CN101364920B - 无线通信装置及无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

无线通信装置及无线通信系统，能够防止因信标导致的无线频带的消耗和包的冲突，提高无线自组织网络整体的性能。在无线自组织网络中，构成该自组织网络的各无线通信装置根据通信范围内存在的通信节点数或无线使用状态，变更各自发送的信标信号(共同通知信息)的发送间隔。例如，以初始间隔发送信标的第一无线通信装置从第二无线通信装置接受连接请求，开始与第二无线通信装置通信，由此将信标发送间隔变更为初始间隔的2倍。

Description

无线通信装置及无线通信系统
本申请是申请日为2006年3月31日，申请号为200610067045.6，发明名称为“无线通信装置及无线通信系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及无线自组织网络中的无线通信装置及无线通信系统，特别涉及构成网络的各无线终端装置根据同一通信范围内的通信节点数或无线区间的状况而自律地对发送信标信号的间隔进行调整、变更的无线通信装置及无线通信系统。
背景技术
无线自组织网络是不经基站而直接地或者经由其他无线终端来进行各无线通信终端间的通信的无线通信系统。即使在配置为多个无线通信终端中仅有一部分无线通信终端能够相互通信的情况下，也能够使从数据发送终端发送的数据通过其他无线通信终端中继而传送至接收终端(目的终端)。
无线自组织网络分为如图1所示的仅由笔记本电脑等无线LAN终端构成的自组织型网络，以及如图2所示的由无线LAN基站和无线LAN终端构成的网状型网络。以下，将自组织型网络与网状型网络一起作为“无线自组织网络”。
在无线自组织网络中，数据通信在相互的通信范围内的终端间直接进行。例如图1中的终端1-2间、2-3间、3-4间就是这样的。在不能直接通信的终端间即图1的终端1-4间、1-3间、2-4间经处于中间的终端间接地进行通信。
无线自组织网络系统中的通信节点(在图1的自组织型网络中为无线LAN终端1～4，在图2的网状型网络中为无线LAN基站AP1～AP4)为了确保与临近的节点或属下的无线LAN终端的连接而定期发送共同通知信息(以下称为信标信号)。由此，向周边节点和无线LAN终端通知自节点的存在。
信标信号的发送间隔一般由开设网络的节点决定，为了尽可能扩展到达距离，以最低传输率进行发送。所谓传输率较低意味着信标信号占据的频带占有时间较长。因此，存在当发送信标信号的节点数增加时因信标导致的无线频带消耗增大的问题。
图3是对无线自组织网络中伴随节点数增加的频带占有问题进行说明的模式图。例如，图1的无线终端1，作为初始节点，以预定间隔发送信标信号B1。在该状态下，无线终端2作为新节点加入无线自组织网络，开始以相同间隔发送信标信号B2。这样，信标信号B1、B2占有了无线区间的频带，占有率为2倍。
另外，从节点发送的信标和数据包的冲突也是较大的问题。例如，无线LAN(IEEE802.11)中的信标包与数据包可以分别通过冲突回避机制，可靠地回避包的冲突。然而该机制是通过各节点在随机时间后进行包发送来实现的，当多个节点间随机时间一致时会发生包的冲突。并且，随着节点数的增加，该冲突概率也增大。
ANSI/IEEE802.11关于信标间隔规定在任何情况下始终以一定间隔进行发送(例如参照非专利文献1)。该标准允许在混杂情况下延迟发送时刻，但是对变更间隔方面没有规定。因此，即使在一个通信区域中存在多个节点，因信标导致无线频带紧张时，也能始终以恒定的信标间隔进行发送，成为图3所示的状态。
提出了如下的系统结构：通过观测信标混杂时的发送时间延迟，在多个无线LAN接入点混杂的情况下，与无线LAN终端不混杂的无线LAN接入点连接(例如参照专利文献1)。然而，信标发送间隔自身始终恒定。
另外，也提出了如下的方法：与接入点通信的各无线终端与正在使用的应用程序的动作模式相配合，来变更从接入点接收信标的间隔(例如参照专利文献2)。在该方法中，与接入点连接的无线终端以基准间隔的n倍对信标的接收间隔进行调整、变更，然而接入点发送的信标间隔自身始终恒定。
另外，也提出了如下的方法：在基站和属下的无线子机间的数据收发中，每当无线子机发送时，便产生随机数，通过该随机数处理来分散多个子机间的发送间隔，从而防止数据冲突(例如参照专利文献3)。
【非专利文献1】ANSI/IEEE std802.11，Wireless LAN medium accesscontrol(MAC)and physical layer(PHY)specifications，1999.
【专利文献1】特开2003-60657号公报
【专利文献2】特开2004-128949号公报
【专利文献3】特开平7-298357号公报
发明内容
本发明的课题在于，在使用IEEE802.11无线LAN等的无线自组织网络通信中，解决因信标导致的无线频带的消耗(额外开销)以及包冲突概率的增大。
本发明的课题还在于，通过防止额外开销或包冲突的增大来提高无线自组织网络中的可使用的无线频带。
为了解决上述课题，本发明提供一种根据存在于通信范围内的通信节点数或无线使用状况，使构成网络的各无线通信装置自律地对信标等共同通知信息的发送间隔进行变更的无线通信装置和无线通信系统。
本发明以通过发送信标等共同通知信息或标识信息的节点构成的任意的无线通信网络系统为对象，例如以无线LAN基站或无线LAN终端等作为“节点”。
在本发明的第一方面中，提供了一种构成无线自组织网络的无线通信装置，其具有：
(a)收发共同通知信息的收发部；
(b)根据存在于通信范围内的通信节点数或无线使用状况，来变更所述共同通知信息的发送间隔的发送间隔调整部。
作为良好的结构例，发送间隔调整部将所述共同通知信息的发送间隔变更为，通信区域内存在的节点数与初始设定间隔相乘所得的值。
另外，在其他结构例中，无线通信装置还具有对属下的终端的动作状态进行管理的属下终端管理部。此时，所述发送间隔调整部构成为，当属下的终端处于预定动作状态时，不对所述共同通知信息的发送间隔进行变更。
此外，在其他结构例中，无线通信装置还具有：对属下的终端的动作状态进行管理的属下终端管理部；以及对所述共同通知信息的发送间隔的变更进行通知的间隔变更通知部。此时，所述发送间隔调整部构成为，当属下的终端处于预定动作状态时，使间隔变更通知部向所述属下终端发送间隔变更通知，变更所述共同通知信息的发送间隔。
在本发明的第二方面中，提供了一种无线通信系统，其构成为，在无线自组织网络中，构成该自组织网络的各无线通信装置根据通信范围内存在的通信节点数或无线使用状况，来变更各自发送的共同通知信息的发送间隔。
作为良好的结构例，在所述网络中，以初始间隔发送所述共同通知信息的第一无线通信装置从第二无线通信装置接受连接请求，开始与第二无线通信装置进行通信，由此变更所述共同通知信息的发送间隔。
作为一例，第一无线通信装置开始与第二无线通信装置进行通信，由此将所述共同通知信息的发送间隔变更为初始间隔的2倍。
另一方面，第二无线通信装置对从第一无线通信装置发送来的所述共同通知信息进行观测，由此变更本地局发送的共同通知信息的间隔。
例如，第二无线通信装置开始与第一无线通信装置进行通信，由此将本地局发送的共同通知信息的间隔设定为第一无线通信装置的初始间隔的2倍。
通过该无线通信系统，能够防止因信标等共同通知信息导致的无线频带的过度消耗，并且能够防止包的冲突。
能够提高无线自组织网络的整体性能。
另外，通过回避信标包的冲突，能够可靠地确保无线LAN终端的连接性。
附图说明
图1是表示自组织型网络的结构例的图。
图2是表示网状型网络的结构例的图。
图3是用于说明因信标信号导致的无线频带的消耗的模式图。
图4是本发明的一个实施例的信标发送间隔决定流程图，图4(a)是表示初始节点侧的动作的图，图4(b)是表示新节点侧的动作的图。
图5是表示初始节点启动时的信标发送的概略图。
图6是表示第2节点启动时的各节点的信标发送间隔的概略图。
图7是表示第3节点启动时的各节点的信标发送间隔的概略图。
图8是表示新节点启动时的与属下终端动作模式对应的信标发送间隔的控制例1的流程图。
图9是表示新节点启动时的与属下终端动作模式对应的信标发送间隔的控制例2的流程图。
图10是表示新节点启动时的与属下终端动作模式对应的信标发送间隔的控制例3的流程图。
图11是本发明的一个实施方式的无线通信装置的概略结构图。
图12是表示信标帧的一例的图。
图13是表示使用本发明的效果的图(AP数为2时)。
图14是表示使用本发明的效果的图(AP数为3时)。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
图4是本发明的一个实施方式的信标发送间隔决定流程图，图4(a)是表示初始节点的动作的图，图4(b)是表示新节点的动作的图。为了使说明易于理解，以例如图1所示的无线自组织网络为例进行说明。
例如，无线终端2最初作为初始节点构建自组织网络，开始信标信号的发送(步骤S101)。此时的信标发送间隔为初始值“a”。
然后，无线终端2识别出新节点加入自组织网络(步骤S103)。例如在图1中，通过接收来自无线终端1的连接请求来识别其他节点的存在。
无线终端2开始与作为新的邻接节点的无线终端1进行通信(步骤S105)，将信标发送间隔设定为2倍的“2a”(步骤S107)。
在图4(a)的例子中，设定与其他节点的通信信道，然后根据通信区域内的节点数，变更信标间隔。除此结构外，还可以采用如下的结构：构建自组织网络的各节点计数一定期间内来自邻接节点的信标信号，从而根据存在于通信范围内的邻接节点数，变更信标发送间隔。
节点数的计数能够通过例如对所接收的信标信号中所包含的发送者地址字段进行统计处理，作为平均值来求出节点数。根据所得的邻接节点数，各无线终端决定自己的信标发送间隔。例如当所检测到的邻接节点数为2时，包含本地局在内，在通信范围内共有3个无线终端，因此将信标发送间隔设定为3倍。
另外也可以采用如下的结构：各节点对通信范围内的无线频带的使用状况进行计测，当无线频带使用率大于等于某一定值时，变更信标发送间隔，以抑制信标的无线消耗频带的增大或包冲突概率的增大。此时，在图4(a)的步骤S103中，取代发送请求而取得无线区间的使用状况。
图4(b)是新加入自组织网络的新节点的动作。在图1中，无线终端1新加入无线自组织网络，进行邻近节点的搜索(步骤S201)。例如，将无线终端2识别为邻近节点，发送连接请求(步骤S203)。在与无线终端2之间开始通信(步骤S205)，将自己的信标初始值设定为默认值的2倍的“2a”。
通过如图4(a)和图4(b)所示的算法，能够与邻接节点数或无线区间的使用状况无关地将信标的无线消耗频带保持为大致恒定。其结果，能够使自组织网络整体的通信吞吐量保持恒定。
图5～图7是以图2的网状型网络对图4(a)和图4(b)的算法进行说明的概略图。在图2中，作为无线基站的接入点AP1～AP4加入不论是固定型还是移动型而只要是适宜的网络，构成网状型自组织网络。在各接入点的属下存在终端ST。
图5表示无线基站AP1作为初始节点启动的情况。这里，所谓初始节点，表示在对节点所具有的无线接口能够使用的所有频带进行扫描的范围内，不存在可连接节点的节点。
例如，IEEE802.11b中规定的无线信道有1条信道至14条信道。例如在接收到所有信道后没有观测到信标的情况下，或者在连接建立时的认证处理中未被承认而不能与邻接节点连接的情况下，为初始节点。
初始节点按照初始信标间隔进行发送。本实施方式中的初始信标间隔为一般无线LAN基站产品中使用的100ms。
另外，在所有信道扫描后，能够任意决定要使用的无线信道，但是在一般市售的无线LAN产品中，多数情况下设定为要接收的无线包最少的信道。
在图6中，示出了AP1启动后在AP1的通信范围内启动了新节点AP2的情况。AP2在扫描能够使用的所有无线信道后，通过由AP1发送的信标来确认AP1的存在。AP1-AP2之间为了建立无线连接而进行IEEE802.11中规定的连接建立和认证。
AP1在AP2的认证完成后，为了防止因信标导致的无线频带的消耗和包的冲突而将信标的发送间隔变更为2倍(200ms)。
另一方面，新开始与AP1通信的AP2通过测定AP1的信标间隔使AP2的信标间隔从默认值开始变更。利用AP2进行的AP1的信标间隔的测定方法，可以考虑如下等方法：(1)使用AP1的信标帧中所包含的信标间隔信息，(2)通过对来自AP1的信标进行一定期间的观测，来计算平均值。关于利用前者的信标间隔信息，在IEEE802.11中规定了信标包含信标间隔信息，不需要新算法。关于后者的根据信标的观察来计算平均值，可以通过例如对10秒钟内包含几个来自AP1的信标进行计数来实现。在本实施方式中，AP2与AP1同样地以初始信标间隔的2倍(200ms)发送信标。
图7进一步示出了邻近节点增加的情况。除了AP1、AP2，第3无线基站AP3在AP2的通信范围内加入通信。此时，AP1接收来自AP2的信标，AP2接收来自AP1和AP3的信标，AP3接收来自AP2的信标。即，AP1和AP3分别仅将AP2识别为邻接节点，而AP2在通信范围内识别AP1和AP3这两个邻接节点。
其结果，AP1的可通过信标确认的邻接节点(AP)数不变，但是，由于AP2也开始与AP3通信，因此，将本地局的信标发送间隔变更为初始信标间隔的3倍即300ms(100ms×3)。另一方面，由于作为新加入节点的AP3的可接收的信标仅为来自AP2的信标，因此，将本地局的信标发送间隔设定为200ms。
另外，在图2所示的网状型自组织网络中，关于信标间隔控制需要考虑属下终端的动作模式。这是因为例如属下终端ST在节能模式等依赖于信标间隔而动作时，有时不允许改变信标间隔。当属下终端ST进入节能模式时，该终端ST通过信标间隔控制电源。因此，当改变从节点(AP)发送的信标间隔时，存在不能实现节点/属下终端间的同步、无法达成通信的可能性。
另外，即使是使用轮询法的通信方式，也同样根据信标间隔来进行发送定时的控制，因此也存在如果变更信标间隔则不能达成通信的可能性。
因此，提出了在网状型自组织网络中，考虑属下终端动作模式或通信方式等形式的信标发送间隔的控制。
图8～图10是表示作为一个例子的与属下终端的动作模式对应的信标发送间隔的控制例的流程图。
在图8的例子中，当属下终端ST在节能模式下动作时，不进行信标间隔的变更。具体而言，在需要变更信标间隔的情况下，例如通过新节点的连接使邻接节点数增加、使无线区间的使用状况变化等情况下，首先判断属下终端ST是否在以节能模式动作(S301)。
当属下终端ST在节能模式下动作时(S301中：是)，节点不进行信标间隔的变更(步骤S303)。当属下终端ST未在节能模式下动作时(S301中：否)，变更信标间隔(步骤S302)。
另外，在属下终端ST不存在或即使存在但其数量较少时，也可以采用不判断属下终端ST的动作模式而变更信标间隔的结构。此时，可以采用如下的结构：在S301之前插入判断当前的属下终端ST的数量的步骤，当属下终端ST的数量超过预定数时，判断属下终端ST的动作模式。
接下来，在图9的例子中，当属下终端ST在节能模式下动作时，发送信标间隔变更通知后变更信标间隔。即，当由于新节点连接进来等原因而需要变更信标间隔时，首先判断属下终端是否为节能模式(步骤S311)。当属下终端ST在节能模式下动作时(S311中：是)，无线基站AP对属下终端ST发送信标间隔变更通知(步骤S313)。当属下终端未在节能模式下动作时(S311中：否)，变更信标发送间隔(步骤S312)。
下面，在图10的例子中，当属下终端ST在节能模式下动作时，根据无线频带的使用状态，维持信标间隔，或者在信标间隔变更通知后进行信标间隔的变更。即，当由于新节点连接进来等原因而需要变更信标间隔时，首先判断属下终端是否为节能模式(步骤S321)。当属下终端ST在节能模式下动作时(S321中：是)，判断无线频带使用率是否小于等于阈值(步骤S323)。当无线频带使用率小于等于阈值时(S323中：是)，维持信标间隔不变。当无线频带使用率超过阈值时(S323中：否)，在对属下终端ST发送信标间隔变更通知(步骤S324)后，变更信标间隔(步骤S322)。在步骤S321中，当属下终端未在节能模式下动作时，变更信标间隔(步骤S322)。
通过采用这种结构，在网状型自组织网络中，能够兼顾因信标导致的频带消耗或包冲突的问题的解决，以及确保与属下终端间的通信的请求。
图11表示本发明的一个实施方式的无线通信装置20的结构例。无线通信装置20例如是图1的无线终端或图2的无线基站AP。无线通信装置20具有：进行信标信号和数据的收发的收发部21；监视无线区间的使用状况的无线状况监视部22；检测邻接节点数的节点数检测部23；根据无线状况或所检测出的邻接节点数来变更信标发送间隔的信标间隔调整部24；根据需要向属下终端通知信标间隔变更的信标间隔变更通知部25；以及属下终端管理部26。
无线状况监视部22测定无线区间的使用状况或频带占有率。节点数检测部23包含对来自邻接节点的信标信号进行计数的计数器，检测当前本地局通信范围内所存在的邻接节点数。属下终端管理部26对当前无线通信装置20属下的无线终端ST的数量及其通信方式、动作模式等进行管理。
信标间隔调整部24根据由无线状况监视部22或节点数检测部23取得的信息，按照例如图4(a)和图4(b)所示的算法，变更信标发送间隔。另外，在网状型自组织网络时，根据属下终端管理部26管理的信息，也适当结合图8～图10的算法，来变更信标发送间隔，根据需要使信标间隔变更通知部25通知信标间隔的变更。
通过使无线通信装置20采用上述结构，能够解决无线自组织网络中的无线频带消耗的问题，并提高网络整体的可使用的无线频带。
图11表示在无线自组织网络中使用的信标帧的结构例。信标为了在尽可能大的通信区域内通知共同信息而以最低比特速率进行发送。在图11的信标帧的发送中，包含前同步(preamble)需要824μs。另一方面，在824μs期间，当以IEEE802.11b中一般使用的11Mbps发送数据时，能够进行约9kbit(824μs×11Mbit/s)的数据发送。因此，当一个AP以100ms间隔发送信标时，换算为11Mbit/s的数据通信频带，则产生约90kbit/s(9kbit/100ms)的无线频带消耗。
如参照图3所说明的那样，信标的无线消耗频带与同一通信区域内存在的多个信标发送节点数成比例地增加。例如，当在IEEE802.11b中作为目标的32台AP存在于同一通信范围内时，消耗约2.8Mbit/s(90kbit/s×32台)的数据通信频带。
与此相对，在本实施方式的方法中，即使在例如同一通信范围内存在32台AP的情况下，也能够使信标的消耗无线频带保持大致恒定。
图13和图14是表示该消耗无线频带恒定化效果的图。在图13和图14中，设初始信标间隔为“a”，设使用初始信标间隔时的消耗无线频带为“b”。
图13示出了通信范围内有2台AP的情况。在现有技术中，在AP1与AP2双方能够接收信标的区域内，信标的消耗无线频带为2b。另一方面，当使用本实施方式的方法时，由于各AP识别其他的节点，将信标发送间隔设定为2倍的2a，因此信标的消耗无线频带分别为b/2，上述区域内的消耗无线频带能够恒定地维持为b。
图14表示通信范围内有3台AP的情况。在现有技术中，在AP1、AP2、AP3都能够接收信标的区域内，信标的消耗无线频带为3b，而当使用本实施方式的方法时，AP2将信标发送间隔设定为3倍的3a，AP1和AP3分别设定为2a，由此AP2的信标的消耗无线频带为b/3，AP1和AP3的信标的消耗无线频带分别为b/2。其结果，能够将AP1～AP3的全部通信范围重叠的区域内的消耗无线频带抑制为8b/6，能够在AP1和AP2、以及AP2和AP3的通信范围重叠的区域内将信标的消耗无线频带抑制为5b/6。
在上述方法中，假定以同一频率存在的AP一定能够通信。然而即使在经认证处理不能通信等情况下，也能够使用本实施方式的方法。例如，即使在不能认证通信范围内实际存在邻接节点AP0而不能建立通信时，初始节点也能够根据基于要接收的信标信号所检测的邻接节点数来设定较长的信标间隔，使得不消耗AP0使用的无线频带。
在本实施方式中，以IEEE802.11无线LAN为例进行了说明，但不限于此，能够在用于确保通信的任何的收发共同通知信息或标识信息的任意的无线通信系统中使用。
如上所述，通过采用本实施方式的结构，能够提高无线自组织网络整体的性能。
另外，通过回避信标包的冲突，能够可靠地确保无线LAN终端的连接性。

Claims (7)

1.一种构成无线自组织网络的无线通信装置，其特征在于，该无线通信装置具有：
收发部，其收发共同通知信息；
发送间隔调整部，其根据存在于所述无线通信装置的通信范围内的通信节点的数量或无线使用状况，来变更所述共同通知信息的发送间隔；
属下终端管理部，其对属下所属的终端的动作状态进行管理；以及
间隔变更通知部，其对所述共同通知信息的发送间隔的变更进行通知，
所述发送间隔调整部在所述属下所属的终端处于预定的动作状态时，使所述间隔变更通知部向所述属下所属的终端发送间隔变更通知，变更所述共同通知信息的发送间隔。
2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，
所述发送间隔调整部将所述共同通知信息的发送间隔变更为如下的值：存在于所述无线通信装置的通信范围内的节点的数量与所述共同通知信息的发送间隔的初始间隔相乘所得的值。
3.一种无线通信系统，在无线自组织网络中，构成该无线自组织网络的各个无线通信装置根据存在于所述无线通信装置各自的通信范围内的通信节点的数量或无线使用状况，变更各个无线通信装置发送的共同通知信息的发送间隔，其特征在于，
在所述自组织网络中，以所述共同通知信息的发送间隔的初始间隔发送所述共同通知信息的第一无线通信装置通过从第二无线通信装置接收连接请求，并与该第二无线通信装置开始通信，来变更所述第一无线通信装置的共同通知信息的发送间隔，
所述第二无线通信装置通过观测从所述第一无线通信装置发送来的所述共同通知信息，来变更所述第二无线通信装置的共同通知信息的发送间隔。
4.根据权利要求3所述的无线通信系统，其特征在于，
所述共同通知信息的发送间隔被变更为如下的值：存在于所述通信范围内的节点的数量与所述初始间隔相乘所得的值。
5.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于，所述第一无线通信装置通过与所述第二无线通信装置开始通信，将所述第一无线通信装置的共同通知信息的发送间隔变更为所述初始间隔的2倍。
6.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于，所述第二无线通信装置通过与所述第一无线通信装置开始通信，将所述第二无线通信装置的共同通知信息的发送间隔变更为所述初始间隔的2倍。
7.根据权利要求5或6所述的无线通信系统，其特征在于，所述第二无线通信装置识别出在该第二无线通信装置的通信范围内，除了存在所述第一无线通信装置外还存在第三无线通信装置时，所述第二无线通信装置将所述第二无线通信装置的共同通知信息的发送间隔变更为所述初始间隔的3倍。
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