Распределенное резервирование ресурсов в беспроводной специальной сети
Изобретение относится к способу связи между станциями в системе беспроводной связи путем сокращения конфликтов доступа. Технический результат состоит в том, что данный способ связи в системе беспроводной связи предусматривает, что станции, планирующие передачу данных, в пакет резервирования вносят информацию о начальном моменте времени передачи, длительности передачи и на каком частотном канале будет производиться передача. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к способу связи в системе беспроводной связи, определенной в преамбуле пункта 1 формулы изобретения.
Изобретение также относится к системе беспроводной связи и устройству беспроводной связи.
Такой способ связи в системе беспроводной связи раскрыт в спецификациях стандарта 802.11a IEEE, 1999 уровня управления доступом к среде (MAC) и физического уровня (PHY) для беспроводной LAN: высокоскоростной физический уровень в диапазоне 5 ГГц, IEEE, Нью-Йорк, 1999. Система беспроводной связи, отвечающая этому стандарту, работает в нелицензируемом диапазоне ISM 5 ГГц и способна поддерживать скорости передачи необработанных данных в пределах от 6 до 54 Мбит/с с использованием ортогонального мультиплексирования с частотным разделением (OFDM). Стандарт 802.11b IEEE раскрывает аналогичную систему связи для работы в диапазоне ISM 2,4 ГГц. В стандартах 802.11a и 11g IEEE каналы, имеющие ширину полосы 20 МГц, используются для установления линий связи. В целом, канал в системе беспроводной связи представляет собой поддиапазон для установления линии связи с диапазоном частот, в котором работает система. Чтобы удовлетворить требованиям приложений, чувствительных к задержке, была предложена новая спецификация p802.11e, включающая в себя функции канального уровня для обеспечения как статистического, так и параметризованного QoS.
Для поддержки скоростей передачи данных вплоть до примерно 100 Мбит/с будет предложена новая спецификация канального уровня p802.11n. В это предложение включены расширения стандартов PHY на основе 11a и MAC на основе 11e, хотя сохранен определенный уровень обратной совместимости. Расширения PHY базируются на поддержке многоантенных систем (MIMO) и передаче в диапазонах 40 МГц, так называемой двухканальной операции.
Беспроводные локальные сети (WLAN), например, системы беспроводной связи, отвечающие одной из версий стандарта 802.11 IEEE или его предложенному расширению, организованы в виде сотовых ячеек или так называемых базовых обслуживающих установок (BSS). Такие сотовые ячейки содержат несколько беспроводных станций. В первом режиме работы, так называемом инфраструктурном режиме, одна станция в такой сотовой ячейке предназначена для обеспечения связи с другими сотовыми ячейками, главной станцией или узлом доступа через межсотовую систему или систему распределения. Дополнительные станции предназначены для осуществления связи друг с другом и станциями в других сотовых ячейках через узел доступа.
Альтернативно, во втором режиме, так называемом специальном режиме, главная станция или узел доступа отсутствует. Сотовая ячейка, действующая в специальном (ad hock) режиме, обычно называется независимой базовой обслуживающей установкой (IBSS). Сотовая ячейка, действующая в специальном режиме, имеет недостаточно возможностей для связи с другими сотовыми ячейками ввиду отсутствия необходимой инфраструктуры, в основном, узла доступа.
В проекте спецификации P802.11n для MAC предусмотрен механизм доступа, в котором главная станция резервирует временные сегменты в среде для станции в BSS. Этот механизм доступа, именуемый запросом обратного направления (RDR), является расширенной версией механизма, известного из стандарта 802.11e IEEE, и позволяет гарантировать (периодическое) распределение ресурсов (временные сегменты и ширину полосы) для станции. Это поддерживает передачу данных реального времени или иных данных, чувствительных ко времени.
Однако в IBSS отсутствует главная станция, которая может предоставлять доступ, чтобы гарантировать определенное качество обслуживания (QoS) для одной или более станций. Станции должны получать доступ к среде передачи в режим более или менее произвольного доступа с использованием, например, протокола множественного доступа с определением несущей и предотвращением конфликтов (CSMA/CA), отвечающего стандарту 802.11 IEEE. Даже при наличии расширений для протокола CSMA/CA, например, так называемого режима доступа EDCA (расширенный прямой доступ к несущей) согласно стандарту 802.11e IEEE для повышения качества обслуживания, нельзя гарантировать никаких распределений, и периодический доступ невозможен. Это может приводить к частым конфликтам, а следовательно, к потере данных и неэффективному использованию среды передачи. Кроме того, известно, что протокол CSMA/CA меньше подходит для связи с множеством участков трансляции, т.е. для передач между станциями, маршрутизируемой через другие станции.
В публикации WO2004/114598 A1 описан способ резервирования среды для дальнейшей передачи. В ней описан механизм резервирования, где информация резервирования дополнительно включается в заголовки сообщений MAC (управления доступом к среде) или в полезную нагрузку сообщений данных или сообщений квитирования. Однако он не проводит различий между многоантенным режимом и одноантенным режимом.
Еще один способ резервирования среды для дальнейшей передачи раскрыт в неопубликованной европейской патентной заявке PCT/IB2005/051454. Здесь станции распределяют свою информацию резервирования в выделенном маяке. В инфраструктурной сети IEEE 802.11 маяки BSS обычно передаются узлом доступа. В специальной сети IEEE 802.11 маяки попеременно передаются разными станциями. В обоих случаях для одного суперкадра только один пункт доступа или одна станция передает маяк. Однако в стандарте 802.11 явно не запрещено нескольким станциям передавать свой собственный маяк. В европейской патентной заявке PCT/IB2005/051454 такой маяк передается только с целью распределения информации резервирования. Другие станции, не использующие протокол распределенного резервирования (DRP), но основанные только на исходном стандарте IEEE 802.11, будут интерпретировать эти маяки как приходящие от узлов доступа. Резервирования распределяются в маяках, поскольку станции необязательно отслеживают пакеты или сообщения данных и квитирования других станций, но обязательно отслеживают маяки, передаваемые другими станциями. Чтобы убедиться, что резервирования воспринимаются другими станциями, другие станции должны знать о резервированиях соседних с ними станциях. Кроме того, сигнализация резервирования в маяке посредством традиционных механизмов, например так называемого "бесконфликтного периода", гарантирует, что резервирования воспринимаются традиционными станциями, даже если они не используют протокол распределенного резервирования. Однако она тоже не проводит различий между многоантенным режимом и одноантенным режимом.
Помимо прочего, задачей изобретения является создание способа сокращения конфликтов доступа за счет обеспечения гарантированного доступа к среде в отсутствие главной станции.
С этой целью изобретение предусматривает способ связи в системе беспроводной связи, содержащей первую станцию и, по меньшей мере, вторую станцию, причем каждая станция в течение, по меньшей мере, части времени управляет связью в системе, первая станция кодирует и передает сообщения, имеющие первый формат, в первом режиме с использованием, по меньшей мере, одного канала связи или имеющие второй формат, во втором режиме с использованием одного канала связи, причем первый и второй форматы имеют общую часть, вторая станция принимает и декодирует, по меньшей мере, общую часть сообщений, передаваемых либо в первом режиме, либо во втором режиме, при этом общая часть содержит информацию об одной или нескольких планируемых передачах первой станции.
Способ, отвечающий изобретению, решает проблему конфликтов доступа в системе беспроводной связи, работающей в специальном режиме, в котором каждая из станций управляет связью в системе в течение, по меньшей мере, части времени, обеспечивая информацию об одной или нескольких планируемых передачах в формате сообщения, который может декодироваться станцией, которая может декодировать информацию только в одном из возможных форматов, тем самым увеличивая "аудиторию" сообщения.
В основе изобретения лежит идея передавать информацию резервирования в части заголовка, которая не передается согласно многоантенному формату. Заголовок используется для настройки или калибровки множества антенн. Первая часть заголовка передается в одноантенном формате, а вторая часть передается в многоантенном режиме или многоантенном формате. Благодаря включению информации резервирования в первую часть заголовка, которая также называется общей частью, резервирование будет распознаваться вторыми станциями, которые не способны принимать или распознавать многоантенный формат. Первые станции способны принимать сигналы согласно многоантенному режиму, а вторые станции либо не настроены на использование многоантенного режима, либо в принципе не способны использовать многоантенный режим. Изобретение относится к инфраструктурным системам и специальным сетям.
Вышеозначенные и другие задачи и признаки настоящего изобретения явствуют из нижеследующего подробного описания, иллюстрируемого прилагаемыми чертежами, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - общая схема системы связи, имеющей инфраструктуру согласно одной из группы спецификаций стандарта 802.11 IEEE;
фиг. 2 - общая схема системы специальной связи согласно одной из группы спецификаций стандарта 802.11 IEEE;
фиг. 3 - вариант осуществления способа, отвечающего изобретению;
фиг. 4a, b и 5 - другие варианты осуществления способа, отвечающего изобретению.
На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг. 1 показана общая схема системы связи, имеющей инфраструктуру согласно одной из группы спецификаций стандарта 802.11 IEEE. Основной элемент сетевой архитектуры называется базовой обслуживающей установкой (BSS). BSS определяется как группа станций (беспроводных узлов), находящихся в общей ограниченной физической области, в которой каждая станция (STA) теоретически способна осуществлять связь с любой другой STA (предполагая идеальную окружающую среду без каких-либо физических и иных препятствий для связи).
Определены две основные конструкции беспроводной сети, специальная (ad hoc) и инфраструктурная сети. Инфраструктурная беспроводная сеть или система связи IEEE 802.11 состоит из одной или нескольких BSS, соединенных друг с другом посредством другой сети, например проводной сети Ethernet IEEE 802.3. Эта соединительная инфраструктура называется системой распределения (DS). Благодаря этой инфраструктуре каждая BSS должна иметь в точности одну беспроводную станцию, подключенную к DS. Эта станция обеспечивает возможность трансляции сообщений от других STA системы BSS на DS. Эта STA называется узлом доступа (AP) для соответствующей BSS. Подсистема, состоящая из DS и связанных с нею BSS, называется расширенной обслуживающей установкой (ESS). Согласно 802.11 IEEE предполагается, что DS может перемещать данные между BSS и на внешний портал или с него, однако способ, используемый системой DS для осуществления этой функции, не определен.
Беспроводная связь с предложенной проектной версией P802.11n организована аналогично. Предложение предусматривает механизм доступа, именуемый гибридным доступом, управляемым координатором (HCCA) в узле доступа или главной станции, в этом случае именуемой гибридным координатором (HC), который резервирует время в среде передачи для станции. Этот механизм доступа позаимствован из стандарта 802.11e IEEE, но имеет дополнительный тип спецификации трафика, именуемый периодическим запросом в обратном направлении (RDR), который позволяет периодически выделять станции ресурсы. В результате, оперативные и другие чувствительные ко времени приложения, которые требуют периодического и/или гарантированного выделения ресурсов, хорошо поддерживаются в инфраструктурном режиме работы. Однако в этом механизме доступа не предусмотрена поддержка системы беспроводной связи, работающей в специальном режиме, в которой не существует пунктов доступа.
На фиг. 2 показана общая схема системы специальной (ad hoc) связи согласно одной из группы спецификаций стандарта 802.11 IEEE. Она содержит три станции STA1, STA2 и STA3. BSS специальной сети называется независимой BSS (IBSS). Специальная беспроводная сеть принципиально отличается от инфраструктурной беспроводной LAN (WLAN). Специальная WLAN не имеет инфраструктуры и поэтому не может осуществлять связь со внешними сетями. Специальная WLAN обычно формируется исключительно для того, чтобы множество беспроводных станций могло осуществлять связь друг с другом, требуя минимально возможную внешнюю аппаратную или управленческую поддержку.
В известных системах беспроводной связи, работающих в специальном режиме связи, так называемая независимая базовая обслуживающая установка IBSS, периодические распределения и гарантированное качество обслуживания (QoS) не предусмотрены ввиду отсутствия главной станции или узла доступа, который может обеспечивать периодические распределения. В известных системах станции должны обращаться к среде передачи в режиме произвольного доступа с использованием протокола CSMA/CA. Хотя IEEE 802.11e обеспечивает некоторые расширения CSMA/CA для поддержки повышенного качества обслуживания в режиме доступа EDCA, нельзя обеспечить никаких гарантий, и периодическое распределение невозможно. В результате могут происходить частые конфликты, которые препятствуют эффективному использованию среды передачи. Кроме того, различные программы моделирования показали недостатки протокола CSMA/CA для связи с множеством участков ретрансляции.
Способ доступа к среде, отвечающий изобретению, решает проблему конфликтов доступа и периодического резервирования в специальном режиме работы. В силу своей распределенной природы способ, отвечающий изобретению, не требует наличия центрального блока или главной станции для управления связью в системе.
Согласно рассмотренному выше со ссылкой на фиг. 1 предложенный проект IEEE 802.11n предусматривает так называемый протокол распределенного резервирования. Предложение для P802.11n не имеет механизма резервирования в специальном режиме работы. Система, отвечающая предложению для P802.11n, представляет собой так называемую систему с множеством входов и множеством выходов (MIMO), допускающую различные скорости передачи данных. Это значит, что поток трафика оптимизируется для конкретного приемника (или группы приемников), и другим станциям не требуется перехватывать такую передачу. Однако протокол распределенного резервирования (DRP) требует, чтобы другие станции перехватывали объявления о резервировании, включенные в пакеты их соседей. Таким образом, способ, отвечающий изобретению, предусматривает, что информация резервирования включена в эту часть заголовка пакетов физического уровня (PHY), которая передается на скорости передачи данных, обеспечивающей устойчивую низкую пропускную способность и иногда даже в одноантенном режиме передачи, который может использоваться большинством соседних станций.
Протокол DRP предусматривает, что станции, планирующие передачу данных, объявляют начальный момент времени, длительность передачи и иногда даже частотный или кодовый канал в пакете резервирования. Этот пакет резервирования перехватывается другими станциями в зоне приема станции, передающей запрос резервирования. Другие станции сохраняют эту информацию и отказываются от любого доступа к среде в объявленный момент времени на соответствующем частотном или кодовом канале и в течение длительности запланированной передачи. Информация резервирования может относиться к единичному резервированию или совокупности периодических резервирований.
В предпочтительном варианте осуществления DRP станция, принимающая запрос резервирования, квитирует запрос резервирования, возвращая сообщение, дублирующее информацию резервирования, и другие станции, отличные от намеченной принимающей станции, активные в зоне приема передач принимающей станции, осуществляют действия по локальному сохранению информации резервирования и отказываются от доступа к среде в течение периода времени и на канале будущей передачи, перехватив сообщение квитирования. Поэтому для очистки среды также на стороне приемника пакет резервирования передается обратно намеченной принимающей станцией после того, как он поступил от передающей станции. Таким образом, другие станции в зоне приема намеченной принимающей станции информируются о запланированной передаче передающей станции и также могут отказаться от любого доступа к среде в течение объявленного периода. В другом предпочтительном варианте осуществления DRP запрос (и ответ) резервирования включает в себя информацию приоритета или приоритета/класса трафика передачи, запланированной в течение зарезервированного периода.
Согласно отмеченному выше информация резервирования DRP может передаваться в дополнение к DATA, ACK или другим кадрам. Кроме того, необходимо, чтобы соседние станции перехватывали информацию резервирования для формирования локальной записи и отказа от доступа к среде в объявленный период времени в будущем. Одна проблема состоит в том, что в большинстве современных реализаций станция декодирует пакет только до адреса приемника в заголовке кадра. Только если адрес приемника совпадает с собственным адресом или адресом группы, к которой принадлежит станция, остаток кадра будет декодирован. Отсюда следует, что предпочтительно передавать информацию резервирования до адреса приемника или добавлять правило, согласно которому любой пакет нужно декодировать до информации резервирования.
Станции декодируют PHY-заголовок большинства кадров, поскольку PHY-заголовок содержит DURATION (ДЛИТЕЛЬНОСТЬ) обмена кадрами. Эта длительность используется соседними станциями для задания их так называемого вектора сетевого распределения (NAV), который управляет их доступом к среде. Отсюда следует, что предпочтительно, чтобы информация резервирования была включена аналогичным способом в PHY-заголовок, а не в поле DURATION.
Наконец, предложение для P802.11n относится к системе MIMO, в которой от соседних станций не требуется успешно декодировать пакеты, передаваемые в многоантенном режиме передачи (поскольку поток данных адресован конкретному приемнику). Чтобы протокол DRP работал, необходимо, чтобы информация резервирования была включена в часть кадра, который передается с одной передающей антенны и на низкой скорости передачи данных. Заметим, что чем ниже скорость передачи данных, тем дальше доходит сигнал, что необходимо для эффективной защиты будущей передачи от помеховых передач. В предложении для P802.11n существуют два PHY-заголовка, которые передаются в дополнение к (и сразу после) традиционному PHY-заголовку. Эти заголовки HTSIG1 и HTSIG2 передаются посредством надежной модуляции BPSK (ДФМн) и с одной передающей антенны.
На фиг. 3 показан вариант осуществления способа, отвечающего изобретению. В этом варианте осуществления информация резервирования включается в одноантенную и/или надежную модуляцию и кодирование PHY-заголовка кадров DATA и ACK. Один из двух заголовков HT можно использовать для передачи информации резервирования, как показано на фиг. 3. Заголовок, показанный на фиг. 3, включает в себя первую часть, включающую в себя поля ST, LT, LEGA SF и HT. Вторая часть содержит поля согласно многоантенному формату MIMO. Первая используется для передачи информации резервирования. В частности, информация резервирования включена в поле HT. Однако, как показано на следующих фиг. 4a,b и 5, единственным требованием согласно изобретению является включение информации резервирования в первую часть заголовка. Поля ST и LT используются для сигнализации короткого обучающего символа и длинного обучающего символа. LEGA SF используется для сигнализации данных традиционным станциям согласно стандартам 802.11a или 802.11e и т.д. Как показано, поле HT включает в себя информацию резервирования для сигнализации текущего и/или более поздних периодов резервирования.
На фиг. 4a, b и 5 показаны другие варианты осуществления способа, отвечающего изобретению. В этом варианте осуществления предлагается передавать информацию резервирования в особом пакете сигнализации широковещательной/групповой передачи, где кадр целиком передается в одноантенном режиме и/или в режиме надежной модуляции и кодирования, как показано на фиг. 4a, b и фиг. 5. В третьем варианте осуществления станции распределяют свою информацию резервирования как часть кадра маяка, которая передается в режиме передачи, который могут понять все соседние станции. Резервирование можно сигнализировать путем объявления бесконфликтного периода, которое может восприниматься традиционными станциями стандарта 802.11.
Информация резервирования может, например, состоять из одного или нескольких из следующих элементов:
- периода трафика;
- длительности резервирования среды;
- приоритета передачи данных;
- количества будущих периодов резервирования.
Согласно другому варианту осуществления начальный момент/период резервирования сигнализируется относительно начала или конца кадра, в который включена информация резервирования.
Согласно еще одному варианту осуществления начальный момент/период резервирования сигнализируется относительно начала суперкадра. Поле периода трафика может, например, определяться как «смещение времени передачи целевого маяка". Для поддержки периодов резервирования, которые больше длительности суперкадра, поле должно добавляться, согласно этому второму варианту осуществления, чтобы сигнализировать, что резервирование включено не в каждый, но в каждый n-й суперкадр. Чтобы сигнализировать периоды резервирования, которые меньше длительности суперкадра, несколько элементов информации резервирования должны быть включены в кадр резервирования.
Описанные варианты осуществления настоящего изобретения следует считать иллюстративными и не придавать им ограничительного смысла. Специалисты в данной области техники могут предложить различные модификации этих вариантов осуществления, не выходя за рамки объема настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения.
Специалистам очевидно, что изобретение не ограничивается использованием в системе беспроводной связи, но также применимо к проводной системе связи.
Кроме того, хотя изобретение рассмотрено в связи с системами беспроводной связи, отвечающими стандарту IEEE 802.11 и/или расширениям этого стандарта, специалистам очевидно, что изобретение применимо и к другим системам беспроводной связи.
Кроме того, хотя в рассмотренных вариантах осуществления этот случай явно не описан, специалистам очевидно, что можно осуществлять повторное или периодическое резервирование, передавая единичное сообщение резервирования.
Изобретение также относится к любой системе, в которой используется MIMO и динамическая адаптация скорости передачи данных.
Изобретение выгодно применять в продуктах, отвечающих готовящемуся стандарту IEEE 802.11n, в чипсетах, а также модулях и конечных продуктах бытового назначения на основе IEEE 802.11. IEEE 802.11n является следующим поколением WLAN с объединением в сеть бытовых электронных устройств (например, аудио- и видеоаппаратуры) в качестве основного применения. Это также является причиной особой важности специального режима работы, поскольку не все дома будут оборудованы узлами доступа, но некоторые бытовые электронные приборы должны осуществлять непосредственную связь друг с другом (в специальном режиме).
1. Способ связи в системе беспроводной связи, содержащей первую станцию и, по меньшей мере, вторую станцию, в котором каждая станция в течение, по меньшей мере, части времени управляет связью в системе, в котором первая станция кодирует и передает сообщения, имеющие первый формат, в первом режиме с использованием, по меньшей мере, одного канала связи или имеющие второй формат, во втором режиме с использованием одного канала связи, при этом первый и второй форматы имеют общую часть, вторая станция принимает и декодирует, по меньшей мере, общую часть сообщений, передаваемых либо в первом режиме, либо во втором режиме, причем общая часть содержит информацию об одной или нескольких планируемых передачах первой станции.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первом режиме сообщения передаются на, по меньшей мере, одном канале и во втором режиме сообщения передаются на одном канале.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что информация первой станции содержит запрос, по меньшей мере, второй станции зарезервировать канальные интервалы на, по меньшей мере, одном канале, чтобы первая станция могла без помех осуществлять периодические передачи.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что общая часть содержит первый заголовок и второй заголовок, причем информация о периодических передачах закодирована в первом заголовке или втором заголовке.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что сообщения в первом режиме отвечают одному из стандартов из группы стандартов IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g и IEEE 802.11e.
6. Система беспроводной связи, содержащая первую станцию и, по меньшей мере, вторую станцию, в которой каждая станция в течение, по меньшей мере, части времени управляет связью в системе, при этом первая станция предназначена для кодирования и передачи сообщений, имеющих первый формат, в первом режиме или имеющих второй формат, во втором режиме, причем первый и второй форматы имеют общую часть, вторая станция предназначена для приема и декодирования, по меньшей мере, общей части сообщений, передаваемых либо в первом режиме, либо во втором режиме, причем общая часть содержит информацию о периодических передачах первой станции.
7. Устройство беспроводной связи для использования в качестве первой станции в системе беспроводной связи, содержащей первую станцию и, по меньшей мере, вторую станцию, причем каждая станция в течение, по меньшей мере, части времени управляет связью в системе, первая станция предназначена для кодирования и передачи сообщений, имеющих первый формат, в первом режиме или имеющих второй формат, во втором режиме, при этом первый и второй форматы имеют общую часть, вторая станция предназначена для приема и декодирования, по меньшей мере, общей части сообщений, передаваемых либо в первом режиме, либо во втором режиме, при этом общая часть содержит информацию о периодических передачах первой станции.
8. Устройство беспроводной связи для использования в качестве второй станции в системе беспроводной связи, содержащей первую станцию и вторую станцию, причем каждая станция в течение, по меньшей мере, части времени управляет связью в системе, первая станция предназначена для кодирования и передачи сообщений, имеющих первый формат, в первом режиме или имеющих второй формат, во втором режиме, при этом первый и второй форматы имеют общую часть, вторая станция предназначена для приема и декодирования, по меньшей мере, общей части сообщений, передаваемых либо в первом режиме, либо во втором режиме, при этом общая часть содержит информацию о периодических передачах первой станции.
