范围相同的情况下，转发效率和系统容量显著下降。参考图3，当使用或者预留单信道来用于转发功能时，通过节点来转发数据的效率下降。这里示出了从站点1经由站点2和3到站点4的单向多跳路由40的片段。干扰范围42如图中所示，如果四个站点1、2、3、4中的一个正在发送，那么其它站点必须停顿。因此，只有当两个发射器彼此远离的时候，才能有效地实现空间信道重用。在图3中，由于单信道限制，多跳路由的转发效率远低于50％。
根据本发明的实施例的示例性方法使用利用MBOA PHY和介质访问控制(MAC)来降低节点之间所遇到的干扰量的ad hoc网状网络10、30。可以理解，本发明的某些实施例可以应用于其中参与的设备可以使用多个频带或信道来进行转发的任何类型的无线通信技术。在不失一般性的情况下并且作为本发明的示例性实施例的实例，本发明的实施例提供了使用MBOAMAC和MBOAPHY的无线网状网络。
参考图4，示出了根据本发明的实施例用于MBOA PHY的示例性频带组分配。示例性的MBOA PHY运行在UWB频带上。将7.5GHz的可用带宽50分割成14个频带；并且进一步分成5个频带组：频带组一52、频带组二54、频带组三56、频带组四58以及频带组五60，如图4中所示。通过将时频编码(TFC)应用到这5个频带组中的每一个上，示例性的MBOA PHY在整个UWB频带中总共能够提供30个物理信道。在某些实施例中，可能会强制第一频带组52提供多达7个信道。
为了在示例性的网状网络中提高介质访问控制(MAC)效率，示例性网络的MBOAMAC使用无竞争的信道访问方法，即分布式预约协议(DRP)。以下对示例性的DRP过程进行简要描述：
具有数据业务需求的站点进行协商，以便通过使用DRP命令帧来明确地建立DRP预留，或者通过将有意的DRP预留信息包含在其信标88中来隐含地建立DRP预留。
一旦建立了DRP预留，DRP预留信息就应该包括在预留发射器和接收器的信标中，以便使得所有其它站点获知所预留的信道的持续时间。
在所预留的持续时间期间，除了预留的所有者之外，其它任何站点都不允许在相同的信道内进行发送。
只要预留信息包括在预留发送和接收站点所有者的信标中，所建立的DRP预留就有效。
根据示例性的MBOAMAC规范，只有在一个单信道中，即在具有ad hoc多跳基本结构的示例性网状网络中发送和接收信标的信道中，才可以进行预留。
在本发明的另一个实施例中，为了提高MBOA WPAN的转发效率和系统容量，将示例性DRP协议扩展成多信道DRP。当与图3中所示的现有技术的单信道DRP相比时，如图5中所示，示例性的多信道DRP可以有效地提高频谱重用和转发效率。在图5中，使用了信道一70和信道二72。本领域普通技术人员很容易看出，当使用多信道DRP时提高了转发效率。将示例性实施例与图3中所示的多跳场景相比，使用示例性多信道DRP的站点可以通过多信道传输来达到50％的转发效率。
为了建立并且使用多信道DRP而不与原MBOA MAC冲突，将示例性DRP扩展如下：
选择网状网络中的多个信道中的一个信道来作为主信道(MainChannel，MCH)70。属于相同WPAN的所有站点应该在MCH 70的信标周期(Beacon Period，BP)74内发送它们自己的信标并且接收其它站点的信标。
DRP预留协商和宣告应该仅发生在MCH 70中。
如(此处引入作为参考的多频带OFDM联盟的)MBOA MAC规范中所述，对DRP进行处理，除了用于识别DRP预留的信息元素(IE)80携带有预留信息，其中该预留信息不仅包括预留持续时间的开始时间和长度，还包括进行有意预留的信道的信道标识(CHID)82，该信道很可能是除了MCH 70之外的信道。图6中示出了DRP IE的建议的和示例性的扩展84。
支持多信道DRP的站点必须使用MCH 70中所指定的相同的定时信息。在BP 74期间，属于相同的WPAN的每个站点必须返回MCH70，以交换信标。在BP 70的持续时间期间，不允许进行任何预留。即，在BP 70的持续时间期间，不允许在MCH 70或者其它任何信道上进行预留。
图6示出了MBOA MAC规范(v0.93)中的DRP IE格式的示例性扩展。本发明的实施例允许公共信令信道用于信标发送和DRP协商。此外，将MBOA MAC 86的DRP IE 84中的字段82用于识别有意DRP预留的信道。并且，示例性的信标88携带有关于信道的信息，其中将即将进行的预留安排在该信道中，并且该信标可以指示某些信道上的设备是存在还是不存在。
上述发明和方法可以具有多个变体和实施例。尽管在附图和前述的详细描述中仅示出了本发明的某些实施例，但是可以理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是在不脱离如所述以及由以下权利要求所定义的本发明的前提下能够有额外的重新配置、修改和替换。因此，可以理解，本发明的范围包括所有这种配置，并且其仅由以下权利要求所限制。

Claims (11)

1.一种用于在无线网状网络中进行多信道资源预留的方法，所述方法包括：提供无线网状网络，所述网状网络使用多频带OFDM联盟(MBOA)PHY，所述网状网络还包括还使用MBOA MAC，
其中，所述方法还包括：
在所述MBOA MAC中使用多信道分布式预留协议(DRP)；
将所述无线网状网络中的多个信道中的一个信道设置为主信道(MCH)；以及
仅在所述MCH中执行DRP预留协商和DRP宣告。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述MBOA PHY在UWB频带上进行操作。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述MBOA PHY提供七个到30个物理信道。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：至少一个站点通过使用DRP命令帧来明确地建立DRP预留，或者通过将有意的DRP预留信息包含在信标中来隐含地建立DRP预留。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：使用公共信令信道用于信标发送和DRP协商。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：在信标中携带关于信道的信息，其中将站点之间即将到来的预留安排在所述信道中。
7.如权利要求5所述的方法，还包括：信标发送，其中信标指示在特定的信道上通信的站点是存在还是不存在。
8.如权利要求5所述的方法，还包括将用于识别进行有意预留的信道的信道ID字段包含在MBOA MAC的DRP信息元素中。
9.一种用于在包括多个站点的网状网络中提供多频带OFDM联盟(MBOA)MAC的方法，所述方法包括：在所述MBOA MAC中使用多信道分布式预留协议(DRP)；将所述网状网络中的多个信道中的一个信道设置为主信道(MCH)；以及在信标周期期间，所述多个站点中的每一个发送信标，
其中，所述方法还包括：仅在所述MCH中执行DRP预留协商和DRP宣告。
10.如权利要求9所述的方法，还包括根据MBOA MAC规范来处理所述DRP，所述MBOAMAC规范包括信息元素(IE)，其为进行有意预留的信道的信道标识(CHID)。
11.如权利要求10所述的方法，其中，进行所述有意预留的信道不是所述MCH。
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