專利名稱：在未經(jīng)過協(xié)調(diào)的無線多用戶系統(tǒng)中的跳頻皮可網(wǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種未經(jīng)過協(xié)調(diào)的無線多用戶系統(tǒng)，更具體地說，涉及一個未經(jīng)過協(xié)調(diào)的無線多用戶系統(tǒng)中的自組織連接。
背景技術(shù)：
無線局域網(wǎng)(LAN)通常覆蓋了計算機產(chǎn)業(yè)和無線通信產(chǎn)業(yè)相融合的技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)依賴于有線LAN，通常是分組交換并面向數(shù)據(jù)傳輸。與之相反，無線網(wǎng)絡(luò)、具體是蜂窩網(wǎng)絡(luò)則依賴于廣域網(wǎng)，通常是電路交換并面向話音傳送。無線LAN設(shè)計中的大部分嘗試重新利用了有線LAN使用的原理。但是，這種處理存在問題，因為有線媒質(zhì)和無線媒質(zhì)的環(huán)境在許多方面都有所差別。而且，由于數(shù)據(jù)、話音和圖像所專門具有的業(yè)務(wù)特點，多媒體通信需要一些附加特性。最后，住宅環(huán)境有其自身的要求，這可能是決定系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素。
幾乎百分之百的現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)都使用了有線結(jié)構(gòu)。有線媒質(zhì)的范圍可以從一對簡單的雙絞線到一條光纖。由于其受到屏蔽和可控的環(huán)境，有線媒質(zhì)的特征在于低干擾電平和穩(wěn)定的傳播特性。因此，有線媒質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)較高到極高的數(shù)據(jù)速率。由于后一原因，有線LAN中的所有使用者通常共享這個單一媒質(zhì)。該媒質(zhì)由單條信道組成，該信道在任何特定時刻只能由若干不同用戶中的一個用戶使用。時分復(fù)用(TDM)允許不同用戶在不同時間接入信道。
IEEE在其802系列中已完成了對接入有線媒質(zhì)的協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。通常，諸如載波偵聽(例如以太網(wǎng)802.3載波偵聽多址接入/沖突檢測(CSMA/CD))或令牌(例如802.4令牌總線或802.5令牌環(huán))等多址接入預(yù)留技術(shù)被用來實現(xiàn)媒質(zhì)接入。這些協(xié)議可以按分布方式使用，因為占用信道的用戶通過當(dāng)前的傳輸或令牌預(yù)留媒質(zhì)。在這些方案中，每個用戶都可以得知到所有業(yè)務(wù)。也就是說，在單個LAN中，所有用戶共享的不僅是信道，還有該信道上傳送的所有信息。當(dāng)使用者數(shù)目增加時，該LAN可以劃分成更小的LAN或信道獨立工作的區(qū)段。LAN可以通過構(gòu)成不同局域網(wǎng)之間的接口的網(wǎng)橋或路由器互連。這些配置產(chǎn)生了更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。例如，可以參考D.Bertsekas和R.Callager的《數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)》一書，第二版，Prentice-Hall，倫敦，1992年。對于住宅LAN的討論，只要考慮單個LAN就足夠了。LAN通常提供一種無連接的分組交換業(yè)務(wù)。每個分組有一個目的地址(通常還有一個源地址)，使得每個用戶可以決定被傳送的分組是否是送給他的。
應(yīng)當(dāng)懂得單個LAN中的每個用戶凈流量取決于信道上的峰值數(shù)據(jù)速率和共享該信道的用戶數(shù)目。即使有線媒質(zhì)的高帶寬使得峰值數(shù)據(jù)速率很高，如果信道必須由許多用戶共享，有效用戶流量也可能很低。
由于在當(dāng)前有線LAN上進行的通信類型是異步和無連接的，因此它不適于支持對時延敏感的業(yè)務(wù)，例如話音。話音業(yè)務(wù)要求同步或等時連接，這種連接需要媒質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議中的優(yōu)先級技術(shù)為話音用戶提供高于非話音用戶的優(yōu)先權(quán)?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)中的各種研究已經(jīng)表明這并不是一項很輕松的工作。
在過去幾年里，美國和歐洲的標(biāo)準(zhǔn)化組織進行了關(guān)于無線LAN(WLAN)方面的工作。在美國，產(chǎn)生了IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)草案，P802.11/D1，1994年12月)，而在歐洲則產(chǎn)生了ETSI HIPERLAN標(biāo)準(zhǔn)(ETSI，RES10/96/etr，“無線設(shè)備和系統(tǒng)(RES)；高性能無線局域網(wǎng)(HIPERLAN)”，1996年7月)。
首先來看一下IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，正如其名字所示，它是對802LAN標(biāo)準(zhǔn)的一個擴展。無線連接是一條射頻鏈路或一條紅外鏈路。無線媒質(zhì)是2.4GHz處的工業(yè)、科研和醫(yī)用(ISM)頻段。不過，對于一個無線LAN，任何特定時刻都只有1-2Mb/s的信道可用。這條相對較窄的信道必須由無線網(wǎng)絡(luò)的所有使用者共享?；谟芯€基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的配置和基于特設(shè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(ad-hoc structure)的配置都已被定義。對于有線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，無線系統(tǒng)只提供有線LAN和用戶終端之間的一條無線擴展鏈路。固定接入點連接有線域和無線域。在一個特設(shè)網(wǎng)絡(luò)中，無線單元創(chuàng)建自己的無線網(wǎng)絡(luò)。有線骨干網(wǎng)根本就不會涉及。與無線通信相伴的特設(shè)特性為WLAN提供了在某些應(yīng)用中優(yōu)于有線LAN的重要特點。
為了避免2.4GHz頻段中的其他網(wǎng)絡(luò)或其他應(yīng)用的干擾，要使用直接序列擴頻或慢跳頻。信道接入通過提供無連接業(yè)務(wù)的一種載波偵聽多址接入/沖突避免(CSMA/CA)的專用形式來實現(xiàn)。在基于有線基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)中，固定部分充當(dāng)管理所有業(yè)務(wù)的中心控制器。在特設(shè)結(jié)構(gòu)中，分布式CSMA/CA協(xié)議提供對信道的多址接入。
總的來說，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)非常類似于有線以太網(wǎng)，只是其中的有線線路被一條1Mb/s的無線信道所取代。應(yīng)當(dāng)理解當(dāng)使用者增加時，有效用戶流量會迅速降低。另外，因為用于直接序列擴頻(DSSS)的擴頻系數(shù)僅為11，用于跳頻擴頻(FHSS)的跳頻速率僅在10到20跳/秒之間，所以對ISM頻段內(nèi)干擾的抵抗能力很弱。盡管不同網(wǎng)絡(luò)理論上可以在同一區(qū)域內(nèi)共存(不同網(wǎng)絡(luò)使用被規(guī)定為7個的不同DSSS載頻，或使用不同的FHSS跳頻序列)，從而提高總流量，但事實上，在A.Kamerman的“改善WLAN性能的擴頻技術(shù)”(見《微波與射頻》，1996年9月，pp.109-114)一文中，作者認為無論采用何種技術(shù)，定義為每用戶平均流量與共存用戶數(shù)(不一定使用同一網(wǎng)絡(luò))之積的總流量都不會超過4-6Mb/s。對于在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)下共存的不同網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)最好建立在有線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上數(shù)目有限的共存固定接入點可以創(chuàng)建它們自己的網(wǎng)絡(luò)。這樣就可能通過有線網(wǎng)進行某些協(xié)調(diào)。但是，對基于特設(shè)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)下這樣做就要困難得多，因為MAC協(xié)議不支持這種創(chuàng)建。進入一個特設(shè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的單元將加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，而不是創(chuàng)建它們自己的網(wǎng)絡(luò)。
HIPERLAN遵循著與IEEE 802.11相同的思路。系統(tǒng)工作在5.2GHz頻段(在美國不可用)。標(biāo)準(zhǔn)仍在制定之中，并且包括一個子標(biāo)準(zhǔn)家族HIPERLAN1到4。最基本的部分HIPERLAN1(ETSI，ETS 300652，“無線設(shè)備和系統(tǒng)(RES)；高性能無線局域網(wǎng)(HIPERLAN)類型1；功能性規(guī)范”，1996年6月)與IEEE 802.11類似。使用的同樣是單條信道，但是具有更高的峰值速率23.5Mb/s。一種稱為消除讓步非優(yōu)先多址接入(EY-NPMA即，Elimination-Yield Non-Preemptive PriorityMultiple Access)的專用CSMA/CA方案被采用，它在預(yù)留信道之前提供了若干基于爭用的階段。盡管5.2GHz頻段在歐洲是無許可證的，但只允許HIPERLAN類型的應(yīng)用。因此，沒有實施針對未知干擾的專門措施。如果使用不同的23MHz寬的信道，那么不同網(wǎng)絡(luò)可以在同一區(qū)域內(nèi)共存。在5.2GHz之外，定義了五個這類信道。
在HIPERLAN領(lǐng)域內(nèi)另一項有意義的活動是HIPERLAN 2的標(biāo)準(zhǔn)化，它關(guān)注的是無線異步傳輸方式(ATM)。據(jù)推測，該無線網(wǎng)絡(luò)也將使用5.2GHz頻段，支持約為40Mb/s的峰值數(shù)據(jù)速率，并使用帶有某種按需分配MAC方案的一種集中式接入方案。
現(xiàn)有WLAN系統(tǒng)和有線LAN的共同點是單條信道由局域網(wǎng)的所有使用者共享。所有用戶共享媒質(zhì)本身以及這一媒質(zhì)上傳送的所有信息。在有線LAN中，這條信道可以包含整個媒質(zhì)。但是，在無線LAN中不然。在無線LAN中，無線媒質(zhì)通常具有80到100MHz的帶寬。由于實現(xiàn)的制約和無線收發(fā)機的成本，以及諸如FCC和ETSI等管制部門實施的限制，實際上不可能定義無線LAN中的無線信道具有與無線媒質(zhì)相同的帶寬。因此，在一個LAN中只有部分無線媒質(zhì)被使用。這使得信道上的峰值數(shù)據(jù)速率降低。但更重要的是，因為所有使用者要共享這條現(xiàn)在比媒質(zhì)窄得多的信道，有效用戶流量降低了。盡管媒質(zhì)被劃分成不同信道，每條信道都可用于建立一個不同的無線LAN，實際上，某一區(qū)域只能由一個網(wǎng)絡(luò)覆蓋，特別是涉及到特設(shè)網(wǎng)絡(luò)的時候。在基于有線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的無線LAN中，不同信道可用于創(chuàng)建小區(qū)，每個小區(qū)擁有自己的網(wǎng)絡(luò)，不被相鄰小區(qū)干擾。這一結(jié)果是通過規(guī)劃信道分配的努力實現(xiàn)的。使用這種方法，就創(chuàng)建了與蜂窩移動系統(tǒng)中所類似的一種蜂窩結(jié)構(gòu)。但是，禁止在同一小區(qū)中使用不同的特設(shè)無線網(wǎng)，這限制了每單位區(qū)域內(nèi)可獲得的總流量。
下面考慮借助數(shù)據(jù)鏈路的話音傳輸，這仍然是傳統(tǒng)系統(tǒng)中的一個問題，因為無線LAN標(biāo)準(zhǔn)重新使用了有線標(biāo)準(zhǔn)中遇到的多址接入方案。正如M.A.Visser等人的“在802.11無線網(wǎng)絡(luò)中的話音和數(shù)據(jù)傳輸”(《PIMRC’95會議錄》，東京，1995年9月，pp.648-652)中所示，使用這些MAC協(xié)議進行話音傳輸也不太合適。
因此我們需要一種經(jīng)濟有效的局域網(wǎng)無線替代方案，它能同時支持話音和數(shù)據(jù)，并且是自組織的，以有效使用有限的無線頻譜。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供以無線方式連接設(shè)備、對所分配的頻譜進行最佳利用的方法和裝置。
另一個目的是提供一種連接結(jié)構(gòu)，其中的單元可以單獨建立點到點連接，而不受共享同一區(qū)域和同一頻譜的其他單元之間的點到點連接的影響。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在包括一個主單元和一個從單元的無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了上述和其他目的。主單元包括向從單元發(fā)送一個主地址的裝置；向從單元發(fā)送一個主時鐘的裝置；以及通過一條虛跳頻信道與從單元通信的裝置。從單元包括接收來自主單元的主地址的裝置；接收來自主單元的主時鐘的裝置；以及通過虛跳頻信道與主單元通信的裝置。另外，在這個無線網(wǎng)絡(luò)實施例中，虛跳頻信道的跳頻序列是主地址的函數(shù)；跳頻序列的相位是主時鐘的函數(shù)。
在本發(fā)明的另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)中的主單元還包括發(fā)送一條查詢消息的裝置，該消息查詢來自從單元的從地址；從單元還包括接收查詢消息的裝置；以及響應(yīng)查詢消息以便向主單元發(fā)送從地址的裝置。
在本發(fā)明的另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)中的主單元還包括接收來自一個以上從單元的從地址和拓撲信息的裝置；以及根據(jù)該地址和拓撲信息生成一個配置樹的裝置。
還是在本發(fā)明的另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)中的主單元還包括利用配置樹為主單元和從單元之間的連接確定一條路由的裝置。
還是在本發(fā)明的另一方面，從地址和拓撲信息包括來自該多于一個從單元中的每個從單元的一個專用地址和來自該多于一個從單元中的每個從單元的僅僅第一級地址列表；根據(jù)地址和拓撲信息生成一個配置樹的該裝置包括根據(jù)該第一級地址列表生成n個連接環(huán)的裝置，其中n是一個正整數(shù)，而且該生成裝置根據(jù)以下規(guī)則生成每個連接環(huán)較高編號連接環(huán)包括的節(jié)點不能代表已由較低編號連接環(huán)中的節(jié)點所代表的單元。
在另一實施例中，根據(jù)地址和拓撲信息生成一個配置樹的該裝置包括根據(jù)第一級地址列表生成n個連接環(huán)的裝置，其中n是一個正整數(shù)，而且該生成裝置通過以下方式生成每個連接環(huán)即考慮具有父節(jié)點的一個當(dāng)前編號連接環(huán)，并在下一較高編號連接環(huán)中包括代表所有滿足以下規(guī)則的這一父節(jié)點之子的那些節(jié)點父節(jié)點的任一后代都不會代表與父節(jié)點相同的單元；一個父節(jié)點之子的任一后代都不會代表與父節(jié)點的任何孩子相同的單元；并且任一父節(jié)點之子都不會具有與所述任意父節(jié)點的任何其它孩子相同的名字。
還是在本發(fā)明的另一方面，用于具有散射拓撲的一個無線網(wǎng)絡(luò)中的無線單元包括接收來自多個其他無線單元中的每一個單元的地址和拓撲信息的裝置；以及根據(jù)該地址和拓撲信息生成一個配置樹的裝置。
還是在本發(fā)明的另一方面，無線單元還包括利用配置樹為該無線單元和至少一個其他無線單元之間的連接確定一條路由的裝置。
還是在本發(fā)明的無線單元的另一方面，地址和拓撲信息包括來自每個其他單元的一個專用地址和來自其他每個單元的僅僅第一級地址列表；根據(jù)地址和拓撲信息生成一個配置樹的該裝置包括根據(jù)該第一級地址列表生成n個連接環(huán)的裝置，其中n是一個正整數(shù)，而且該生成裝置根據(jù)以下規(guī)則生成每個連接環(huán)較高編號連接環(huán)包括的節(jié)點不能代表已由較低編號連接環(huán)中的節(jié)點所代表的單元。
還是在本發(fā)明的無線單元的另一方面，地址和拓撲信息包括來自每個其他單元的一個專用地址和來自其他每個單元的僅僅第一級地址列表；根據(jù)地址和拓撲信息生成一個配置樹的該裝置包括根據(jù)第一級地址列表生成n個連接環(huán)的裝置，其中n是一個正整數(shù)，而且該生成裝置通過以下方式生成每個連接環(huán)即考慮具有父節(jié)點的一個當(dāng)前編號連接環(huán)，并在下一較高編號連接環(huán)中包括代表所有滿足以下規(guī)則的這些父節(jié)點之子的那些節(jié)點父節(jié)點的任一后代都不會代表與父節(jié)點相同的單元；一個父節(jié)點之子的任一后代都不會代表與任何父節(jié)點之子相同的單元；任一父節(jié)點之子都不會具有與所述任意父節(jié)點的任何其它孩子相同的名字。
在發(fā)明的另一方面，一種用于生成一個連接樹、以用來確定第一無線單元和任何一個其他無線單元之間的連接路由的方法包括以下步驟在第一無線單元中，接收來自其他每個無線單元的地址和拓撲信息，其中該地址和拓撲信息包括來自其他每個無線單元的一個專用地址和來自其他每個無線單元的僅僅第一級地址列表；在第一無線單元中，根據(jù)該第一級地址列表生成n個連接環(huán)，其中n是正整數(shù)，其中每個連接環(huán)根據(jù)以下規(guī)則生成較高編號連接環(huán)包括的節(jié)點不能代表已由較低編號連接環(huán)中的節(jié)點所代表的單元。
本發(fā)明的另一方面涉及一種用于生成一個連接樹、以用來確定第一無線單元和任何一個其他無線單元之間的連接路由的方法。該方法包括以下步驟在第一無線單元中，接收來自其他每個無線單元的地址和拓撲信息，其中地址和拓撲信息包括來自其他每個無線單元的一個專用地址和來自其他每個無線單元的僅僅第一級地址列表；在第一無線單元中，根據(jù)該第一級地址列表生成n個連接環(huán)，其中n是正整數(shù)，每個連接環(huán)通過以下方式生成即考慮具有父節(jié)點的一個當(dāng)前編號連接環(huán)，并在下一較高編號連接環(huán)中包括代表所有滿足以下規(guī)則的這些父節(jié)點之子的那些節(jié)點父節(jié)點的任一后代都不會代表與父節(jié)點所代表的相同的單元；一個父節(jié)點之子的任一后代都不會代表與父節(jié)點的任何孩子相同的單元；任一父節(jié)點之子都不會具有與所述任意父節(jié)點的任何其它孩子相同的名字。
在本發(fā)明的另一方面，具有散射拓撲的一個無線網(wǎng)絡(luò)包括第一主單元；第二主單元；第一從單元；以及第二從單元。第一主單元包括向第一從單元發(fā)送第一主地址的裝置；向第一從單元發(fā)送第一主時鐘的裝置；通過第一虛跳頻信道與第一從單元通信的裝置。第一從單元包括接收來自第一主單元的第一主地址的裝置；接收來自第一主單元的第一主時鐘的裝置；通過第一虛跳頻信道與第一主單元通信的裝置。第二主單元包括向第二從單元發(fā)送第二主地址的裝置；向第二從單元發(fā)送第二主時鐘的裝置；通過第二虛跳頻信道與第二從單元通信的裝置。第二從單元包括接收來自第二主單元的第二主地址的裝置；接收來自第二主單元的第二主時鐘的裝置；通過第一虛跳頻信道與第二主單元通信的裝置。而且在無線網(wǎng)絡(luò)中，第一虛跳頻信道的第一跳頻序列是第一主地址的函數(shù)；第一跳頻序列的相位是第一主時鐘的函數(shù)；第二虛跳頻信道的第二跳頻序列是第二主地址的函數(shù)；第二跳頻序列的相位是第二主時鐘的函數(shù)；第一主時鐘與第二主時鐘未經(jīng)過協(xié)調(diào)；第一虛跳頻信道使用與第二虛跳頻信道相同的無線頻譜。根據(jù)這種設(shè)置，第一虛跳頻信道不同于第二虛跳頻信道，從而允許在第一主單元和第一從單元之間進行通信，而基本上并不干擾第二主單元和第二從單元之間的通信。
還是在本發(fā)明的另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)中的每個第一和第二主單元還包括發(fā)送一條查詢消息的裝置，該消息查詢來自第一和第二從單元的從地址。而且，無線網(wǎng)絡(luò)中的每個第一和第二從單元還包括接收查詢消息的裝置；以及響應(yīng)該查詢消息以便向第一和第二主單元發(fā)送從地址的裝置。
還是在本發(fā)明的另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)中的每個第一和第二主單元還包括接收來自一個以上從單元的從地址和拓撲信息的裝置；以及根據(jù)該地址和拓撲信息生成一個配置樹的裝置。
還是在本發(fā)明的另一方面，從地址和拓撲信息包括來自一個以上的從單元中的每個從單元的一個專用地址和來自一個以上的從單元中的每個從單元的僅僅第一級地址列表；根據(jù)地址和拓撲信息生成配置樹的該裝置包括根據(jù)該第一級地址列表生成n個連接環(huán)的裝置，其中n是一個正整數(shù)，而且生成裝置根據(jù)以下規(guī)則生成每個連接環(huán)即較高編號連接環(huán)包括的節(jié)點不能代表已由較低編號連接環(huán)中的節(jié)點所代表的單元。
還是在本發(fā)明的另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)中的從地址和拓撲信息包括來自一個以上的從單元中的每一個從單元的一個專用地址和來自一個以上的從單元中的每一個從單元的僅僅第一級地址列表。而且，根據(jù)該地址和拓撲信息生成配置樹的該裝置包括根據(jù)第一級地址列表生成n個連接環(huán)的裝置，其中n是一個正整數(shù)，而且該生成裝置通過以下方式生成每個連接環(huán)即考慮具有父節(jié)點的一個當(dāng)前編號連接環(huán)，并在下一較高編號連接環(huán)中包括代表所有滿足以下規(guī)則的這些父節(jié)點之子的那些節(jié)點父節(jié)點的任一后代都不會代表與父節(jié)點所代表的相同的單元；一個父節(jié)點之子的任一后代都不會代表與父節(jié)點的任何孩子相同的單元；任一父節(jié)點之子都不會具有與所述任意父節(jié)點的任何其它孩子相同的名字。


通過閱讀以下根據(jù)附圖進行的詳細描述，將能更好地理解發(fā)明的目的及其優(yōu)點，其中圖1是具有星形拓撲的一個網(wǎng)絡(luò)方框圖；圖2是具有環(huán)形拓撲的一個網(wǎng)絡(luò)方框圖；圖3是具有網(wǎng)狀拓撲的一個網(wǎng)絡(luò)方框圖；圖4描述了根據(jù)發(fā)明的一個方面的，具有散射拓撲的一個無線LAN；圖5a描述了一種現(xiàn)有技術(shù)的LAN，它使用與媒質(zhì)相同的單條信道；圖5b描述了一種現(xiàn)有技術(shù)的LAN，其中媒質(zhì)被劃分成幾條子信道；圖5c描述了根據(jù)發(fā)明的一個方面的，使用多信道方式的一個LAN；圖6a描述了符合發(fā)明一個方面的皮可網(wǎng)(piconet)，其中不在彼此通信范圍內(nèi)的兩個無線單元借助位于每個無線單元通信范圍的一個中間無線單元進行通信，后者充當(dāng)皮可網(wǎng)的主單元；圖6b描述了發(fā)明的另一種實施例，其中不在彼此通信范圍內(nèi)的兩個無線單元借助位于每個無線單元通信范圍的一個中間無線單元進行通信，后者充當(dāng)兩個皮可網(wǎng)之間的橋接；圖7描述了根據(jù)本發(fā)明的一個方面說明查詢過程的一種示范性配置；圖8描述了根據(jù)本發(fā)明的另一方面進行的擴展查詢處理；圖9描述了符合本發(fā)明一個方面的一種示范性第一類型連接樹；圖10描述了符合發(fā)明另一方面的一種示范性第二類型連接樹；圖11說明根據(jù)發(fā)明的一個方面，使用連接樹確定進行連接的可能路由；圖12是實現(xiàn)各種發(fā)明特性的一種示范系統(tǒng)的方框圖。
具體實施例方式
下面將根據(jù)附圖描述發(fā)明的各種特性，其中相同的部分用同一代號表示。
正如在背景一節(jié)所提到的，用于LAN的傳統(tǒng)單信道方式的特征在于所有單元都能接收信道上傳送的所有信息。因此，網(wǎng)絡(luò)拓撲是如圖1所示的星形；或如圖2所示的環(huán)形；或如圖3所示的網(wǎng)狀。在星形拓撲中，管理所有通信的主控制器可以放置在中心。在環(huán)形和網(wǎng)狀拓撲中，采用了更加分散的控制。對于有線LAN，星形和環(huán)形拓撲是最合適的，因為它們能減少電纜數(shù)量。不過在無線LAN中，全向性的無線傳播自動實現(xiàn)了網(wǎng)狀拓撲(即一個單元可直接與許多其他單元連接的拓撲)。在圖1、2和3所示的傳統(tǒng)拓撲中，所有單元與網(wǎng)絡(luò)中的其他每個單元相連。每個單元始終在幀聽主單元或信道上的業(yè)務(wù)。這對于廣播或組播這類應(yīng)用是有利的。但是，這些應(yīng)用只在占比例很小的時間內(nèi)使用。相反，大部分應(yīng)用要求的是與網(wǎng)絡(luò)連接的兩個或有限個單元之間的點到點或點到多點業(yè)務(wù)。對于這些應(yīng)用，單信道方式制約了性能。
因此，根據(jù)發(fā)明的一個方面，一種多信道方式被采用，其中需要通信的單元不必等待信道上的空閑點，而是尋找它們可以直接使用的空閑信道。在這種方式中，所有用戶平均共享所分配頻譜中的所有信道，但是在某一時刻只能有幾個用戶使用某條信道。通過這種方法，可以建立同時通信鏈路，而不產(chǎn)生相互干擾。多信道方式還支持信道重用如果連接在地理位置上相隔足夠遠，它們可以使用同一信道而不會彼此干擾。
在類似這樣的一個網(wǎng)絡(luò)中，只有相互通信的單元被連接?！罢麄€”網(wǎng)絡(luò)由散射連接或散射子網(wǎng)(皮可網(wǎng))組成，因此在此稱為具有散射拓撲。這種設(shè)置與現(xiàn)有有線LAN和無線LAN的不同之處在于盡管媒質(zhì)(例如2.4GHz處的83.5MHz無線頻譜)由所有用戶共享，但所有用戶并不共享媒質(zhì)上傳輸?shù)男畔?。取而代之的是?chuàng)建了多條信道，每條信道只由相關(guān)使用者，即那些需要共享信息的使用者共享。盡管每個單元能夠連接區(qū)域內(nèi)的其他每個單元，但它不會同時與區(qū)域內(nèi)的所有單元連接?？梢越⒍鄺l特設(shè)連接，每條連接獨立工作。
符合發(fā)明的一個散射網(wǎng)絡(luò)401實例如圖4所示。圖中構(gòu)成了四個子網(wǎng)403-1，...，403-4。在每個子網(wǎng)403-x中，只有那些真正需要交換信息的單元加入。每個子網(wǎng)403-x具有它自己的虛信道，只有這些皮可網(wǎng)的使用者競爭該對應(yīng)的信道。子網(wǎng)403-x彼此獨立工作。不需要交換信息的單元(例如圖4中的單元8)不被連接。不過，這些單元要周期性地掃描頻譜，獲取尋呼消息，以確定是否有另一單元要與其連接。
為了避免不同連接和子網(wǎng)403-x之間的干擾，要使用一種自適應(yīng)信道分配方式或一種擴頻方式。當(dāng)使用自適應(yīng)信道分配時，要進行連接的單元在不同信道上進行測量，然后選擇最佳信道(即干擾最小的信道)。但是與下面將描述的擴頻技術(shù)相比，自適應(yīng)方案有一些缺點。首先，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)性，可能難于在信道上實現(xiàn)可靠的測量。其次，必須包括一種機制，使需要通信的單元確實選擇了同一(干擾最小)最佳信道，這并不是一項輕松的工作。一個中心控制器必不可少。相反，擴頻則是一種吸引力要大得多的方法，這也是聯(lián)邦通信委員會(FCC)在無許可證頻段(例如ISM 2.4GHz)上的要求。
在使用擴頻的時候，可以采用直接序列擴頻或跳頻(FH)擴頻來擴散干擾。美國專利申請第08/685,069號(代理人文檔第27951/00059EUS00390-RCUR號，題為“短距離無線通信系統(tǒng)和所用的方法”)，中描述了一種合適的使用慢跳頻的空中接口，該申請在1996年7月23日以Paul W.DENT和Jacobus C.HAARTSEN的名義提交，并轉(zhuǎn)讓給與本申請相同的受讓人，在此被包括在內(nèi)以作參考。在前面提到的申請中描述了一種空中接口，它通過跳頻和快速分組重傳方案能抵抗共用戶干擾和其他干擾。
從若干原因來看，跳頻都要優(yōu)于直接序列擴頻。首先，最好能實現(xiàn)多個并存但未經(jīng)協(xié)調(diào)的特設(shè)連接。在這種環(huán)境中，直接序列擴頻將帶來遠近效應(yīng)問題。由于發(fā)射機的未經(jīng)協(xié)調(diào)特點，功率控制機制無法實現(xiàn)。未知干擾的存在還將導(dǎo)致需要極高的處理增益和高發(fā)射(TX)功率。高處理增益涉及到的高擴頻速率將導(dǎo)致收發(fā)機設(shè)計成本高昂。至于高發(fā)射功率，在電池供電的用戶設(shè)備中不利的。最后，使用整個可用頻譜，即2.4GHz處的83.5MHz可獲得最佳抗干擾能力。由于收發(fā)機的帶寬限制，直接序列擴頻只能使用部分頻譜。相反，跳頻系統(tǒng)則可以在整個頻譜上均勻跳躍，同時仍然具有一個合理的信道帶寬。與IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)類似，本發(fā)明定義了1MHz寬的79跳。一條虛信道定義為在所有79跳上均勻跳躍的一個偽隨機跳頻序列。通過使用不同的虛信道，可以同時建立不同的連接。不同虛信道偶爾會使用同一跳，這時它們將發(fā)生沖突。錯誤恢復(fù)和冗余就要被用來克服干擾。
圖5a，5b和5c中進一步解釋了本發(fā)明和其他系統(tǒng)相比時的媒質(zhì)共享。圖5a表示一種現(xiàn)有技術(shù)的單信道方式，其中只有一條信道503，而且正如有線LAN中通常遇到的那樣，這條信道503與媒質(zhì)501相同。所有用戶競爭同一信道503，TDM用來為每個用戶提供一部分傳輸容量。對于接入信道503的控制可以是集中式或分布式的。圖5b中表示了一個現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，其中媒質(zhì)501被劃分成幾個子信道505-x，這是例如通過使用頻分復(fù)用(FDM)來實現(xiàn)的。區(qū)域內(nèi)的用戶使用這些子信道505-x中的一條建立一個網(wǎng)絡(luò)。這條子信道505-x是固定的(例如在HIPERLAN中)或在整個媒質(zhì)內(nèi)慢跳頻(例如在IEEE802.11中)。也就是說，在不同時刻選擇不同的子信道505-x。但是在任何一個時刻，所有用戶都要為接入同一子信道而競爭。例如圖5b所示，其中表示了用戶1到9都在為接入子信道505-3而競爭的一個時刻。
圖5c中表示了發(fā)明的多信道方式。媒質(zhì)501也被分成子信道。但是一組已連接用戶507-x以較高速率在所有子信道509-x上被復(fù)用(即跳頻)。分組以跳頻速率在不同子信道509-x上被復(fù)用。跳頻模式代表一條虛信道。在圖5c中，假定了三組用戶507-x第一組507-1包括被標(biāo)識為用戶2、3和4的用戶；第二組507-2包括被標(biāo)識為用戶5和8的用戶；第三組507-3包括被標(biāo)識為用戶6、7和9的用戶。根據(jù)發(fā)明，三組用戶507-x中的每一組都構(gòu)成了一個皮可網(wǎng)。在本例中，一個附加用戶(即用戶1)不在任何一個用戶組507-x中，因此在三個皮可網(wǎng)中都未被連接。
應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)由于無線收發(fā)機的限制或管制使得媒質(zhì)必須被劃分成一組較窄的子信道時，圖5c中的多信道方式能提供比圖.5b中的單信道方式高得多的總流量。在本發(fā)明中，每個皮可網(wǎng)對應(yīng)一條虛信道，該信道使用某個序列復(fù)用所有子信道(跳頻)，并使用某個鏈路地址識別其分組。不同的皮可網(wǎng)以隨機的方式重用所有子信道；所有皮可網(wǎng)平均使用每條子信道。子信道的共享導(dǎo)致皮可網(wǎng)之間的統(tǒng)計的復(fù)用，這提高了諸如數(shù)據(jù)應(yīng)用中面臨的突發(fā)業(yè)務(wù)環(huán)境下的通信效率。由于跳頻速率高(每跳一個分組)，統(tǒng)計復(fù)用要比在一條信道上的停留時間很長的、基于FHSS 802.11的共存WLAN有效得多。
多信道方式實現(xiàn)的業(yè)務(wù)類型介于純電路交換業(yè)務(wù)和純分組交換業(yè)務(wù)之間。虛信道的定義類似于面向連接的分組交換網(wǎng)中的信道。但是，每條虛信道唯一地連接兩個或多個用戶，并以類似于電路交換網(wǎng)信道的同步方式工作。而且，與電路交換網(wǎng)中完全由被連接用戶使用的(子)信道或電路不同，皮可網(wǎng)中的電路由所有用戶平均共享。對于突發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)用，因為傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)中沒有的統(tǒng)計復(fù)用存在，它能提供更高的流量和更好地利用媒質(zhì)。
下面的討論將集中在為單元建立上述特設(shè)皮可網(wǎng)連接的示范性技術(shù)。這里描述的系統(tǒng)適合于快速建立和終止在有限區(qū)域內(nèi)散射的任意無線單元之間的特設(shè)連接。點到點和點到多點連接都能建立。所有單元都是對等單元，每個單元使用相同的無線收發(fā)設(shè)備。根據(jù)發(fā)明的一個部分，連接一旦開始，一個單元就被臨時指定為主單元。這一指定只在連接持續(xù)期間有效。除非重新定義，主單元就是發(fā)起該連接的單元。每個單元有一個用來識別自己的唯一地址或接入碼。在示范性實施例中，地址長度為64比特，不過當(dāng)然，并不是在每個實施例中都如此。地址決定了該單元為主單元時使用的偽隨機跳頻序列或虛信道。因此，主單元必須向從單元傳送其地址，以便所有單元使用同一虛跳頻信道。在一個連接期間，使用了很長的跳頻序列，其中可能的79跳中的每一跳被訪問的概率相同。跳頻序列中的相位由主收發(fā)單元中的系統(tǒng)時鐘決定。
備用狀態(tài)中的單元每隔固定時間間隔(即每T秒(例如每1.28秒))醒來一次，以便偵聽包括其地址的尋呼消息。該尋呼消息可看成一個64碼片的直接序列碼接收機對該碼做相關(guān)處理，并且只在相關(guān)結(jié)果超過一特定門限時才激活收發(fā)機的其余部分。在每個新的醒來時刻，該單元根據(jù)一個32跳醒來序列在一個新的跳頻點醒來。這32個喚醒跳頻點都是唯一的，并且在2.4GHz ISM頻段上均勻分布。喚醒跳頻點和偽隨機喚醒跳頻序列都由備用單元的地址決定。序列中的相位由備用單元的系統(tǒng)時鐘決定。試圖進行連接的單元(“尋呼單元”)以很高的重復(fù)速率在不同的跳頻點重發(fā)尋呼消息(它代表接收者地址的擴頻碼)。它使用接收者的喚醒跳頻點和喚醒跳頻序列，并試圖通過在喚醒跳頻序列的盡可能多的不同跳頻點上發(fā)送尋呼消息來與接收者聯(lián)系。通過對接收系統(tǒng)時鐘的估計，尋呼單元可以加快捕捉，因為它知道接收者將在何時以及哪個跳頻點醒來。在了解接收者時鐘的情況下，最壞情況的捕捉時延是T(因為備用單元每T秒才能醒來一次)。在不了解備用單元時鐘的時候，最壞情況下的捕捉時延等于2T。這些時延是在無差錯環(huán)境下獲得的。如果有錯誤發(fā)生，捕捉時間可能增加。在美國專利申請第08/771,692號(題為“信道跳頻通信系統(tǒng)的接入技術(shù)”)中更完整地描述了用于接入一個備用狀態(tài)單元的上述技術(shù)，該申請在1996年12月23日以Haartse等人的名義提交。美國專利申請第08/771,692號在此作為參考被包括在內(nèi)。
一條連接一旦建立，被指定為主單元的尋呼單元就向接收者傳送其地址和系統(tǒng)時鐘。然后，主碼和時鐘將用于定義虛FH信道。這一主碼還用于識別虛信道上的分組。也就是說，無論虛信道的哪一用戶是發(fā)送者，虛信道上的每個分組都將以充當(dāng)鏈路地址作用的主地址來作為前綴。當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)的不同單元建立不同連接時，每個單元都要使用由發(fā)起連接的單元(即主單元)的參數(shù)所定義的不同虛信道和不同鏈路地址。
為了允許兩個以上的用戶加入到一個皮可網(wǎng)中，在一個示范性實施例中定義了受限的點到多點能力，該實施例允許指定為主控的單元與若干從單元連接。這時產(chǎn)生的是一種星形拓撲，主單元在中心。從單元彼此之間不能直接通信，而需要使用主單元作為中介。一種定時查詢方案用來管理不同的從單元的傳輸。所有從單元與時間同步，也就是說，它們在同一時間偵聽主單元的信息。只允許從單元接收(RX)時隙中被尋址(讀查詢)的從單元在下一從單元TX時隙中進行響應(yīng)。所有主單元和從單元通過鏈路碼(即主單元地址)識別虛信道上的分組。皮可網(wǎng)中的某個從單元由一個成員地址進行識別。在一個示范性實施例中，成員地址是分組頭中的一個3比特地址。這個3比特地址限制了皮可網(wǎng)的使用者數(shù)目為8。如果某個實施例不允許擴大分組頭來包含一個更長的地址區(qū)域，那么可以通過在分組的負荷中再實施一種尋址方案來允許更多的使用者加入。
單元之間的鏈路采用時分雙工(TDD)方案，一臺無線收發(fā)機交替進行發(fā)射和接收。一個TDD幀包括一個發(fā)射時隙和一個接收時隙。要發(fā)射的消息被分成分組。每個TX和RX時隙最多可分別包含一個TX分組和一個RX分組。連續(xù)的時隙使用虛信道所定義的不同跳頻點。虛信道提供一條同步鏈路共享同一信道的單元同步地跳頻，并嚴(yán)格遵從TDD定時。但是，一個時隙不一定被占用。如果沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，兩個被連接的單元可以同步跳頻而不交換分組。盡管這條鏈路提供的業(yè)務(wù)具有面向連接的特性，但是每個分組包含了與虛信道對應(yīng)的鏈路地址。信道并不是沒有競爭。相反，不同的虛信道偶爾可能會使用同一跳頻點。因此，接收者需要檢查收到的鏈路地址，以確定收到的分組真是他的，還是對應(yīng)于偶然到達與接收者虛信道相同的同一接收跳頻點的另一虛信道。鏈路地址的使用非常重要，因為突發(fā)業(yè)務(wù)可能產(chǎn)生偶爾被其他鏈路填充的空時隙，還因為可能產(chǎn)生遠近效應(yīng)，這時一個干擾分組完全擠占了所希望的分組。
話音傳輸在這種系統(tǒng)沒有問題，因為提供了一條同步鏈路。如果話音是信息流的一個部分，每個TDD幀將傳輸一個話音分組。偶爾出現(xiàn)的沖突可以通過接收端的恢復(fù)技術(shù)加以克服，也可以忽略這些沖突。后者要求使用抗干擾能力強的話音編碼技術(shù)，例如連續(xù)可變斜率增量(CVSD)調(diào)制。
一種自動請求重發(fā)(ARQ)方案被采用，其中TDD幀內(nèi)一個分組發(fā)送的成功或失敗直接在下一TDD幀內(nèi)通報。通過這種方法，ARQ協(xié)議中浪費的頻譜最小只重發(fā)失敗的分組。另外，時延和開銷也最小(在示范性實施例中，ARQ方案只需要分組頭中的兩個比特)。ARQ方案可以直接在硬件中實現(xiàn)，并且最好靠近通信協(xié)議中的物理層。
皮可網(wǎng)定義和虛信道中嚴(yán)格的定時同步導(dǎo)致了產(chǎn)生本發(fā)明的星形拓撲和定時查詢接入方案。如果兩個從單元需要直接進行相互通信，就要創(chuàng)建原有主單元不直接控制的另一個附加皮可網(wǎng)。一個從單元將其TDD幀定時移動半個幀。這個從單元就無法再偵聽主單元的信息(它充當(dāng)了新皮可網(wǎng)的主單元)，主單元也無法偵聽從單元的信息。盡管對于一個皮可網(wǎng)來說，使用了單(虛)信道方式，但由于使用了嚴(yán)格的定時同步，不可能進行分布式控制。
為了能夠連接一個單元，重要的是必須知道它的地址。在傳統(tǒng)的LAN(包括傳統(tǒng)的無線LAN)中，通常LAN的所有使用者都知道這些地址。因為所有單元已經(jīng)相互連接，單元在發(fā)送消息時可通過使用正確的地址而方便地建立鏈路。沒有連接需要建立。認識這一地址的單元只需提取消息，而所有其他單元則丟棄該消息。
由于散射網(wǎng)絡(luò)是在特設(shè)基礎(chǔ)上建立的，各單元不具備所有相鄰單元的原有地址信息。為了解決這一問題，根據(jù)發(fā)明的另一方面提供了一種查詢程序，它能使各單元獲取相鄰單元的地址。查詢程序非常類似于尋呼程序。取代尋呼消息的是，一條查詢消息以很高的重復(fù)速率在不同跳頻點上發(fā)射。在示范性實施例中，查詢消息是一個要求接收者提供其單元參數(shù)的64比特碼。和地址一樣，查詢碼決定了諸如32個不同的查詢跳頻點和一個查詢跳頻序列。接收到一條查詢消息的單元以單個分組作為響應(yīng)，其中包括接收者的地址、接收者的系統(tǒng)時鐘及其業(yè)務(wù)類別(例如該單元是一臺打印機、膝上型電腦、基站等等)。各單元可以隨機地選擇查詢跳頻序列中的一個返回跳頻點，以避免沖突。發(fā)出查詢的單元收集所有響應(yīng)，建立一個區(qū)域內(nèi)各單元碼和時鐘偏移的列表。之后在需要建立一條連接時，就可以使用該信息。由于各單元是移動的，因此可以周期性地重復(fù)查詢程序，以便在必要時可以更新該列表。
上述處理能使一個單元收集在利用區(qū)域內(nèi)的單元建立一個皮可網(wǎng)時需要的所有信息。不過在某些情況下，一個單元可能希望與區(qū)域外的一個單元連接(即距離過長，無法在單元之間直接進行無線通信)。根據(jù)發(fā)明的另一方面，通過使用同時處于源單元和目的單元區(qū)域內(nèi)的一個中間單元解決了這個問題。在一個實施例中，中間單元充當(dāng)點到多點配置中的主單元，在不能直接相連的兩個單元之間轉(zhuǎn)發(fā)信息。這個實施例如圖6a所示，其中兩個單元A和B在彼此通信區(qū)域之外。第三個單元C同時在單元A和B區(qū)域之內(nèi)，并用作主單元。單元A和B在這單個皮可網(wǎng)601中是從單元。
在如圖6b所示的另一實施例中，在兩個其他單元區(qū)域之內(nèi)的中間單元充當(dāng)源單元和目的單元之間的橋接。橋接單元是一個更為復(fù)雜的單元，它能與兩個皮可網(wǎng)連接。如圖6b所示，在彼此通信區(qū)域之外的單元A和B加入了不同的皮可網(wǎng)603和605。因為兩個皮可網(wǎng)603和605是未經(jīng)協(xié)調(diào)的，橋接單元C實際上包括兩臺收發(fā)單元，每個單元在皮可網(wǎng)603和605之一中工作。在橋接單元C中，信息在兩臺收發(fā)機之間來回傳送。因為橋接C使用兩個虛信道(兩個皮可網(wǎng))而不是一條，它在單元A和B之間提供了比圖6a的點到多點配置更高的流量。
為了允許在一個系統(tǒng)中建立橋接配置，需要一種更廣泛的查詢處理來使每個單元不僅獲得在其區(qū)域內(nèi)的那些單元的地址，還能獲得處于其區(qū)域之外、但在可接入橋接單元區(qū)域之內(nèi)的那些單元的地址。下面將詳細描述這種更廣泛的查詢處理。不過現(xiàn)在還應(yīng)當(dāng)指出，如果需要連接通信區(qū)域之外的一個單元，源單元首先要建立到其區(qū)域內(nèi)的主單元或橋接單元的連接。連接一旦建立，源單元就命令主單元或橋接進行到下一橋接或最終目的單元的進一步連接。主單元或橋接單元一旦建立了這兩條連接，就只轉(zhuǎn)發(fā)所有來話用戶信息。但是控制信息要單獨處理。
使用中間單元來建立連接當(dāng)然取決于地理長度和一個單元的通信區(qū)域。單元的無線通信區(qū)域可能是有限的，因為這能使實現(xiàn)成本低，而且功耗小。較高的功率電平可能擴大通信區(qū)域和簡化無線LAN中的連接。但是應(yīng)當(dāng)指出，總的來說，功率電平也會影響系統(tǒng)容量。當(dāng)使用低功率電平時，有限的區(qū)域意味著相隔足夠地理長度的皮可網(wǎng)根本不會相互干擾，因為干擾功率將會低于接收機的靈敏電平。
現(xiàn)在回過頭來討論查詢處理，各單元通過它獲取可以與之通信的其他單元地址，如果要支持橋接單元能力，就提出了兩個問題1)如果目的單元在通信區(qū)域之外，一個源單元如何知道它的存在？2)如果目的單元地址不能作為源單元查詢處理的直接結(jié)果而獲得，那么如何得到該地址？為了解決這兩個問題，在一次查詢中交換的信息量會超過前面所述范圍。也就是說，除了一個單元的專用地址及其業(yè)務(wù)等級中外，收到查詢消息的單元還要向查詢單元提供被查詢單元可以到達的所有單元的地址和業(yè)務(wù)等級。被查詢單元應(yīng)該在以前進行的查詢程序中已收集了這一信息。通過這種方法，不僅能確定查詢單元區(qū)域內(nèi)的單元，還能確定這些被查詢單元區(qū)域內(nèi)的單元。然后，源單元就可以通過那些能夠獲取其地址的中間橋接單元來與區(qū)域之外的一個目的單元進行連接。這一程序可以重復(fù)，因為被查詢單元不僅提供其地址列表，還要提供在它自己的查詢會話中從其他單元那里得到的地址列表。通過這種方法，一個單元可以收集識別該區(qū)域內(nèi)那些相互可能直接或間接(例如通過橋接單元)相連的所有單元的所有列表。通過這些列表，源單元可以根據(jù)“連接”環(huán)將單元分類。對屬于第一連接環(huán)的單元，源單元可以直接訪問。屬于第二連接環(huán)的單元只能由所考慮的單元通過第一連接環(huán)中的一個橋接單元(或其他中間單元)訪問。第三連接環(huán)中的單元只能通過兩個橋接單元訪問，一個橋接單元在第一連接環(huán)中，另一個在第二連接環(huán)中(它在第一橋接單元的第一連接環(huán)中)。
為了與一個目的單元連接，源單元檢查帶有連接環(huán)的地址列表，并使用一種樹跟蹤算法來確定將利用哪個單元作為橋接單元。然后通過首先建立從源單元到第一橋接單元的連接，再建立從第一橋接單元到第二橋接單元的連接，依次類推，直到最后一個橋接單元與目的單元連接，從而來建立到目的單元的一條連接。
下面將根據(jù)如圖7所示的示范性配置說明查詢程序。在一個本地區(qū)域內(nèi)有對等單元1，...，10。每個單元用一個節(jié)點和號碼表示。如虛線所示，在某些單元之間可以建立連接。從這個例子中可以看出，并不是所有單元可以直接進行相互聯(lián)系。例如，單元9在單元2、8和10的覆蓋區(qū)域內(nèi)，因此可與它們連接，但是不能連接其他單元1、3、4、5、6和7。這可能是由于附加傳播損耗(無線屏蔽)或其他阻礙可能存在的無線連接的情況造成的。
當(dāng)廣播一條查詢時，單元9將收到來自單元2、8和10的響應(yīng)，這些響應(yīng)將提供其地址和業(yè)務(wù)等級。因此單元9中的“第一級”地址列表是{2，8，10}。這是單元9的第一連接環(huán)中的地址。(當(dāng)然，單元9還保留了其他信息列表，例如業(yè)務(wù)等級、與相鄰單元的連接。為簡單起見，下文中將把所有這些信息統(tǒng)稱為地址。)除了自身的專用地址之外，每個單元2、8和10還為單元9提供了各自的第一級地址列表。當(dāng)然，如果單元9在本地區(qū)域內(nèi)的位置足以接收和響應(yīng)一條來自這些其他單元的查詢，這些列表將包括單元9的地址。例如，單元2將給出包括1、3、6、7和9的第一級地址列表。根據(jù)自單元2、8和10收到的地址列表，單元9可以生成一個第二級地址列表，它包括那些來自其他單元的第一級地址列表、沒有包括在單元9的第一級地址列表中、并排除了單元9本身的所有單元。
通過比較單元2的第一級地址列表{1，3，6，7，9}和單元9的第一級地址列表{2，8，10}，單元9的第二級地址列表至少將包括單元1、3、6和7。同樣通過使用單元8和10的第一級地址列表，最后得到的單元9的第二級地址列表將是{1，3，6，7}。應(yīng)當(dāng)理解這一處理可以擴展到多個遠程單元，也就是說，各單元可以向單元9提供其第二級地址列表，該列表就可用作生成第三級地址列表的基礎(chǔ)，依次類推。
這一擴展的查詢處理如圖8所示，其中任意單元j的第i級地址列表被表示為L(i，j)。在圖8中，只考慮了單元9需要的地址列表。單元9的第一級地址列表為L(1，9)＝{2，8，10}。單元2、8和10本身的第一級列表L(1，2)、L(1，8)、L(1，10)，如圖中所示。響應(yīng)于單元9的查詢，列表L(1，2)、L(1，8)、L(1，10)由各單元2、8和10提供給單元9。根據(jù)這些列表，單元9可以通過合并L(1，2)、L(1，8)、L(1，10)并去除自身代號和自身第一級列表L(1，9)中已經(jīng)包括的任何其他單元代號，從而來構(gòu)成一個第二級列表L(2，9)。在本例中，產(chǎn)生了第二級列表L(2，9)＝{1，3，6，7}。單元9不能直接訪問該列表中指定的單元，但是可以通過使用一個橋接單元訪問。因此，從單元9的角度來看，L(2，9)中列出的單元構(gòu)成了第二連接環(huán)。
上述程序還可以進一步擴展，因為單元2、8和10也可以獲取它們的第二級列表L(2，2)、L(2，8)和L(2，10)，并把這些列表提供給單元9。合并和過濾這些列表之后，單元9可以得到一個第三級列表L(3，9)＝{4，5}。根據(jù)圖8所示的列表，可以生成一棵包括各個可能連接的連接樹。用于示范性單元9的連接樹901如圖9所示。連接樹901中的每個節(jié)點代表單元1，...，10中的某一個，一個分支代表一條可能的連接。在連接樹901頂部是所考慮的單元，本例中是單元9。
連接樹還可以通過只考慮來自所有單元的第一級地址列表、并遵循以下規(guī)則來生成即較高編號連接環(huán)不能包括已在較低編號連接環(huán)中出現(xiàn)的單元，以避免出現(xiàn)環(huán)路。
上述擴展查詢技術(shù)和連接樹(例如圖9所示的范例)能使每個源單元找到至目的單元的最短路由(使用最少數(shù)目的橋接單元)。但是，這種技術(shù)沒有考慮到這樣的事實某些單元不可能充當(dāng)橋接，或可能目前很忙，因而留下它們而無需在其他單元之間轉(zhuǎn)發(fā)信息所需的無線資源。因為各單元是由電池供電的，而便攜式設(shè)備通常最好不要用作橋接設(shè)備。因此，源單元可能無法使用最短路由。在這種情況下，上述技術(shù)提供的信息就太少了。
為了解決這一問題，下面將描述使用另一種樹結(jié)構(gòu)的另一實施例?，F(xiàn)在參考圖10，單元9可以只使用第一級地址列表生成一個第二連接樹1001。與第一連接樹901相同，單元9位于連接樹1001的頂部。有三個單元可以直接與單元9相連，即單元2、8和10。這些單元2、8和10構(gòu)成了第一連接環(huán)1003。在本討論中，一個單元和它能直接相連的其他單元之間的關(guān)系將被稱為一對父子關(guān)系。因此，例如單元9是一個父親，其孩子為單元2、8和10。這些孩子本身也被看成父親時，每個也都有自己的孩子，依此類推。
每個父親通過第一級地址列表知道它的孩子。為了建立一棵連接樹，例如第二連接樹1001，只需要知道第一級地址列表。最好通過去除所有不需要的節(jié)點和分支來減小樹的規(guī)模。為了實現(xiàn)這一簡化，使用以下規(guī)則1)一個父親的后代(例如孩子、孫子、重孫子等等)不能與該父親有同一名字(即單元地址)；2)一個父親的孩子的后代不能與該父親的任何孩子有同一名字；以及3)一個父親的任何孩子不能與該父親的任何其它孩子有同一名字。
第二連接樹1001是參考圖7描述的示范單元并根據(jù)這一規(guī)則得到的。例如，考慮單元5在第三連接環(huán)1007中的任何一次出現(xiàn)。正如從圖7中可以看到的，單元5的第一級連接列表L(1，5)＝{4，6}。但是，如果允許單元5在第四連接環(huán)1009中有一個子單元4，將會與第二條規(guī)則沖突，因為單元5作為單元6的孩子，它還有一個代表單元4的同胞兄弟(即單元6的另一孩子)。
同樣，如果允許單元5在第四連接環(huán)1009中有一個子單元6，將會與第一條規(guī)則沖突，因為這個子單元6有一個也代表單元6的祖父(在第二連接環(huán)1005中)。
因此，在第三連接環(huán)1007中代表單元5的任意節(jié)點處都不能再擴展這棵樹。但是，在第四連接環(huán)1009中也有代表單元5的節(jié)點，因為它們的存在與任何一條規(guī)則都不沖突。
這棵樹通過第一級連接列表建立，并根據(jù)上面提出的兩條規(guī)則進行簡化，直到?jīng)]有新的節(jié)點加入。此時，這棵樹就算完成，所有可用連接信息都在所考慮的單元內(nèi)出現(xiàn)。
應(yīng)當(dāng)懂得，只要所考慮的單元(例如單元9)收到所有第一級地址列表，就可以在該單元中生成諸如圖10中描述的一個第二連接樹1001。為了便于收集這一信息，收到一條查詢的單元最好不僅返回自身的第一級地址列表，同時還返回它所知道的其他每個節(jié)點的第一級地址列表。還應(yīng)當(dāng)懂得每個單元都可以產(chǎn)生一棵類似的樹，其頂部為自身的單元地址。
可以看到第一連接樹901(圖9)的第一、第二和第三連接環(huán)903、905和907與第二連接樹1001(圖10)的第一、第二和第三連接環(huán)1003、1005和1007相同。但是，第二連接樹1001與第一連接樹901的不同之處在于它還有一個附加的連接環(huán)，即第四連接環(huán)1009。在第二連接樹1001中之所以存在第四連接環(huán)1009(因此第二連接樹1001包含比第一連接樹901更多的信息)，是因為用于第二連接樹1001的簡化準(zhǔn)則不是設(shè)計用來減少連接環(huán)數(shù)。
一旦確定了一個單元中的連接樹，連接就是已知的，因為對于樹中的每個單元，其地址和到達它的路由都是已知的。另外，因為已知每個單元的業(yè)務(wù)等級，所以所有單元的能力是完全已知的。
為了連接樹中的一個單元，頂部單元(作為源單元)可以向下選擇路由，以便與目的單元連接?？赡苡胁煌穆酚纱嬖凇＠?，假設(shè)在圖7的例子中，單元9要與單元6連接。下面參考圖11，從第二連接樹1001中能夠看出可以走三條不同的路由第一路由1101、第二路由1103和第三路由1105。路由選擇程序可以根據(jù)以下因素的任意組合進行-每條路由1101、1103和1105必須使用的橋接單元數(shù)目；-對于每條可能的路由1101、1103和1105，中間節(jié)點是否能夠作為一個橋接單元工作(即中間節(jié)點是否能夠來回轉(zhuǎn)發(fā)要交換的信息以及是否有足夠的電源供應(yīng)進行這一操作)；-對于每條可能的路由1101、1103和1105，路由內(nèi)的所有橋接單元是否能提供源單元和目的單元之間的連接所需的數(shù)據(jù)速率；-對于每條可能的路由1101、1103和1105，每個橋接單元當(dāng)前是否有可用的無線資源支持轉(zhuǎn)發(fā)功能；-對于每條可能的路由1101、1103和1105，離開橋接單元的分支數(shù)目。來自一個分支單元的分支越多，橋接單元對其他單元的干擾就越大。反之，來自一個橋接單元的分支越少越好，因為它受到的干擾將更小，對其他單元的干擾也將越小。
在比較第一、第二和第三路由1101、1103和1105的時候，可以說明第一項條件(即考慮給定路由的橋接單元數(shù)目)。第一路由1101(即9→2→6)和第二路由1103(即9→8→6)都需要一個橋接單元，而第三路由1105(即9→10→1→4→6)需要三個橋接單元。假定本例中的橋接單元可以作為特性良好的橋接單元使用，那么第一和第二路由1101和1103就應(yīng)該是最佳的，因為它們所需的橋接節(jié)點數(shù)較少。但是如果除此之外，離開橋接單元的分支數(shù)目也很重要，那么第二路由1103要好于第一路由1101，因為橋接單元8產(chǎn)生的干擾將比橋接單元2少。(這一結(jié)論是考慮到有四條分支離開橋接單元2、而只有兩條分支離開橋接單元8而得出的。)但是，如果單元2和8是便攜式單元、很忙或不能轉(zhuǎn)發(fā)信息，那么唯一剩下的一條路由就是第三路由1105。注意這條可選路由在第一連接樹901中并不存在，它在使用最小橋接數(shù)目準(zhǔn)則時被減少了。
假定選擇第二路由1103，單元9可以這樣來建立連接首先與單元8連接，并請求單元8充當(dāng)一個橋接單元和建立到單元6的一條橋接連接。然后單元8將建立到單元6的一條連接，并鏈接兩條連接到單元6和9，以提供第二路由1103(即9→8→6)。
前面已描述了一種自組織的無線LAN(WLAN)技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)WLAN相同，發(fā)明的自組織WLAN系統(tǒng)可以使用一個有線LAN，單個無線終端構(gòu)成到它的無線擴展。這種方式的合理性取決于特定的應(yīng)用。在根本沒有LAN存在的低成本應(yīng)用(例如住宅應(yīng)用)中，自組織WLAN完全采用無線連接的即插即用方式可能比依賴于有線骨干網(wǎng)更有利。通過在關(guān)鍵位置放置更多的橋接單元可以很容易擴展通信區(qū)域和容量。當(dāng)無線單元達到一個較低的目標(biāo)價位時，這將是比使用有線骨干網(wǎng)更廉價的一種方式。有線骨干網(wǎng)將需要一個完整的附加LAN及其所有協(xié)議和硬件。即便使用象電源線或TV電纜這樣的廉價媒質(zhì)，仍要保留在該媒質(zhì)上傳送信息所要求的基礎(chǔ)設(shè)施?？傂枰粋€在有線LAN和無線LAN域之間進行橋接的轉(zhuǎn)換單元。這個轉(zhuǎn)換橋接單元可能并不比提供兩臺無線收發(fā)機的一個純無線橋接單元便宜。
另一個問題是對現(xiàn)有有線LAN的無線擴展。一個或多個無線單元可以作為一個WLAN內(nèi)的固定部分。每一個固定無線單元可建立一個皮可網(wǎng)并可作為一個主單元來工作。(注意幾個無線單元可以在同一固定部分中共存)。用于無線單元的協(xié)議將只對較低層通信有效。向便攜式單元擴展的任何有線LAN協(xié)議應(yīng)當(dāng)在更高層處理；也就是說LAN的無線部分對它們應(yīng)該是透明的。除了到固定點的連接之外，區(qū)域內(nèi)的便攜式無線單元總可以在它們內(nèi)部建立一個特設(shè)皮可網(wǎng)。這能減小有線LAN的負荷并提高容量，因為如果能直接建立連接，就不需要中介(即固定部分)。
下面將參考圖12描述一個實現(xiàn)各種發(fā)明特性的示范性系統(tǒng)。圖中表示了兩個無線單元指定為主單元1201的第一單元；指定為從單元1203的第二單元。所示的每個這種單元只包含執(zhí)行各“主”和“從”角色對應(yīng)功能的那些裝置。但是應(yīng)當(dāng)認識到，這里把角色分配絕對化為主單元和從單元只是為了方便對本發(fā)明的討論，本發(fā)明包含那些包括了同時充當(dāng)主單元和從單元必需的所有部件的單元。還應(yīng)當(dāng)指出這里只說明了與發(fā)明有直接聯(lián)系的那些部件。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道每個主單元和從單元1201、1203都包括其他部件，例如收發(fā)機等等，這些部件是眾所熟知的，對于實現(xiàn)本發(fā)明的無線通信方面來說必不可少。
與主單元1201對應(yīng)的是一個主地址1205，它是唯一識別系統(tǒng)中這個單元的代碼。主單元1201還包括一個主時鐘1207。
為了能夠建立連接，主單元1201需要知道可以與之建立連接的其他單元的地址。為了實現(xiàn)這一功能，主單元1201包括一個查詢裝置1209，它作為發(fā)送上述查詢消息的裝置進行工作。查詢裝置1209還要收集響應(yīng)(地址和拓撲信息1211)，并根據(jù)上述連接樹技術(shù)對其進行整理。
同樣，從單元1203與一個從地址1213相對應(yīng)，而且同樣包括一個無須與主單元1201同步的從時鐘1215。為了能夠響應(yīng)來自主單元1201的查詢，從單元包括一個查詢響應(yīng)裝置1217，它的任務(wù)是識別收到的查詢，并生成和發(fā)送返回一個合適的響應(yīng)給主單元1201。正如前面所示，該響應(yīng)不僅可以包括從地址1213，還可以包括其他信息，例如從單元的業(yè)務(wù)等級以及從單元的當(dāng)前時鐘讀取。
為了能使主單元1201與從單元1203建立一條連接，還要提供一臺發(fā)送上述尋呼消息的尋呼裝置1219。尋呼消息包括從地址，該信息是從查詢裝置1209得到的。(當(dāng)然，如果該拓撲要求通過一個橋接節(jié)點來連接(未表示)，尋呼消息應(yīng)當(dāng)包括橋接節(jié)點的地址。在一個實施例中，尋呼消息還可以包括與從單元1203建立一條連接的請求。在另一實施例中，尋呼消息只用于建立與橋接節(jié)點的連接。與橋接節(jié)點的連接建立之后，主單元1201再請求橋接節(jié)點建立與從單元1203的一條連接。)在不使用的時候，從單元1203最好處于備用狀態(tài)。為此，在從單元1203中提供了一個喚醒裝置1221。喚醒裝置包括一個定時器1223，它使從單元1203周期性地醒來，以確定是否有到該從單元1203的接收尋呼消息。為此提供了一個地址比較單元1225。如果從地址1213與接收的尋呼地址匹配，那么喚醒裝置1221內(nèi)的響應(yīng)裝置1227就生成并發(fā)送返回一個合適的響應(yīng)給主單元1201。
本發(fā)明的一個方面是主單元1201和從單元1203使用一個跳頻通信系統(tǒng)。因此，從單元1203會在一組預(yù)定尋呼跳頻點內(nèi)的任意一個上醒來。由于主單元1201不能確切地知道從單元1203將在哪個跳頻點上醒來，它將以很高的重復(fù)速率在不同跳頻點上重發(fā)尋呼消息。它使用接收者的喚醒跳頻點和喚醒跳頻序列，通過在盡可能多的不同跳頻點上發(fā)送尋呼消息來試圖與接收者聯(lián)系。喚醒跳頻序列由尋呼裝置1219內(nèi)的尋呼信道發(fā)生器1229產(chǎn)生。在前面參考的美國專利申請第08/771,692號，題為“信道跳頻通信系統(tǒng)的接入技術(shù)”中更完整地描述了接入處于備用狀態(tài)的一個單元的最佳技術(shù)，該專利在1996年12月23日以Haartsen等人的名義提交。
一條連接一旦建立，主單元1201就向從單元傳送其主地址1205和主時鐘1207。之后，主地址1205和主時鐘1207就用于定義將在主單元201和從單元1203之間的通信中使用的虛跳頻信道。在主單元1201中，主通信裝置包括一個信道選擇單元1231，它根據(jù)主地址1205(它決定跳頻序列)和主時鐘1207(它決定跳頻序列內(nèi)的相位)在合適的時間產(chǎn)生跳頻點。
在從單元1203中，從通信裝置1233內(nèi)同樣包括一個信道選擇單元1235，以便根據(jù)主地址1205(它決定跳頻序列)和主時鐘1207在合適的時間產(chǎn)生跳頻點。在一個優(yōu)選實施例中，從單元1203不需要重新設(shè)置1215以使它與主單元1201的時鐘相匹配。相反，在從單元1203第一次收到主時鐘1207時，確定和存儲主時鐘1207和從時鐘1215之間的差值。這樣，從單元1203內(nèi)一旦需要當(dāng)前的主時鐘值時，就可以根據(jù)所存差值及當(dāng)前從時鐘1215進行計算。
為了適應(yīng)可能有一個以上的從單元1203與同一主單元1201連接，從單元還包括一個第二地址比較單元1237。如上所述，皮可網(wǎng)中的每次通信都包括所希望的接收者的地址。因此，第二地址比較單元1237的目的是比較收到的目的地址和從單元本身的從地址1213，以確定它是否是一次接收通信的所希望的接收者。
前面已參考特定實施例描述了發(fā)明。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會逐步懂得有可能根據(jù)不同于上述優(yōu)選實施例的特定形式實施本發(fā)明。這可以在不脫離發(fā)明思想的情況下做到。優(yōu)選實施例只是說明性的，無論如何不應(yīng)被看成是限制性的。本發(fā)明范圍由所附權(quán)利要求而不是前面的描述來確定，權(quán)利要求范圍之內(nèi)的所有改動和變形將包含在其中。
權(quán)利要求
1.生成一棵連接樹以用于確定第一無線單元和多個其他無線單元中的任一個之間的連接路由的方法，該方法包括步驟在第一無線單元中，接收來自其他每個無線單元的地址和拓撲信息，其中地址和拓撲信息包括來自其他每個無線單元的一個專用地址和來自其他每個無線單元的僅僅第一級地址列表；以及在第一無線單元中，根據(jù)第一級地址列表生成n個連接環(huán)，其中n是一個正整數(shù)，而且每個連接環(huán)根據(jù)以下規(guī)則生成即較高編號連接環(huán)只包括代表除了已由較低編號連接環(huán)中的節(jié)點所代表的單元之外的單元的節(jié)點。
2.生成一棵連接樹以用于確定第一無線單元和多個其他無線單元中的任一個之間的連接路由的方法，該方法包括步驟在第一無線單元中，接收來自其他每個無線單元的地址和拓撲信息，其中地址和拓撲信息包括來自其他每個無線單元的一個專用地址和來自其他每個無線單元的僅僅第一級地址列表；以及在第一無線單元中，根據(jù)第一級地址列表生成n個連接環(huán)，其中n是一個正整數(shù)，而且每個連接環(huán)通過以下方式生成即考慮具有父節(jié)點的一個當(dāng)前編號連接環(huán)，并在下一較高編號連接環(huán)中包括代表所有滿足以下規(guī)則的這一父節(jié)點之子的那些節(jié)點父節(jié)點的任何后代都必須代表與該父節(jié)點所代表的單元不同的單元；一個父節(jié)點之子的任何后代都必須代表與任何父節(jié)點之子不同的單元；以及任何父節(jié)點之子都必須具有與該任何父節(jié)點的任何其它孩子不同的名字。
全文摘要
一個無線網(wǎng)包括主單元和從單元。主單元向從單元發(fā)送一個主地址和主時鐘。通信借助一條虛跳頻信道進行，其跳頻序列是主地址的函數(shù)，相位是主時鐘的函數(shù)。所發(fā)送的查詢消息請求來自從單元的從地址和拓撲信息，它可用于生成一條配置樹，以用于確定主從單元之間的一條連接路由。從地址和拓撲信息可以包括來自每個從單元的一個專用地址和每個從單元的第一級地址列表。配置樹的生成涉及根據(jù)第一級地址列表產(chǎn)生一系列連接環(huán)。每個連接環(huán)可以根據(jù)以下規(guī)則生成較高編號的連接環(huán)包括的節(jié)點不能代表已由較低編號的連接環(huán)中的節(jié)點所代表的單元。
文檔編號H04L12/56GK1697413SQ20051007007
公開日2005年11月16日 申請日期1998年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月17日
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