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CN101171813B - 无线网格网络的分布式媒体访问协议 - Google Patents

无线网格网络的分布式媒体访问协议 Download PDF

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CN101171813B CN200680015856XA CN200680015856A CN101171813B CN 101171813 B CN101171813 B CN 101171813B CN 200680015856X A CN200680015856X A CN 200680015856XA CN 200680015856 A CN200680015856 A CN 200680015856A CN 101171813 B CN101171813 B CN 101171813B
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Abstract

本发明定义的媒体访问协议能在无线通信中支持网格联网。它定义了用于小区内部业务的阶段和用于小区间业务的阶段。在小区间业务的过程中，信标阶段用于传输的预留。在该阶段，还包括了有关网格拓扑结构的信息，从而支持并行传输。虽然该媒体访问协议是在IEEE 802.11网格网络(802.11)的标准化过程中提出的，但它也可用于任何无线网格网络。

Description

无线网格网络的分布式媒体访问协议
背景技术
MBOA(多频带OFDM联盟)是运行在超宽带(UWB)频带上用于WPAN(无线个人局域网)的分布式系统。DRP(分布式预留协议)能将信道资源预留用于以后的业务，通过该协议，MBOA系统可以在单跳通信情况下提供比其它基于连接的协议(如，划分优先级的信道访问(PCA))更好的信道访问效率。
有一种网格网络(Mesh Network)是PAN(个人局域网)，它采用了两种连接方案(即完整的网格拓扑或者部分网格拓扑)中的一种。在完整的网格拓扑中，各个节点相互之间都直接相连。在部分网格拓扑中，有些节点与所有其它节点都相连，而有些节点则只与那些与之进行最多数据交换的其它节点相连。网格网络不用增加发射功率或接收灵敏度，就能够扩展网络覆盖的地理范围。网格网络还通过路由冗余技术提供更高的可靠性，提供更简单的网络结构，并且由于潜在地减少数据重传的可能性而延长设备电池寿命。
无线网格网络是多跳系统，其中，各设备互相协助从而通过它们的网络传输分组，尤其是在不利条件下。可以用最小化的准备工作在一个位置建立网格网络。这些网格网络也可以称作自组网络。网格网络提供了一个可靠、灵活的系统，它可以很容易地扩展到成千上万个设备。
无线网格网络拓扑最初由MIT开发用于工业控制和传感，是一种被称为自组网络或多跳网络的点到点或对等系统。这样的网络的节点可以发送和接收消息。此外，网格网络中的节点还可以作为路由器用来中继它的相邻节点的消息。通过中继处理，无线数据分组会找到经过具有可靠通信链接的中间节点到达目的地的路径。在网格网络中，多个节点协作对要到达目的地的消息进行中继处理。网格技术提高了网络的整体可靠性，这在苛刻的工业环境中尤其重要。
参照图1，经过中继处理，无线数据分组经过具有可靠的通信链路的中间节点找到到达目的地的路径。在无线网格网络10中，多个节点12、14、16协作对从出发节点18到目的节点20的消息进行中继处理。网格拓扑10提高了网络的整体可靠性，这在苛刻的工业环境中尤其重要和有用。
与因特网和其它基于路由器的对等网络类似，网格网络10提供多条穿过该网络的冗余通信路径。如果节点间的一条链路(例如，节点14和16之间的)由于某种原因而无法工作(包括引入了很强的RF干扰)，该网络就会自动将消息通过其它路径进行路由(例如，从节点14到节点22然后到节点20)。
在网格网络中，缩短节点间的距离将会显著提高链路质量。如果节点间距离减半，则在接收机端得到的信号至少增强四倍。这样可以使链路更可靠，而无需提高每个单个节点的发射功率。在网格网络中，可以通过向网络添加更多的节点来扩展范围、增加冗余和提高网络的总体可靠性。
超宽带(UWB)是一种用于在短距离内以很低的功率通过很宽的频带传输大量数字数据的无线技术。超宽频带无线通信可以在长达230英尺的距离上以很低的功率(小于0.5毫瓦)承载大量的数据，并且有能力携带信号通过信道门和其它障碍物，这些障碍物想要将信号反射到以较高功率工作的更有限的带宽上。超宽带可以与另一种短距离无线技术相比较，如蓝牙，它是用于连接手持无线设备和其它类似的设备的标准，和/或，举个例子，台式计算机。
超宽带广播数字脉冲，在同时跨越很宽的频带(在多个频道上)的载波信号上要精确同步。该宽带发射机和接收机必须在一秒的兆分之一内高度精确地协同发射和接收脉冲。在用于超宽带系统中任意给定的频带上，超宽带信号需要的功率小于普通的信号。此外，预期的超宽带信号的背景噪音很低，理论上不可能有干扰。
超宽带现在用于各种环境中，目前，UWB的两个普遍应用包括：采用雷达探测技术的应用，其中，信号穿过附近的表面，但是反射到更远距离的表面，使得可以在墙或者其它遮盖物之后检测到物体；采用数字脉冲的传输语音和数据，使得非常低功率驱动和相对较低开销的信号以限定范围内的非常高的速率承载信息。
发明内容
本发明定义的媒体访问协议能在无线通信中支持网格联网。它定义了用于小区内部业务的阶段和用于小区间业务的阶段。在小区间业务的过程中，信标阶段用于传输的预留。在该阶段，还包括了有关网格拓扑结构的信息，从而支持并行传输。
虽然该媒体访问协议是在IEEE 802.11网格网络(802.11)的标准化过程中提出的，但它也可用于任何无线网格网络。
上述发明内容部分并不意在展示本发明的每个实施例或每个方面。
附图说明
通过参考下面结合附图给出的具体描述，可以对本发明的方法和装置有更完整的理解：
图1是一个网格网络；
图2是示例无线环境的结构图；
图3是示例无线多跳环境的结构图；
图4是可能存在空间重用的简单的无线网格环境；
图5是图4的环境的示例业务/时间图；
图6描绘了AP业务和网格业务的示例交替；
图7是网格业务阶段的示例结构，包括依照本发明的BP和TxOP所有权；
图8示出了当电台1发送信标时，信标周期访问协议要避免电台4造成的干扰；
图9示出了有三个分区的信标周期的示例具体结构；
图10示出了带有示例CF参数集和BPOIE的标准802.11信标；
图11a、b、c和d描绘了依照本发明一个实施例的信标移动的例子；
图12描绘了TXOP所有权IE的示例结构。
具体实施方式
现有的用于无线局域网(如IEEE 802.11)的媒体访问协议不能有效支持多跳通信。因此，需要找到并定义一些过程，以将扩展业务组(ESS)构建成一组采用无线链路相连接的接入点，从而实现自动拓扑结构学习和动态路径配置。相对于基本业务组(BSS)和ESS的电台关系来说，ESS网格在功能上等价于有线ESS。
本发明的实施例提供的媒体访问控制(MAC)协议可以用于一组802.11接入点(AP)之间的无线分发系统(WDS)。依照各种实施例运行并与所述接入点中任意一个相关联的移动站应该能够：1)与给定集合中的任意接入点进行通信；2)与该集合中的某个接入点相关联的任何移动站进行通信；3)通过网格网关与任意相连外部网络进行通信。
在本发明的实施例中，接入点之间的通信使得前述点应该对移动站是透明的，尤其是关于位置。
在这一示例无线分发业务中，接入点起着双重作用：一方面，这些接入点作为基本的802.11 AP，向它们所关联的电台提供特定的功能。另一方面，这些接入点本身也是无线电台，它们相互通信以完成所要向它们的基本业务组(BSS)提供的业务。
图2描绘了通常的有两个BSS和一个分发系统(DS)的示例无线环境。
BSS1 26中的电台1 20、电台2 22和电台3 24，以及BSS 32中的电台4 28和电台5 30组成了两个不重叠的BSS。BSS1 26中的接入点(AP)34和BSS2 32中的接入点36保证了BSS间的通信。下面将解释在无线分发系统(WDS)中支持这一通信的MAC机制。
下面的假设是关于依照本发明的实施例可能的方案做出的：
1)接入点的自组织布置：
对于接入点本身和其它接入点来说，这些接入点的空间位置都是不知道的；一个接入点可以随意布置在给定区域内。没有关于环境结构、相邻AP之间的距离和干扰情况的先前信息；此外，不可能获取到关于AP或它们之间的障碍物的地理信息。
2)接入点拓扑结构是半固定到固定的：
相比于与AP相关联的电台的移动和业务模式，任何AP变化的速度都是可以忽略不计的。
3)接入点的网络不是完全连接的：
由于室内条件或要服务的区域很大，不可以假设AP的通信图是完全连接的，该图描述了AP之间可能存在的直接通信。但是，每对AP必须通过可能多个其它AP的路径相连接，也就意味着该通信图是相连的。
这一假设的一个暗示是DS中简单广播的不可能性，这使得集中协调的任何尝试都很复杂。另一个是需要多跳机制，允许AP将数据中继到其它AP上，这样数据可以继续到达最终目的地。
图3中可以看到需要多跳通信的示例情形，即无线多跳情形40。通过AP 46和AP 48之间的DS 42和多跳连接44的透明应用，BSS150中的电台能够连接到电台8 46，而电台8 46的作用相当于因特网52的网关。没有多跳DS 42的话，该方案就不可能实现，因为电台448不能通过无线到达电台8 46并与之通信。
示例接入点可以只拥有单频无线电设备。这一要求简化了AP的结构并降低了成本，但是造成了DS和每个BSS需要共享同一无线媒体的复杂性，结果导致可能出现冲突和效率降低。可以利用双频无线电设备甚至多频无线电设备达到该MAC协议的一个简单的示例改进。
在下面所讨论的本发明的实施例中，应该理解的是，电台是：(1)基本802.11接入点，能够提供管理服务如BSS的关联和创建，(2)是无线分发系统中的电台，能够利用它的对等体之间的多跳通信来获取其作为接入点所需要的能力，(3)处于如上所述的情形中，定义为网格网络电台或网格点。
与用于AP业务阶段的EDCA相比，这一新的示例MAC协议支持网格网络中高效的多跳通信。利用相等长度的协定传输机会(TxOP)可以实现预计的媒体访问，因为所有相邻网格点都能够知道该网格网络中哪个网格点在TxOP中起到哪部分作用。提供给网格点的这些增强的消息/信息使得该协议支持更大程度的空间重用，其直接结果是增大示例网格网络的容量。
在图4中可以找到空间重用的可能性的简单示例。网格点STA160、STA2 62、STA3 64和STA4 68各自有自己的BSS以及可能多个相关联的移动站。网格点STA1 60的BSS中的移动站产生发往网格点STA4 68(举个例子，STA4 68是网关或者因特网入口)的业务，而网格点STA4 68答复业务。
由于网格点STA1 60和STA4 68都在相互接收范围之外，因此它们无法直接相互进行通信。它们必须利用通过网格点STA2 62和STA3 64的二、三跳路由，这些路由描述为(1a-c)和(2a-c)。
如果网格点STA3 64能够推测出，在较低的传输期间由于网格点STA1 60在网格点STA3 64产生的干扰，有可能出现链路(1a)和(2c)同时占用的情况，则网格点STA3 64可以与网格点4 68进行协商，这样已使用的TxOP的数量就会与它们用于链路(1a)相同。通过网格点STA1 60和网格点STA2 62之间的协商过程，网格点STA3 64可以直接利用后面的信息。
类似地，链路(1c)和(2a)可以同时使用，这就得到了图5中给出的示例业务/时间图。图5是在图4中的情形期间，最佳的传输队列。
虽然本发明的实施例支持空间重用，但是网格点所采用的用于确定哪些TxOP能够同时传输的机制不在本发明的保护范围内。
本发明典型的必要特征是定义的MAC协议，它通过TxOP预留而支持并行传输。它将时间间隔(超级帧)划分为用于BSS内部业务(AP业务)的第一阶段和用于DS内(网格业务)的第二阶段。
在AP业务阶段中，现有的MAC机制如DCF、EDCA和HCCA用于在电台和接入点之间进行通信。通过使用非竞争周期(CFP)，从而保护网格业务阶段免受现有802.11的影响。网格业务阶段划分为两个信标周期，一个信标周期是每两个超级帧出现一次，另一个周期用于数据传输。本发明的实施例引入了对网格拓扑的增强，如添加相邻点的相邻时隙占用和在TxOP协商期间对并行传输的支持。其它机制，如虚幻(Ghost)信标周期、缓冲区、可变信标长度、短地址转换、累计确认，也还是可以用于提高该示例MAC协议的性能。
MAC结构
网格点中示例MAC层的一个主要目标是，支持以中继来自相关联的802.11站或网关(入口)的数据为目的的对分发系统(DS)的访问。不同网格点之间的通信或者是MAC内的管理通信，或者是移动802.11站和它的接入点之间先前的通信结果。
参照图6，示例MAC协议为单无线电设备和多无线电设备网格网络提供有效支持。在单无线电设备网格网络中，BSS内部业务和DS内部业务的划分是随着时间完成的：网格点和它相关联的移动站之间数据交换的阶段和网格点之间对等业务的阶段是交替的。第一阶段中的业务叫做AP业务70，而第二阶段中的业务叫做网格业务72。就多无线电设备网格点来说，可以针对AP业务采用一个或多个频率，针对网格业务也可以采用一个或多个频率。
为了有效利用无线资源，单无线电设备/单频网格网络的解决方案比多无线电设备解决方案要更复杂。本申请中所提出的示例实施例，能够支持单频和多频解决方案。首先，我们要讨论单无线电设备网格网络的一个解决方案。
在AP业务阶段(ATP)70中，网格点和电台利用802.11 DCF、802.11e EDCA或者802.11c HCCA来访问无线媒体(WM)。因此，该ATP 70与非802.11电台也是兼容的。网格业务阶段(MTP)72利用CFP 74声明来使任何网格点(802.11系列电台)保持静默。因此，构造MTP用于支持DS内部业务(即，44)的目标，尤其支持良好的多跳性能。将在下面的“网格业务阶段”部分解释网格业务阶段72。
一个MTP 72和一个ATP 70共同定义从802.11标准所知的超级帧76。超级帧76的固定长度是mSuperframeSize。用于MTP 72的这一超级帧76的片段长度必须在mMTPMinTime和mMTPMaxTime之间。此外，ATP 70的持续时间是不限的。
使802.11电台保持静默
根据802.11标准，每个CFP 74以AP在目标信标传输时间(TBTT)80进行的信标78的传输为开始。其它信息中，信标78声明了AP的基本业务集里的无竞争周期(CFP)74的持续时间和超级帧76的持续时间。因此，也定义了下一个CFP的开始时间。所有802.11标准将CFP看作除了AP(802.11e混合协调器和点协调器(PC))之外的任何其它电台都不能发起传输的时间段。已经从先前的信标知道所有的802.11电台都不会访问信道，直到它们或者已经被论询(如果它们是CF可论询的)或者该CFP结束为止。此外，所有电台计算并且知道下一个CFP将要出现的时间，并且保持静默不进行通信，即使在下一个超级帧/CFP开头没有接收到信标。
参照图6和图7，因为没有哪个电台会在未得到HC或PC论询的情况下在CFP 74期间访问无线媒体，所以在CFP期间可以采用网格协调功能(MCF)，它独立于传统的802.11竞争。每个MTP以信标周期(BP)82开始。在该BP 82中，每个网格点发送一个信标帧84a到84e。在每个电台的信标帧中，它向其相关联的电台宣布CFP的开始，包括下一个CFP的开始时间。如果没有特别声明的话，所有的电台都尊重后来的CFP。因此，为了进一步增强该示例协议，AP可以随意地只使用每个第二BP(可以看作是协议开销)。因此，两个超级帧中只需要一个BP 82。丢失的BP由术语“虚拟信标周期”(GBP)86标识，其中，电台期望但是并没有接收到一个信标。
重要的是要注意到，在带有GBP 86的MTP 72之后的ATP 70期间，每个AP要发送一个信标来宣布即将到来的MTP的开始。图6描述了AP业务和网格业务的示例交替过程。
将CFP 74用作一种实现网格特定协议的手段需要特别关照。举个例子，在非802.11系列中，会出现一种叫做“缩短的”CFP的情况：电台可以在该CFP之前开始传输，即使该传输占用比该CP(竞争周期)剩余时间更长的时间来完成。因此，802.11 AP可以在TBTT(这标志了该CFP的开始)时检测到忙的媒体，并且该AP禁止发送它的信标直到该传输结束为止。这一动作通过延迟缩短了CFP；因此，这种情况的名字带有“缩短的”。
“缩短的”MTP在示例网格网络中是无法接受的，因为可能有的电台由于距离而没有监听到“违法的”移动站88。这些电台会按照计划开始MTP。所以，开始点不同步。为了保证在MTP开头媒体为空闲，要将TBTT声明为在实际开始时间之前的一个很小的瞬间。这一缓冲区的持续时间正好等于最大尺寸分组的持续时间，该分组以基本PHY模式发送，这样该“违法的”电台会在MTP之前停止发送。AP可以在缓冲区发送业务，利用802.11e EDCA以避免与其它AP的冲突。因此，不会浪费信道时间，并且AP会负责在MTP开始之前停止传输。
网格业务阶段
在MTP 72中，所有网格点利用网格协调功能(MCF)来共享媒体。后面有两个等长阶段(第一个从BP 82开始，另一个从GBP 86开始)，它们由BP 82相互连接，在BP 82中完成剩余时间的协调。由每个电台在它们的信标的IE中提出它们的长度提议，任何电台可以采用提出值的最大值。该提议不影响当前的MTP对，但是影响接下来的，因为是用“旧的”值使相关联的电台保持静默的。
MCF将两个阶段划分为长度为mTxOPLength 92的多个传输时机(由支持QoS的修正版802.11e所知的TxOP)90，并且提供协议以获取一个或多个TxOP 90的所有权。所有权的协商通过在BP 82中添加信息元素84a-84e来完成。
一些BP之后，完成对TxOP所有权90的协商，从而在新的TxOP属主和预期的接收机之间达成一致协议。该协议保证接收机在TxOP期间监听来自属主的传输。
属主相邻的所有其它电台和接收机要遵守该协议，因此要：(1)如果可能会扰乱属主的传输，则避免作为发射机，(2)如果发射机可能会扰乱属主的传输，则避免作为接收机。
因此，TxOP的所有权保证在这段时间内成功传输的最好的可能机会。在下面的标题为“TxOP协商”部分会解释利用BPAP所执行的协商过程。图7从电台的角度描述了在一个网格业务阶段期间的时间流。
在该业务阶段的开头，每个网格点发送一个信标，在其中声明接下来的一个或多个TxOP的所有权，该所有权已经协商过。在BP之后，属主可以在适当的TxOP中进行传输。
如果网格点是TxOP的属主，则它可以利用给定的时间向先前声明的接收机发送数据。这一数据属于下面范畴中的一个：
1)从发射机的BSS到另一个BSS的有效载荷
从一个不同BSS中继到另一个BSS的有效载荷
先前数据接收的肯定或否定答复
只发送到接收机的信息元素
总结起来，该MTP属于三个构造模块：信标访问协议(“信标周期访问协议”部分)、TxOP所有权协商(“TxOP所有权”部分)以及最终在所占有的TxOP中传输数据。
设备ID
在通常的情形中，举个例子，校园环境中，预计的网格点数量通常小于或等于32。因此，不需要网格点之间用于业务寻址的六字节的字段(如在802.11中所用的)。只要能够保证网格网络中的每个网格点都有自己唯一的标识，则可以采用较短的标识。还是采用普通的地址对网络中数据分组的源和目的进行寻址。但是，任何中间网格点采用mDevIdBits比特的设备Id(DEVID)作为MTP期间的发射机和接收机地址。
在选择随机的设备ID之前，新的网格点监听当前业务并且从该信标周期访问协议收集所有ID，这样就可以避免与相邻电台和与相邻电台的相邻电台的冲突。
信标周期访问协议
每个第二MTP 72从信标周期82开始。它用于通过开始CFP 74而使非网格点(非802，11电台)保持静默。此外，它用于在该MTP的剩余部分和下一个MTP中组织业务，该下一个MTP从GBP开始。
参照图9，网格协调功能在网格点之间共享无线媒体。其组织结构如下。在BP期间使用该信标周期访问协议(BPAP)。将该BP分割为多个小时隙84。图9中所示的信标周期82中有34个时隙84。将每个时隙的状态散布到附近的相邻点。以此降低来自不同网格点的两个信标在同一时隙内冲突的可能性。通过三跳距离完成该散布过程。用图8解释这一原因。图8示出了当电台1 100发送信标1 02时，该信标周期访问协议要避免电台4 106造成的干扰104。
在本申请中，示出了在信标时隙期间无线媒体上的情况，该信标时隙由网格点STA1 100占用。网格点的传输范围内的所有电台(802.11网格点和非802.11电台)必须正确接收网格点的信标帧。如果网格点(如电台4 106)要在同一时隙中传输信标，则可能在接收电台发生信标冲突。为了避免信标冲突，每个信标中的信标周期占用信息元素(BPOIE)通知相邻网格点关于何时发送或接收信标。该BPIOE每个信标时隙(如，84a)有四个可能的条目。这四种可能的手段是：
该信标时隙由发送网格点占用。
该网格点知道已被阻断的信标时隙。它必须监听占用这一信标时隙的相邻点。
该网格点会在这一信标时隙期间接收干扰，因此不能保证这一时隙内的接收。
从网格点的角度来看，该信标时隙是空闲的。
在图8所示的情形中，网格点STA1 100将信标信息设为信标时隙类型1。网格点STA2 108将信标时隙设为信标时隙类型2，等等。网格点STA2 108在它的信标中广播这一信息。由于网格点STA4 106从网格点STA3 110接收到关于这一时隙的干扰信息，所以，它知道不应该在这一时隙中发送，因为：
该网格点STA3 110可能无法成功接收该信标，和/或
该信标可能与另一个信标冲突。
避免冲突的示例方法称为虚拟空闲信道评估(V-CCA)。此外，电台也可以采用传统的物理空闲信道评估(P-CCA)，这通过检测一个BP中的信标时隙中发生的传输强度来完成，然后，如果超过了mBPNoiseThreshold的门限值，则将该时隙标记为已用。
在下面的段落中，将解释BPAP的具体示例实现，包括信标结构、加入和离开BP的过程、冲突检测和BP的紧缩。
信标周期时序体系
参照图6和图9，在BP 82期间，将时间分成长度为mBPSlotLength的时间间隔。任何信标的传输都要在一个时间间隔的开头开始。mBPSlotsPerTxOP个连续时间间隔尺寸相同都是TxOP 120。该BP 92的持续时间必须是TxOP 120的整数倍。图9示出了具有三个区段的信标的具体结构。
由于一个信标可以占用多个连续信标时隙84，因此相同大小的信标排列在它们的专用区域中。在域号“i”122中，只允许长度为“i”124乘以mBPSlotLength的信标。域“i”122以TxOP的结束为结束，此外在每个区段的结尾要有“i”*mFreeSlotsInZone。这使得新的网格点通过在这些空闲时隙126发送信标来进入BP 82。连续域128中的第一信标127的属主，负责在先前区段中的空闲时隙数量低于这一数量时释放它的时隙。如果上一区段122中的空闲时隙126的数量低于最小值，则将信标周期增加要求的数量。
如果网格点要在一个不存在的区段发送信标，则该网格点在下一个更小的区段发送信标，并且指示在它的BPOIE中创建新的区段。
图9示出了可能的示例信标周期。在选择的配置中，每个TxOP120有三个时隙，并且mFreeSlotsInZone等于2。
信标周期82的最大长度限定为mMaxBPLength 92 TxOP，但是可以短很多。该信标的最大长度在网格网络中的不同地区甚至可以不同。
任何要在即将到来的业务阶段发送或接收数据的网格点必须在一个未占用的信标时隙开始时发送至少一个信标，并且监听相邻信标。
网格点有可能在BP中发送多于一个信标，只要在每个信标中传输不同的信息即可。建议网格点尝试在适当区段在适当大小的单独信标中发送它的信息，如果需要的话创建一个新的区段。每个传输要以一个安全时间为结束，该安全时间是下一个信标时隙开始之前至少mTimeBetweenBeacons。
替代性的信标时序结构
可以通过不合并不同长度信标的不同区段的使用，来简化图9的示例BP结构，但是可能无法避免地将BP紧缩复杂化。
在另一个示例实施例和BP 82的另一个提案中，可以采用BP期间的任一信标队列。如果网格点停止发送信标，则在一个或几个连续的时隙间产生间隔。该产生的间隔应该由现有的信标通过滑动(如果该信标直接位于该间隔之后)或跳跃方式来填满。为了高效，大的跳跃优选通过一些连续的小的跳跃来完成。这可以通过在计划改变该信标时隙的过程中采用后到先服务策略来实现。举个例子，在BP中发送的最后一个信标会声明空闲时隙的新的所有权，而发送该信标的网格点会得到这些时隙。
信标内容
示例信标78有两个重要的信息片段。一方面，信标传送用于调整信标阶段访问协议和业务阶段的信息元素。另一方面，相关联的802.11电台必须能够理解该信标结构，这样就可以确定CFP 74的开始时间。
为了提供后面的两个功能，信标结构必须遵循IEEE无线局域网版本，7.2.3管理帧ff(以引用的方式合并入本申请中)中定义的结构，该信标结构在图10中简略地重复。图10示出了带有示例CF参数集152和BPOIE 150的标准802.11信标。
由于网格点发送的每个信标78启动一个CFP 74，所以它必须包括CF参数集152，该参数集使相关电台在当前和下一个MTP 72内保持静默，下一个MTP以GBP 86开始。
信标周期占用IE(BPOIE)150负责信标周期访问协议和在网格网络中分布BP时隙状态。在下面的部分将解释BPOIE中的各项。
BP长度
BPLength字段154用于指示网格点所用的BP 82的当前长度，该长度是网格点对于在MTP 72中发送或接收数据之前的信标要监听的TxOP 120个数。因为在相邻点间同步BP长度是很重要的，所以该长度被计算为下面三项之中的最大值：
在最后的BP中最后监听到的业务，
从该BP中接收到的信标所报告的最后占用时隙，和/或
从最后的BP中接收到的信标所报告的最后占用时隙加上适当数量的空闲时隙，该数量可以在识别出该最后BP中的区段的数量(通过每个区段的扩展时隙)时计算出来。BP长度永远不应大于mMaxBPLength 92。
BP位图
在示例实施例的信标发送中，一个设备通过发送大小为2*mBeaconSlotsPerTxOP的BP位图，声明它对占用BP 82的看法。如果该BP位图156的结尾不是一个字节的结尾，则将该BP位图156用0填满而不需要任何网格点来解释。该BP位图156内的信息应该尽可能的新，举个例子，加入了刚刚接收到的信标的BP位图的信息。
该BP位图内的每个双精度比特与一个信标时隙正好对应。该双精度型内的比特表示发送网格点所看到的这一时隙的占用情况。表1给出了四种可能的组合及其意思。
表1：示例BP位图中标识的四种可能的信标时隙状态
    元素值(b1b0) 信标时隙解释
    00 空闲时隙当前传输的网格点可以在这里接收信标。
    01 由发送网格点占用这一时隙由当前传输网格点占用，并且这一网格点已经/正在/将要在这一时隙中发送信标。
    10 由相邻网格点占用这一时隙由相邻网格点占用，并且该当前传输网格点已经在这一个时隙中成功接收信标或者期望接收到，如果它在将来占用时隙的话。
11 由相邻点的相邻网格点所占用这一时隙由一个网格点占用，该网格点是●相邻点的相邻点但不是直接的相邻点，或者●在接收范围之外但还是会造成噪音。该网格点认为由于存在干扰，发送到它的信标无法成功解码。
该BP位图是在BP 82期间内建的，当信标接收到时合并新的信息。在每个传输的信标中发送最新的BP位图。
属主向量
在任何信标发送中，只要它将BP位图的项目设为10或11，就必须在BP位图之后发送属主向量。该属主向量由该BP位图中设为10或11的每个项目的mDEVIDBits比特所组成，并且标识该适当的网格点的DEVID。如果对于发送网格点来说该DEVID是未知的(只有该项目设为11时才可能发生)，则将该DEVID设为0。
Q信标传输和接收
在网格点加电之后，该网格点设备在mScanBeacons个连续BP中扫描信标。如果在扫描后该网格点设备没有接收到有效的信标，则在它发送或接收任何帧之前，它要通过在BP 82的第一个信标时隙160中发送信标78来构造新的BP 82。
如果该“刚刚加电的”网格点设备在扫描期间已经接收到一个或多个有效的信标，则它不构造新的BP 82。它建立内部占用图(IOM)，该图随着每个接收到的信标而更新。该内部占用图是由mMaxBPLength个比特92组成的位图。每个比特对应于BP 82中的一个信标时隙84。当且仅当该网格点满足以下条件时才将一个比特设为1：
是这一时隙的属主，这要求它之前在这一时隙已经发送过信标，或者
已经在这一时隙中接收到信标，或者
已经接收到的信标在该BP位图的相应项目中为01、10或11。
否则，将该比特设为0。
利用该占用图(以及关于可以从接收到的信标计算出来的区段的信息)，示例网格点在对应于要发送信标的长度的区域中，标记为0的第一时隙160中发送信标。如果该合适的区域不存在，则该网格点通过在最后的空闲信标时隙中发送信标而构造一个新的区域。
如果设备如下一部分中所描述的那样检测到信标冲突，它将随机选择另一个在IOM中标记为0的时隙。
信标冲突的检测和解决
令DEVID为“x”的网格点在BP“n”中的信标时隙“j”中发送信标。当且仅当相邻网格点在BP位图中接下来的BP实例“j”中接收到的所有信标都设为“10”，并且该属主向量中相应的实例是“x”时，或者该实例“j”设为“00”时，该电台才会认为该信标传输成功。
如果不能认为该信标成功，则该网格点受到信标冲突的影响，并且应该根据时隙的IOM随机选择另一个空闲时隙。
BP离开
如果一个网格点因为其信标信息已经减少，而想要释放它的一个信标时隙，则该网格点释放其在BP 82中的最后一个信标时隙。此外，该网格点还应该通过在BP位图156中标记为00的时隙中发送最后一个信标，来声明其离开。
BP紧缩
如果网格点，依照其IOM，是区段的最后信标占有者，并且在同一区段内有时隙标记为空闲，则该网格点应该通过下面的过程将其信标移动到空闲时隙。如果“j”是空闲信标时隙的数量，则该网格点应该：
在初始时隙“j”中发送信标，该时隙在BP位图中设为“01”，
在下一个BP中的时隙“j”发送信标，和/或
在初始时隙上发送一个如“BP离开”中描述的离开信标。
图11示出了依照本发明的一个实施例的信标移动的例子。首先，由DEVID为“8”的网格点检测到时隙“3”160为空闲的，此外，该DEVID为“8”的网格点知道其在BP 82中发送最后的信标。因此，它尝试通过预留图11b中的时隙162来占用时隙“3”160。在下一个BP中，它可以在时隙“3”160中发送它的信标164，并且声明它在时隙“10”166中离开。最后，在图11d中成功完成了该移动过程。
该扩展区段和下一区段的开始或该业务阶段可能在一个或多个信标移动之后才移动。图11示出了BP紧缩的四个步骤。信标区段的最后设备应该将其信标位置移动到该信标区段的第一个空时隙。这就是四步过程。首先，想要将其信标移动到未占用的空闲时隙的网格点应该在它的初始时隙中发送一个信标，其中声明它要将其信标移动到该信标中所声明的空闲时隙去(在BP位图中设为“01”)。然后，在下一BP期间，该网格点在两个时隙中(新时隙164和旧时隙166)发送信标。最后，网格点设备在最后的时隙166中停止信标帧的发送。因此，信标区段得以压缩，并且未使用的信标时隙可以重新用于数据传输。
TxOP所有权
利用示例信标周期访问协议，任何网格点都能向其相邻的网格点设备发送信息元素(IE)。该IE可以用于协商当前的和下一个MTP 72中即将到来的TxOP 120的所有权。TxOP的事先协商很重要，因为它使得无线媒体的使用是可以预见的，从而使得网格点有准确的信息，知道在哪个时间点上哪个相邻点在发送和哪个点在接收。
相比随机访问协议，该信息是有一些优点的。一个优点就是较低的冲突可能性：当完成协商时，该TxOP的属主可以保证该信道不会被任何可能对传输造成干扰的网格点所使用。
该改进的消息的另一个重要方面是在网格点之间计划同时传输的简单性，这在其它环境下是不可行的。
TxOP协商
在发射机(如果协商成功则称为TxOP的属主)和接收机之间协商TxOP的占用。为了加速这一过程，可以在同一时间周期中协商多个TxOP。此外，一个TxOP可以有多达mMaxNoOfReceivers个接收网格点。这使得发射机将时隙的使用率最大化。因此，TxOP所有权可以是多TxOP和多接收机，但只能有一个属主。
通过在参与者的信标中添加特定的TxOP所有权信息元素(OIE)来完成新的占用的协商。此外，可用性IE可以在协商之前或协商期间添加以提高搜索对于所有参与者都空闲的TxOP的速度。图12描述了示例TxOP所有权IE的结构；不同字段的意义依赖于协商的步骤。
所有监听信标的活动网格点必须处理OIE 172以建立内部业务阶段占用图。在该图中，网格点将时隙标记为已占用或空闲，并且如果该时隙已占用则另外存储：
该时隙的属主，即要在该时隙中进行传输的网格点。
期望在该时隙期间从属主接收数据的这一时隙的接收机。
将一个时隙标记为已占用，如果：
在标记为“已占用的”时隙中接收到OIE，和/或
在先前的MTP期间在该时隙中检测到超过mNoiseThreshold门限值的噪声。
从另一个方面看这个实施例，该协商过程可以粗略地看作是发射机和接收机之间的双向握手。在握手的第一步，发射机提出一些它想在其中发送数据的TxOP。然后紧接着的是接收机的回答，通过确定所声明的TxOP，或者通过拒绝该提案并且因此重新开始协商来完成协商。
通过识别OIE 172的状态比特170中的协商状态，所有相邻网格点都知道该协商是否已经完成，并且它们需要尊重该所有权，或者知道这是否只是提议则不是必须的。在后一种情况下，可以由这些TxOP自己预留TxOP的所有权。利用先到先服务技术完成这一过程。这还意味着：如果在同一BP中有两个网格点预留了一个TxOP，则较早的信标赢得该TxOP。
由于该双向握手机制，所有权协商也类似于802.11 RTS/CTS过程的作用，因为它发出该信道的占用通知。但是，这种方法更高效，因为可能在一次握手中占用多个TxOP。
具体而言，如果网格点想占用MTP 72中的时隙84，则该网格点通过选择空闲时隙的适当模式(如内部图中标记的)，可能包括先前监听到的计算中的接收机的可用性IE，来开始协商过程。该网格点在它的下一个信标中添加OIE，该OIE指示选中的TxOP、预定接收机的DEVID、其在预留中的角色(“发射机”)以及所有权(“声明的”)170的状态。预留ID 172应该设为当前未被发射机使用的随机选中的值，该值意味着“双精度”(预留ID，发射机的DEVID)唯一定义了一个预留。
任何网格点都可以扫描BP的所有信标，以检测它的DEVID在OIE中是否出现，该网格点在该出现处的角色设为“发射机”。如果接收到这样一个OIE，该设备检测该预留ID是否已经在使用中，新的预留ID标识了新的协商。预定接收机评估它是否能够确认声明的所有权，对于以下情形正是如此：
依照本地存储的信息，该媒体在声明的TxOP期间是空闲的，或者，
新的预留的优先级高于占用预定时隙的预留的优先级，或者，
并行传输有可能有很高的概率；
允许高优先级预留接管现有的低优先级预留的部分，但不是所有时隙。
接收机通过在它自己的信标中添加OIE来确认收到OIE，该OIE的参数如下：
指明的TxOP和预留ID与发射机的OIE中是相同的；
合作伙伴Id是发射机的DEVID；
角色设为“接收机”；
所有权的状态设为“已占用”。
如果多个接收机在发射机的OEI中标识多个接收机传输，则该接收机应该在OIE中添加可用性IE，以缩短协商过程，以防其它接收机不能接受提出的时隙。应该包括可用性IE直到接收到状态为“预留”的由发射机发送的RIE为止。
在接收机不能知道提出的预留的情况下，将中继OIE的所有权状态设为“声明的”。此外，该OIE指明包括在该OIE的位图中的所有可用于原定传输的时隙。这将更好地使发射机找到成功的预留。
发射机必须持续发送它“声明的”占用，直到从所有原定的接收机接收到答复或者持续了mTryReservations个信标周期为止，不管这两个哪个先出现。在另一个实施例中，该发射机必须取消预留。
当发射机已经从所有原定的接收机收集到OIE确认之后，协商已经成功完成了，并且该发射机成为该TxOP的属主。网络附近的所有监听到该OIE的其它网格点都要尊重该所有权。原定的接收机要在预留用于数据传输的时隙期间进行监听。
如果在起始信标中RIE的原定接收机发现提出的时隙已占用，并且没有其它时隙可以预留，或者如果设备因为任何其它理由而不愿意接受此预留，则该RIE的原定接收机应该在它的下一个信标中发送一个RIE，其具有的参数为：
DEVID设为收发器的DEVID；
预留ID设为初始OIE的预留ID；
角色设为“接收机”；
所有权状态设为“已声明的”；
预留信息设为0
这样一个RIE应该解释为预留的被拒绝，并且发起者不应该与接收机重新初始化预留协商。
维持所有权
在成功的协商之后，参与的网格点继续在它们的信标中加入OIE，该OIE指明了已占用的TxOP并且其状态已设为“已占用”。所有其它接收到这些信标的设备尊重该协商的所有权。
在接收机之一的属主想要改变占用的情况下，它们可以通过发送一个带有新信息和旧的预留ID，但将状态设为“已声明”的OIE，来重新开始协商过程。如果接收机发起重新协商，则它应该在其信标中添加有效IE。
如果发射机或者接收机想要取消现有的预留，它们可以发送一个取消OIE，该OIE包括相同的预留ID、合作伙伴DEVID以及“已占用”的状态，但是预留信息由0来填充。所有相邻网格点可以在接收到该特定OIE之后，从它们的内部占用图中删掉这一预留。
确认
接收机利用确认帧分别来报告MSDU或MSDU的片段接收成功或失败，该确认帧是先前由发射机发送的。由于TxOP的所有权，接收机不得一接到该数据帧就即刻发送ACK帧。总之，在多个接收TxOP中立刻发送ACK帧是不可能的。此外，立即确认意味着发射机/接收机角色的改变，这对于相邻网格点是不可预知的。
因此，在本发明的实施例中，确认帧按照任何与数据帧的处理方式相同的方式来处理：接收机和发射机之间协商的TxOP已经占用；可以利用一个分组队列将ACK帧和其它帧一起发送。该ACK帧优选与发往该发射机的帧一起发送。
因此，接收机在能够确认第一帧之前可能会收到多个数据帧，尤其是当接收机所用的适当TxOP所有权不存在并且需要先创建时。一旦拥有TxOP，它就可以用于发送两类不同的确认帧：
累计ACK
发送累计ACK，该接收机确认至此已经向它发送的所有MSDU(或者MSDU片段)，但不包括该累计ACK中表明的序列号/分段号。该发射机可以从它的发送队列中删除直到已标识的MSDU为止的所有MSDU。
位图ACK
位图ACK明确列举最后收到的分组的成功或失败状态。该序列控制字段指定接收机所期望的下一个分组的下一序列号/分段号，不包括已经发出但还没有成功接收的分组。
所附的位图标明了已经接收到的MSDU的状态，它以最后成功的MSDU开始(如序列控制域-1所标识的)，对于每个序列号来说，该位图中的两个字节表示相应MSDU的16个帧的状态。该位图中最后两个字节代表没有正确接收到的最低序列号(取模)的MSDU。
发射机可以从它的发送队列中删除所有在位图中标识为成功的MSDU片段，以及那些序列号低于位图中最后两个字节的相应序列号的MSDU。
在发往发射机的一帧内当然也可以有两类ACK的组合，但是，位图ACK必须预料到累计ACK；前者的内容优先于后者。
在两种类型的ACK帧中，缓冲尺寸字段指定了为该特定发射机预留的接收缓冲器中空闲空间的量(用字节计)。这一尺寸标识用作流控机制，以避免发射机使该接收机超负荷。该发射机在等待下一ACK之前，只能发送给定数量的字节。由发射机或接收机进行的最后帧的重传可以用于更新这一标识。
此外，拥塞控制等机制可用于由发射机估计其在等待下一个ACK之前可以发送的分组数量的最佳值。
本发明的实施例可以包括一种通信网络中的媒体访问控制(MAC)方法，包括多个主模块(网格AP)和多个从模块(STA)，包括将时间间隔(超级帧)划分为两个阶段：第一阶段用于BSS内部业务(AP业务)以支持现有媒体访问机制的使用；第二阶段用于DS内部业务(网格业务)。第二阶段包括每个超级帧中出现一个信标周期，包括关于从发送网格点所看到的该信标周期的结构的信息，包括相邻点和相邻点的相邻点的信标，以及计划的在当前网格业务阶段向该网格点进行的发送和从该网格点进行的接收。该第二阶段还包括每第二个超级帧出现一个信标周期，仅仅是为了提高效率，包括与每个超级帧发生的信标周期中相同的信息，此外还包括在随后的网格业务阶段中向和从该网格点进行的发送和接收。该第二阶段还包括一个用于传输协商的TxOP的业务阶段，如果可能的话也包括同时传输。此外，本发明的实施例包括在信标周期中声明非竞争周期(CFP)以使其它电台保持静默。
此外，本发明的实施例包括：将该信标周期(BP)划分为多个时隙，其中，设备可以利用多个时隙来动态增大它们的信标；动态定义该信标周期中时隙的长度；将BP持续时间定义为TxOP持续时间的数倍且计算为最后的BP中最后监听到的业务、从该BP中接收到的信标所报告的最后已占用时隙以及从该最后的BP中接收到的信标报告的最后已占用时隙加上适当数量的空闲时隙这三者之中的最大值，其中空闲时隙的数量通过识别该最后的BP中区段的数量(通过每个区段的扩展时隙)来计算。该BP长度永远不能大于mMaxBPLength。此外，本发明的实施例允许使用可变大小的信标帧来占用多个连续时隙，以及将大小相同的信标排列成组。另外，本发明的实施例可以包括允许网格点发送多于一个的带有不同信息的信标，并且通过滑动(如果该信标直接位于间隔之后)或者跳跃(利用后到先服务策略)方式来填充未使用的信标时隙。
本发明还包括最后的信标占有者通过下面的过程将信标移动到空闲时隙。如果“j”是空闲信标时隙的编号，它应该在BP位图中设为“01”的初始时隙“j”中发送信标，在下一个BP中的时隙“j”发送信标，并且在该初始时隙中按照“BP离开”中所描述的那样发送离开信标。此外，本发明包括定义遵循IEEE 802.11标准的信标帧结构，并且该结构包括的信标周期占用信息元素由BP长度字段、带有相邻网格点和相邻点的相邻网格点所占用的信标时隙信息的BP位图以及属主向量组成。
本发明的实施例还包括一个活动网格点监听信标，以处理内部业务阶段占用图，并且当接收到标记为“已占用的”OIE时，和/或在先前的MTP中在一个时隙中检测到超过mNoiseThreshold门限值的噪声时，将该时隙标记为已占用。并且，如果该时隙已占用，另外存储该时隙的属主，即想要在这一时隙进行传输的网格点，以及想在这一时隙期间从该属主接收数据的接收机。
另外，本发明的实施例还可以包括在网格业务阶段发送和接收关于计划的TxOP的所有权信息，该信息包括所有权ID(和属主的DEVID一起，唯一标识所有权)、在计划的TxOP期间该信息发送者的角色(是发射机或者接收机)、所有权状态(已声明的或已占用的)、合作伙伴(根据发送者在TxOP期间的角色，可以是接收机或者发射机)的数量以及由位图标识的所占有的TxOP的开始时间。
此外，本发明的实施例可以包括网格点接收所有权信息并且作为协商下的TxOP的原定接收机，并且在下面情况下确认这一TxOP——当依照本地存储的信息，媒体在已声明的TxOP期间是空闲的；当新的预留的优先级高于占用计划时隙的预留的优先级时；或者当如具体描述中所解释的并行传输有较高的可能性时。另外，本发明的实施例可以包括网格点接收所有权信息并且作为协商下的TxOP的原定接收机，但是不能够确认这一所有权，因而以“声明的”所有权信息作为回复，该信息声明将TxOP位图重用作可用性位图。
另外，本发明的实施例还可以包括网格点，遵照已声明的TxOP的所有权，如果状态设为“已占用”，则该网格点既不是该TxOP的原定接收机也不是发射机。而且，本发明的实施例根据信标周期中提出的值定义网格业务阶段的持续时间。因此，本发明包括：在超级帧实际开始之前非常小的一瞬间声明该超级帧(TBTT)开始，并且利用DevID来标识该网格AP，该DevID是在信标周期期间收集所有检测的Id之后随机选择的。另外，本发明的实施例包括以不同频率发射网格业务和AP业务，其中，接收机对已经发送到其的所有MSDU(或者MSDU片段)进行确认，除了在该累计ACK中标识的序列号/分段号。该发射机可以从它的发送队列中将直到已标识的MSDU为止的所有MSDU删除。本发明的实施例还可以包括接收机，它用ACK信息将数据分组的成功接收发送回到该发射机，该ACK信息被捎带在自己发回发射机的数据传输中。
上文描述的发明和方法可能有多种多样的实施例和变化。附图中所示的和具体实施方式中所描述的只是本发明和方法的特定实施例，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是能够在不偏离权利要求书中所定义和列出发明构思的情况下，可进行其它的重组、修改、替代。因此应当理解的是，本发明的保护范围和对本发明的总体理解涵盖以上所有方案，并且，其只由下面的权利要求书进行限定。

Claims (19)

1.无线网格网络(10)中的媒体访问控制方法，所述方法包括：
将一个时间间隔(76)分为用于基本业务组内部业务的第一阶段(70)和用于分发系统内部业务的第二阶段(72)，所述第二阶段包括信标周期(82)；
将所述信标周期分为一个或多个时隙(84)，由此使得信标周期中有整数个时隙，以便所述网络(10)中的多个设备适于使用所述时隙动态地增大它们相应的信标；
动态地为所述信标周期(82)内的每个时隙(84)定义时隙长度；
定义信标周期持续时间。
2.权利要求1的方法，其中，所述第一阶段用于接入点(AP)业务(70)。
3.权利要求1的方法，其中，当从发射设备(24)发出时，所述信标周期(82)包括与所述网络(10)中的相邻设备(22)相关的信标。
4.权利要求1的方法，还包括：
在所述信标周期内声明一个无竞争周期(CFP)(74)，所述无竞争周期声明指示所述网络中的预定电台在所述无竞争周期期间(74)内保持静默。
5.权利要求1的方法，其中，所述信标周期(82)持续时间数倍于传输机会持续时间(120)。
6.权利要求5的方法，其中，所述信标周期持续时间被计算成是以下三者中的最大值：
从所述信标周期中接收到的信标所报告的最后占用时隙，
在最后的信标周期中最后监听到的业务，
从最后的信标周期中接收到的信标所报告的最后占用时隙加上适当数量的空闲时隙，该数量可以在识别出所述最后的信标周期中的区段的数量时计算出来。
7.权利要求6的方法，其中，所述信标周期持续时间不大于mMaxBPLength(92)。
8.权利要求1的方法，还包括：
将所述信标周期内的各个时隙的时隙长度按照持续时间大小(122、128)进行排序。
9.权利要求1的方法，还包括：
如果在一个信标周期内第一信标中的信息不同于第二信标中的信息，则允许网格点(36)在该信标周期内发送所述第一信标和所述第二信标。
10.权利要求1的方法，还包括：
以滑动或跳跃(162)方式来填充所述信标周期中的未使用的时隙。
11.权利要求1的方法，包括：
定义一个遵循IEEE 802.11标准的信标帧结构。
12.权利要求11的方法，还包括：
加入信标周期占用(BPO)信息元素(IE)(150)。
13.权利要求12的方法，其中，所述信标周期占用信息元素包括信标周期长度字段(154)、信标周期位图(156)和属主向量。
14.一种无线网格网络(10)，包括：
多个主模块(34、36)；
多个从模块(22、24)；
所述主模块和所述从模块使用无线分发系统的媒体访问控制协议(MAC)进行通信；
所述媒体访问控制协议包括：用于基本业务组内部业务的第一阶段(70)和用于分发系统内部业务的第二阶段(72)，所述第二阶段包括信标周期(82)；
所述信标周期分为一个或多个时隙(84)，从而动态地为所述信标周期内的多个时隙分别定义时隙长度，所述多个时隙的持续时间至少是一个信标周期持续时间的一部分。
15.权利要求14的网络，其中，有一个主模块(34)是所述无线网格网络(10)中的接入点。
16.权利要求14的网络，其中，所述媒体访问控制协议通过传输机会预留而支持并行传输。
17.权利要求14的网络，其中，所述分发系统内部业务是网格业务(74)。
18.权利要求17的网络，其中，所述信标周期(82)的信标周期持续时间数倍于传输机会持续时间(120)。
19.权利要求17的网络，其中，所述多个时隙在所述信标周期内是按大小组织起来的。
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