專利名稱：高密度無線局域網(wǎng)的制作方法
高密度無線局域網(wǎng)
背景技術：
本發(fā)明涉及無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。
無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡被廣泛使用。比如，普及類型的無線局域網(wǎng)
(WLAN)是基于電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE) 802.11標準或其 變型。802.11 WLAN的典型應用包括辦/>室、企業(yè)和家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。
802.11介質(zhì)訪問控制(MAC)層協(xié)議使用一種帶沖突避免的載 波偵聽多路訪問 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA )方法，用以為所有設備提供對網(wǎng)絡的隨機訪 問，同時降低一次由多于一個的設備重疊發(fā)送所導致的竟爭。在 CSMA/CA中，想發(fā)送幀的設備對載波頻率聽取一個固定的間隔，以 確定信道是空閑的，并然后開始發(fā)送。當接收設備接收到該幀時， 該接收i殳備按照同才羊的先聽后發(fā)(listen-before-transmission )流程 向該發(fā)送設備送回確認幀。另外，在一些情況中，在數(shù)據(jù)實際地被 交換之前可以發(fā)生由RTS (請求發(fā)送 (request to send))和CTS (清除發(fā)送 (clear to send ))組成的一輪消息。
當在每個數(shù)據(jù)幀中所通信的數(shù)據(jù)量充實時，由80Lll協(xié)議所引 起的開銷通常不大，如在企業(yè)網(wǎng)絡中通常是這種情況。
也已經(jīng)提議在工業(yè)控制應用中使用WLAN來代替有線網(wǎng)絡并把 現(xiàn)場設備連接到工業(yè)系統(tǒng)控制器。典型地，現(xiàn)場設備的數(shù)目可能是 大的，比如成百個，并且每個消息的典型大小可能是小的，比方說 64字節(jié)的幀大小。如果802.11協(xié)議沒有改變地被應用于這些應用， 那么開銷可能相當高，比如超過80%，并且可能不能支持期望數(shù)目 的現(xiàn)場設備。

發(fā)明內(nèi)容
因此提供用于更有效的無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的裝置和方法。 根據(jù)一些實施例，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括接入點和多個站。每個站 都用于與該接入點交換無線數(shù)據(jù)通信消息。這些消息中的至少 一些 的格式包括至少一個消息頭和多個數(shù)據(jù)單元。每個數(shù)據(jù)單元都包括 相應的數(shù)據(jù)單元頭和相應的數(shù)據(jù)幀。每個數(shù)據(jù)單元頭都把所述站的
相應一個識別為接收該數(shù)據(jù)單元的相應數(shù)據(jù)幀的接收方。
在另一方面中，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括接入點和與該接入點相關聯(lián) 的多個站。每個站都用于與接入點交換無線數(shù)據(jù)通信消息。該接入 點輪詢(poll)這些站。這些站僅僅響應于正由該接入點輪詢而發(fā)送 消息至該接入點。由所述站發(fā)送的消息中的至少 一些包含相應的指 示，以表明包括該指示的消息還包括至少一個數(shù)據(jù)單元，該數(shù)據(jù)單 元被編址到與發(fā)送了包括該指示的消息的站不同的第二個站。
在另一方面中，提供了用于運行接入點的方法。該接入點是無 線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的部分，其中該無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)還包括與該接入
點交換數(shù)據(jù)通信消息的多個現(xiàn)場設備。該方法包括該接入點為每 個現(xiàn)場設備供給相應的緩沖器。每個緩沖器都為所述的現(xiàn)場設備存 儲不多于一個的控制數(shù)據(jù)幀。該方法還包括當所述的現(xiàn)場設備的 相應緩沖器存儲被指定發(fā)送給所述的現(xiàn)場設備的舊控制數(shù)據(jù)幀時， 該接入點接收被指定發(fā)送給現(xiàn)場設備之一的新控制數(shù)據(jù)幀。該方法 還包括該接入點通過為所述現(xiàn)場設備的所述一個在相應的緩沖器 中存儲新的控制數(shù)據(jù)幀來替換舊的控制數(shù)據(jù)幀，來響應接收新的控 制數(shù)據(jù)幀。
如在此以及在所附的權利要求書中所使用的，"舊的，，控制數(shù) 據(jù)幀是在最近到達的控制數(shù)據(jù)幀之前所接收到的任何數(shù)據(jù)幀。
在另一方面中，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括接入點和多個站。每個站都 用于與該接入點交換無線數(shù)據(jù)通信消息。每個站都可運行以檢測所 述的站接收消息的定時(timing)。另外每個站都可運行以把所檢測
的定時與所接收的消息的標稱定時相比較。另外每個站都可運行以 向該接入點才艮告在所檢測的定時與該標稱定時之間的差。該接入點 可運行以響應于由所述的站所報告的差來調(diào)節(jié)被指定發(fā)送給所述站 的下一消息的發(fā)送定時。
在另一方面中，提供了運行無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng) 包括接入點和與該接入點相關聯(lián)的多個站。每個站都用于與該接入 點交換無線數(shù)據(jù)通信消息。該接入點輪詢所述站。所述站僅僅響應 于正由該接入點輪詢而發(fā)送消息給該接入點。該方法包括該接入
點在輪詢周期期間對每個站進行輪詢。該輪詢周期被重復。在每個 輪詢周期期間，這些站中的相應一個被授權以在輪詢響應中包括被
編址(address)到另一站的數(shù)據(jù)單元。該數(shù)據(jù)單元用于向其他站發(fā) 送來自第一預定類型的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)幀。被授權的站是在所述輪詢 周期期間被授權以在輪詢響應中包括被編址到另一站的數(shù)據(jù)單元的 唯一的站，其中所述另一站包括來自第一預定類型的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù) 幀。
在另一方面中，提供了用于運行一種無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的方 法。該系統(tǒng)包括接入點和與該接入點相關聯(lián)的多個站。每個站都用 于與該接入點交換無線數(shù)據(jù)通信消息。該接入點輪詢所述站。所述 站僅僅響應于正由該接入點輪詢而發(fā)送消息到該接入點。該方法包 括所述站中的第一個檢測由該接入點所發(fā)送的消息。該消息被編 址到所述站中的第二個。該方法還包括所述站中的第一個響應于 對消息的檢測而確定是否要開始移交流程。
在另一方面中，提供了用于運行一種無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的方 法。該系統(tǒng)包括多個接入點和有時與所述接入點中的每一個都相關 聯(lián)的多個站，每個站都用于相應的接入點交換無線數(shù)據(jù)通信消息，
所述每個接入點與所述相應的接入點相關聯(lián)。該方法包括所述站 之一參加從所述接入點中的第一個到所述接入點中的第二個的移交
流程。該移交流程包括所述站之一向所述接入點中的第二個發(fā)送 幀順序號，該幀順序號對應于由所述站之一從所述接入點中的第一 個所接收的最近數(shù)據(jù)幀。
在另一方面中，提供了用于運行一種無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的方 法。該系統(tǒng)包括多個接入點和有時與所述接入點中的每一個都相關 聯(lián)的多個站，每個站都用于與相應的接入點交換無線數(shù)據(jù)通信消 息，所述每個接入點與所述相應的接入點相關聯(lián)。該方法包括所 述站之一參加從所述接入點中的第一個到所述接入點中的第二個的 移交流程。該方法還包括所述接入點中的第二個向所述接入點中 的第一個發(fā)送請求消息，以向所述接入點中的第一個通知該移交流 程。該方法還包括所述接入點中的第一個通過向所述接入點的第 二個發(fā)送幀順序號來響應該請求消息，其中所述幀順序號對應于由 所述接入點中的第 一個從所述站之一所接收的最近數(shù)據(jù)幀。
在另一方面中，提供了用于運行一種無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的方 法。該系統(tǒng)包括多個接入點和有時與所述接入點中的每一個都相關
聯(lián)的多個站，每個站都用于與相應的接入點交換無線數(shù)據(jù)通信消 息，所述每個接入點與所述相應的接入點相關聯(lián)。該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)
還包括控制器和把接入點耦合到控制器的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。該方法包括 所述站之一參加從所述接入點中的第一個到所述接入點中的第二個 的移交流程。該移交流程包括所述接入點中的第二個向所述接入 點中的第一個發(fā)送上下文轉(zhuǎn)移請求。該方法還包括所述接入點中 的第 一個通過向所述接入點中的第二個發(fā)送被指定發(fā)送到所述站之 一的數(shù)據(jù)幀來響應該上下文轉(zhuǎn)移請求。該方法還包括所述接入點 中的第二個向所述站之一發(fā)送從所述接入點中的笫一個被發(fā)送到所
述接入點中的第二個的數(shù)據(jù)幀。在所述接入點中的第二個向所述站 之一發(fā)送從所述控制器經(jīng)由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡向所述接入點中的第二個所發(fā) 送的數(shù)據(jù)幀之前，發(fā)生從所述接入點中的第二個向所述站之一對這 些數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。
參照下文的優(yōu)選實施例的詳述并結(jié)合附圖將會更容易地理解本 發(fā)明的其他方面。


圖1示出了根據(jù)一些實施例所提供的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的框
圖2示出了根據(jù)一些實施例作為圖1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的部分而 提供的典型接入點的框圖3示出了根據(jù)一些實施例作為圖1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的部分而 提供的典型無線數(shù)據(jù)通信站的框圖4示意性地示出了在圖1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中所發(fā)送的典型數(shù) 據(jù)消息的格式；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面在圖3的數(shù)據(jù)通信站中所實 施的過程的流程圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面在圖2的接入點中所實施的 過程的流程圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面在圖3的數(shù)據(jù)通信站中所實 施的過程的流程圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面在圖2的接入點中所實施的 過程的流程圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面在圖2的接入點中所實施的 過程的流程圖IO示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面在圖3的數(shù)據(jù)通信站中所實 施的過程的流程圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面在圖3的數(shù)據(jù)通信站中所實 施的過程的流程圖；以及
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面在圖3的數(shù)據(jù)通信站中所實 施的過程的順序具體實施例方式
根據(jù)一些實施例，無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)被優(yōu)化以用于工業(yè)應用。 在其他策略中，從接入點(access poin仁AP ) ^皮編址至數(shù)據(jù)通信站 (data communication station, STA )或從STA ^皮編址至該AP的消 息被裝載有由其他STA接收的附加數(shù)據(jù)單元。該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的效 率通過這些策略而被改善，使得該系統(tǒng)可以支持接近于實時的控制 裝置以及數(shù)量相當大的在工業(yè)裝置中可能需要的現(xiàn)場設備。
圖1示出了根據(jù)一些實施例所提供的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)100的
框圖。該系統(tǒng)100包括系統(tǒng)控制器102，該系統(tǒng)控制器是用于對下文 所述的不同的現(xiàn)場設備進行控制的控制消息的最終源，而所述的不 同的現(xiàn)場設備構成工廠自動化裝置。該系統(tǒng)控制器102還可以是源 自現(xiàn)場設備的狀態(tài)和其他消息的最終接收方。該系統(tǒng)控制器102可 以按照常規(guī)的原則來提供。盡管在該附圖中沒有單獨示出，但是該 系統(tǒng)控制器可以包括用戶界面和/或其他輸入/輸出設備。
該系統(tǒng)控制器102通過多個無線AP 104與現(xiàn)場設備相通信。AP 104通過有線/電纜數(shù)據(jù)通信信號路徑106連接到該系統(tǒng)控制器102。 每個AP104都定義了相應的小區(qū)108，該小區(qū)108是在其內(nèi)STA110 能夠與相應小區(qū)的AP 104交換無線數(shù)據(jù)通信消息的區(qū)域。應理解 為盡管所述小區(qū)在圖1中出于表示方便而被示為不重疊的，但是 在實際中小區(qū)108可以部分地相互重疊以促進對期望區(qū)域的完全覆 蓋。在每個小區(qū)108中，多個STA 110 (例如50至100個)都可以 在任何給定時間被定位。在一些情況中，STA 110本身是現(xiàn)場設備， 比如如110-1和110-N所示。另外或者可替代地，至少一些STA110 可以通過有線數(shù)據(jù)通信路徑(如在110-2、 110-N處所示)連接到一個或多個現(xiàn)場設備112?，F(xiàn)場設備(無論是否與STA集成)可以包 括移動部分，并可以構成實施物理移動以實現(xiàn)制造自動化系統(tǒng)的設 備。比如， 一個或多個現(xiàn)場設備可以是在系統(tǒng)控制器102的控制下 運行的才幾動化拖車。
在其硬件方面，AP、 STA和/或現(xiàn)場設備可以全部按照常規(guī)實踐 來提供。所述AP和STA中的一些或全部可以根據(jù)本發(fā)明來編程， 以實現(xiàn)這里所述的本發(fā)明方面。
圖2示出了一個典型的AP 104的框圖。
AP 104包括處理器202,該處理器控制該AP 104的全面運行。 該處理器202比如可以是通用微處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)或 其他可編程控制設備。該AP 104還包括耦合到該處理器202的程序 存儲器204。該程序存儲器204可以由一個或多個器件來構成，并存 儲控制該處理器202的軟件和/或固件程序指令。所述程序指令可以 包括用于執(zhí)行如下所述的至少一些本發(fā)明功能方面的指令。
該AP 104還包括耦合到該處理器202的工作存儲器206。另外， 該AP 104還包括也耦合到該處理器202的循環(huán)控制幀緩沖器208, 該循環(huán)控制幀緩沖器臨時存儲要發(fā)送到與該AP 104相關聯(lián)的、有時 位于由該AP 104所定義的小區(qū)中的現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)。
盡管作為單獨的功能塊來示出，但是兩個或多個存儲器204、206 和循環(huán)控制幀緩沖器208可以被組合在單個設備或兩個或多個共享 設備中。
該AP 104還包括無線電收發(fā)器210,該無線電收發(fā)器耦合到該 處理器202，并且通過該無線電收發(fā)器使該AP 104參加與STA的無 線數(shù)據(jù)通信，其中所述STA與該AP 104相關聯(lián)并且有時位于由該 AP 104所定義的小區(qū)中。
另外，該AP 104還包括通信接口 212，該通信接口耦合到該處 理器202，并通過該通信接口使該AP通過有線信號路徑106與該系 統(tǒng)控制器102交換消息。
圖3示出了一個典型的STA 110的框圖。STA 110包括處理器 302，該處理器控制該STA 110的全面運行。該處理器302比如可以 是通用微處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)或其他可編程控制設備。 該STA 110還包括耦合到該處理器302的程序存儲器304。該程序存
儲器304可以通過一個或多個器件來構成，并存儲控制該處理器302 的軟件和/或固件程序指令。所述程序指令可以包括用于執(zhí)行如下所 述的至少一些本發(fā)明功能方面的指令。
該STA 110還包括耦合到該處理器302的工作存儲器306。盡管 作為單獨的功能塊來示出，但是存儲器3(M、 306可以被組合在單個 設備或兩個或多個共享設備中。
該STA IIO還包括無線電收發(fā)器308，該無線電收發(fā)器耦合到該 處理器302,并通過該無線電收發(fā)器使該STA 110參加與關聯(lián)于STA 110的AP的無線數(shù)據(jù)通信。另外，該STA110還包括控制接口 310, 通過該控制接口，該STA 110可以控制該STA 110的發(fā)動機、執(zhí)行 器和/或其他物理或電氣可操作部件(假定該STA也是現(xiàn)場設備)。 該控制接口耦合到該處理器302。另外，如果該STA110是或可以通 過線耦合到現(xiàn)場設備，那么該STA110可以包括通信接口 312,該通 信接口耦合到該處理器302,并且通過該通信接口使該STA與一個
或多個現(xiàn)場設備交換消息。
對每個AP進行控制的軟件/固件可以包括幀調(diào)度器程序模塊， 該幀調(diào)度器程序模塊確定何時向與所述AP相關聯(lián)的每個現(xiàn)場設備 發(fā)送數(shù)據(jù)或其他消息。該幀調(diào)度器程序模塊還可以確定把什么類型 的消息發(fā)送到現(xiàn)場設備。另外，對每個AP進行控制的軟件/固件可 以包括現(xiàn)場設備協(xié)議程序模塊，該現(xiàn)場設備協(xié)議程序模塊對從STA 所接收的消息的消息頭進行翻譯，并且通常將在AP和STA之間所 實施的無線接口的AP消息應用細節(jié)進行隱藏。
對每個STA進行控制的軟件/固件可以包括協(xié)議代理軟件模
塊，該協(xié)議代理軟件模塊在標準消息格式和根據(jù)本發(fā)明的方面所使
用的特定消息格式之間進行轉(zhuǎn)換。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明由AP和/或STA在該通信系統(tǒng)100中所
發(fā)送的典型數(shù)據(jù)消息的格式。
在圖4中所示的消息格式包括消息頭402。該消息頭402可以是 包括地址和控制字段部分404和消息類型部分406的復合頭。當該消 息由AP發(fā)送時，該地址和控制字段部分404可以包括對該消息所指 向的特定STA進行識別的地址。地址和控制字段一般可以與在 802.11消息頭中常規(guī)所包括的頭數(shù)據(jù)類型相一致。
消息類型部分406包括表明消息類型的信息。比如，第一類型 指示可以表明該消息是輪詢消息(如果該消息由AP發(fā)送)，或者是 對輪詢消息的響應(如果該消息由STA發(fā)送)。第二類型指示可以 表明該消息是請求移交(handoff)到新AP的關聯(lián)請求(如果該消 息由STA發(fā)送)，或者是對關聯(lián)請求的響應(如果該消息由AP發(fā) 送)。第三類型指示可以表明該消息是不需要確認的廣播或多播消 息。第四類型指示可以表明該消息是零數(shù)據(jù)消息，該零數(shù)據(jù)消息可 能有時由該AP來發(fā)出，以代替發(fā)送周期性信標信號。
該消息格式的剩余部分由一系列數(shù)據(jù)單元408-1、 408-2.....
408-N組成。每個數(shù)據(jù)單元的格式在410處示出。每個數(shù)據(jù)單元都包 括數(shù)據(jù)單元頭412。數(shù)據(jù)單元頭412包括數(shù)據(jù)單元的預期接收方(也 即STA或AP)的地址，并且還可以包括由接收方所使用的控制信 息。數(shù)據(jù)單元還包括數(shù)據(jù)幀414，該數(shù)據(jù)幀是預期用于在該數(shù)據(jù)單元 頭中所識別的接收方的數(shù)據(jù)有效載荷。所有的數(shù)據(jù)單元408都可以 具有在410處所示的相同格式，但是相應的數(shù)據(jù)單元頭分別可能指 定相互不同的接收方，使得數(shù)據(jù)單元的相應數(shù)據(jù)幀被有效地編址到 不同的接收方。第一數(shù)據(jù)單元可以預期用于在消息頭402的地址和 控制字段404中所編址的同一接收方，并且因此該第一數(shù)據(jù)單元的 數(shù)據(jù)單元頭可以識別與消息頭相同的接收方。消息不必具有多于一 個的數(shù)據(jù)單元。
根據(jù)本發(fā)明的 一些方面，AP可以在輪詢周期期間依次地輪詢與 其相關聯(lián)的每個STA，并且該輪詢周期可以被重復。STA可以運行 以僅僅響應于由該AP所發(fā)送的并被編址到所述STA的輪詢消息而 向該AP發(fā)送消息。然而，由該AP所發(fā)送的每個輪詢消息都可以包 括被編址到其他STA的附加數(shù)據(jù)單元，其中該輪詢消息本身并未被 編址到所述的其他STA，并且無論是否^皮編址到所述STA，所有的 STA都可以聽取所有輪詢消息，并且如果該輪詢消息包括4皮編址到 不是該輪詢消息的目標的STA的數(shù)據(jù)單元，那么不是目標的所述 STA仍舊可以接收并讀取被編址到它的數(shù)據(jù)單元。
同樣，當STA針對輪詢消息發(fā)送響應時，響應消息可以包括一 個或多個被編址到其他STA的數(shù)據(jù)單元。在這些情況中，該響應消 息的頭可以包括指示(比如標記)，以表明該響應消息包括至少一
個被編址到另一 STA的數(shù)據(jù)單元。所有的STA都可以聽取由其他 STA所發(fā)送的所有響應消息，并且當在頭中存在指示時，可以在由 其他STA所發(fā)送的響應消息中拾取被編址到它們的數(shù)據(jù)單元。
根據(jù)由本發(fā)明所提供的消息傳遞方案，被編址到STA的每個消 息都必須被確認，但是STA可以僅僅響應于正由AP輪詢而發(fā)送確 認。
可能希望重復數(shù)據(jù)幀的發(fā)送直到接收到發(fā)送已成功的確認，或 者直到已經(jīng)進行了最大數(shù)目的嘗試為止。然而，在確認丟失的情況 下，重復發(fā)送可能導致由接收方正接收的重復的幀。為了防止接收 重復數(shù)據(jù)幀的沖突，可以采用一種幀順序編號方案。每個發(fā)送設備 都可以為每個接收方按照數(shù)據(jù)消息類來生成幀號碼順序。每個數(shù)據(jù) 單元408都可以包括所形成的幀順序號(比如在數(shù)據(jù)單元頭"2 中)。另外，在一些實施例中，在該消息頭402中可以包括幀順序 號(frame sequence number )。
該接收設備可以丟棄具有使先前所接收的幀順序號重復(或在 順序上處于先前所接收的幀順序號之前)的幀順序號的數(shù)據(jù)幀。
圖5示出了由一個典型的STA所實施的過程的流程圖。在圖5 的502處，確定消息是否被該STA接收。在504處，確定已被接收 的消息是否是被編址到該STA的輪詢消息。倘若如此，那么如在506 處所示，該STA讀取在被編址到該STA的數(shù)據(jù)單元中所包括的數(shù)據(jù) 幀，并且采取由所述數(shù)據(jù)幀所需的任何動作。另外，該STA發(fā)送響 應，該響應是輪詢消息的確認。由該STA要采取的動作可能不被完 成，直到該響應被發(fā)送之后。
如果在504處確定該消息不是被編址到該STA的輪詢消息，那 么該STA接著在508處確定該消息是否包括被編址到該STA的數(shù)據(jù) 單元。倘若如此，那么如在510處所示，該STA讀取在被編址到該 STA的數(shù)據(jù)幀中所包括的數(shù)據(jù)幀，并采取由所述數(shù)據(jù)幀所需的任何 動作，但此時并不發(fā)送數(shù)據(jù)幀的確認。相反，該STA將等待確認該 數(shù)據(jù)幀，直到該STA被AP輪詢。對該STA的輪詢消息可以重復最 初由該STA從被編址到另一 STA的輪詢消息中或者從由另一 STA 所發(fā)送的消息中所拾取的數(shù)據(jù)單元。
利用這種方法，在至少一些消息中可以包括附加的有效載荷，從而有效地降低了開銷負擔。另外，通過使STA在所述STA被輪詢 之前接收數(shù)據(jù)單元，所述STA可以有足夠的時間來采取動作并在所 述STA被輪詢之前生成響應。因此，所述STA對輪詢消息的響應可 以包括新的數(shù)據(jù)，并可以加速在現(xiàn)場設備和系統(tǒng)控制器之間有效的 往復交互。該方法尤其可以適于工業(yè)控制應用，其中頻繁簡短的控 制和狀態(tài)消息可以被交換。而且，該方法可以增加由單個AP所能有 效服務的STA/現(xiàn)場設備的數(shù)目。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一方面由至少一個AP所實施的過程 的流程圖。圖6的過程還可以提高通信系統(tǒng)100的效率。結(jié)合圖6 的過程，將注意到每個AP為與所述AP相關聯(lián)的每個STA和/或現(xiàn) 場設備供給相應的緩沖器。每個緩沖器被設定大小用于存儲不超過 一個的控制數(shù)據(jù)幀，其中該控制數(shù)據(jù)幀由該AP從系統(tǒng)控制器102接 收并且被指定用于發(fā)送到與所述緩沖器相對應的現(xiàn)場設備/STA。
在圖6的602處，確定控制數(shù)據(jù)幀當前是否被存儲在用于特定 STA/現(xiàn)場設備的緩沖器中。倘若如此，那么該AP確定(604 )用于 特定STA/現(xiàn)場設備的新控制幀是否由該AP從該系統(tǒng)控制器接收。 如果在該STA/現(xiàn)場設備的緩沖器已經(jīng)存儲有還沒有由該AP發(fā)送到 該STA/現(xiàn)場設備的舊控制數(shù)據(jù)幀時，該AP接收用于該STA/現(xiàn)場設 備的新控制數(shù)據(jù)幀，那么如在606處所示，該AP通過重寫該緩沖器、 也即通過把該新控制數(shù)據(jù)幀存儲在該緩沖器中來替換舊控制數(shù)據(jù)幀 來響應接收新數(shù)據(jù)幀。
如在608處所示，該AP確定用于向該STA/現(xiàn)場設備發(fā)送控制 數(shù)據(jù)幀的時間在該輪詢周期中是否已經(jīng)來到。倘若如此，那么當前 在該緩沖器中所保存的控制數(shù)據(jù)幀被發(fā)送給該STA/現(xiàn)場設備，如在 610處所示。
圖6的過程偏愛最近在該AP處從系統(tǒng)控制器所接收的控制數(shù)據(jù) 幀，并從而降低控制數(shù)據(jù)通信業(yè)務，而向該現(xiàn)場設備發(fā)送與當前條 件最可能有關的控制數(shù)據(jù)幀。因此，可以改善響應時間和數(shù)據(jù)通信 系統(tǒng)的效率。盡管圖6的過程通過流程圖來示出，但是在實際中可 以期望利用有限狀態(tài)機來實施該過程。
在工業(yè)自動化系統(tǒng)的運行中，可能希望所述現(xiàn)場設備/STA以規(guī) 則的間隔從系統(tǒng)控制器接收控制信號。然而，輪詢安排(諸如上述
的輪詢安排)可能趨向于在控制信號被發(fā)送給每個現(xiàn)場設備/STA的 定時中引入可變性。在下文中結(jié)合圖7和8所描述的過程可以趨于 減輕在控制信號傳送定時中的可變性。
圖7示出了在至少一些STA中所能實施的過程的流程圖。關于 圖7的過程，應注意到的是，可以給每個STA提供時鐘能力，以允 許STA監(jiān)控在該STA處應當接收控制數(shù)據(jù)幀的標稱定時，以與用于 接收控制數(shù)據(jù)幀的規(guī)則間隔相一致。
在圖2的702處，該STA確定該STA已經(jīng)接收的消息是否被編 址到該STA (也即該STA可以檢測消息頭包含有該STA的地址)。 倘若如此，那么該STA檢測該消息的定時，并且如在704處所示， 把該定時與該STA已經(jīng)跟蹤的標稱控制數(shù)據(jù)幀定時相比較。該STA 計算定時差，如果在該標稱定時和接收消息的實際定時之間并且然 后在對消息的響應中有任何差，那么該STA向AP報告定時差，如 在706處所示。
圖8示出了在至少一些AP中所能實施的過程的流程圖。
在802處，AP從STA接收所述報告(參照圖7中的706處)， 其中該報告是關于由該STA所檢測的在接收最后控制數(shù)據(jù)幀的實際 定時與該標稱定時之間的差。在804處，該AP確定定時差是否在可 接受的范圍內(nèi)。如果不是，那么該AP運行以調(diào)節(jié)針對該STA的下 一控制數(shù)據(jù)幀到該STA的發(fā)送的定時。因此，如在806處所示，該 AP確定所報告的差是否表明被發(fā)送到該STA的最后控制數(shù)據(jù)幀相 對于標稱定時是延遲的，或者相對于該標稱定時是過早的。如果該 最后控制數(shù)據(jù)幀相對于該標稱定時是延遲的，那么該AP可以加速下 一控制數(shù)據(jù)幀到所述STA的發(fā)送的定時，如在808處所示。比如， 這可以通過把該STA在輪詢周期中的次序提前來實現(xiàn)。
如果該最后控制數(shù)據(jù)幀相對于該標稱定時是過早的，那么該AP 可以延遲下一控制數(shù)據(jù)幀到所述STA的發(fā)送的定時，如在810處所 示。比如，該STA在該輪詢周期中的次序可以相對于其他STA而被 推后。
在加速或延遲下一控制數(shù)據(jù)幀的發(fā)送定時的情況中，加速或延 遲的程度可以與由該STA所報告的差成比例。
在一些實施例中，只要STA具有相對高的優(yōu)先級消息通信業(yè)務
來發(fā)送，那么所有的STA可以被給予特權以在輪詢響應消息中包括 其他STA的數(shù)據(jù)單元。這種高優(yōu)先級通信業(yè)務的例子可以包括循環(huán) 通信和報警消息。然而，為了維持輪詢周期的時間性，可以限制所 述STA在輪詢響應消息上捎帶低優(yōu)先級通信業(yè)務的特權。低優(yōu)先級 通信業(yè)務的例子可以包括非循環(huán)通信(比如配置請求/命令)和 TCP/IP通信業(yè)務。在STA之中公平地適當限制低優(yōu)先級通信業(yè)務可 以如下所述結(jié)合圖9和10中所示的過程來實現(xiàn)。
圖9示出了由至少一些AP所能實施的過程的流程圖。關于圖9 的過程，每個AP都可以維持輪叫調(diào)度器(round robin scheduler ), 該輪叫調(diào)度器為每個輪詢周期識別特定的STA，所述特定STA被給 予特權在該輪詢周期中捎帶低優(yōu)先級通信業(yè)務。當該輪詢周期發(fā)生 時，該調(diào)度器可以在所述輪詢周期之一中依次識別每個STA,直到 所有的STA都已經(jīng)給予捎帶特權。然后輪詢周期的捎帶特權周期可 以-陂重復。
在圖9的902處，該AP確定在當前的輪詢周期中是否到了輪詢 特定STA的時間。倘若如此，那么該AP檢查輪叫調(diào)度器(如在904 處所示)，以確定(如在906處所示)現(xiàn)在要被輪詢的STA對于當 前的輪詢周期是否具有低優(yōu)先級捎帶特權。倘若如此，那么由該AP 發(fā)送到該STA的輪詢消息向該STA表明該STA被授權在其輪詢響 應中捎帶低優(yōu)先級通信業(yè)務，如在908處所示。如果在906處進行了 否定的確定，那么至該STA的輪詢消息就不表明該STA被授權在其 輪詢響應中捎帶低優(yōu)先級通信業(yè)務，如在910處所示。
圖10示出了可以由至少一些STA所能實施的過程的流程圖。 在1002處，STA確定它是否已經(jīng)收到指向該STA的輪詢消息。倘 若如此，那么如在1004處所示，該STA組成比如包括數(shù)據(jù)單元的適 當?shù)捻憫?，其中所述?shù)據(jù)單元包含有由AP要轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)控制器 的數(shù)據(jù)幀。
在1006處，該STA確定它是否具有任何高優(yōu)先級通信業(yè)務以在 該響應消息上進行捎帶。倘若如此，那么如在1008處所示，該STA 把 一 個或多個數(shù)據(jù)單元加到該響應消息中以將要捎帶的高優(yōu)先級通 信業(yè)務結(jié)合到該消息上。然后，在1010處，該STA確定至該STA 的輪詢消息是否表明該STA已被授權捎帶低優(yōu)先級通信業(yè)務。如果
不是，那么如在1012處所示，該STA發(fā)送響應消息，其中該響應消 息在1004處被組成并包括在1008處所附加的任何數(shù)據(jù)單元。
如果在1010處進行了肯定的確定(也即如果該STA已被授權捎 帶低優(yōu)先級通信業(yè)務)，那么該STA在1014處確定它是否有任何低 優(yōu)先級通信業(yè)務要發(fā)送。如果沒有，那么該過程進行到1012，并且 該STA將所述響應消息與在1008處所附加的任何數(shù)據(jù)單元一起進行 發(fā)送。如果在1014處進行了肯定的確定(也即如果該STA確定它具 有低優(yōu)先級通信業(yè)務要發(fā)送)，那么該STA把一個或多個數(shù)據(jù)單元 加到該響應消息，以把要捎帶的低優(yōu)先級通信業(yè)務結(jié)合到該消息 上，如在1016處所示。該過程然后進行到1012，在1012處，該STA 將該響應消息與在1016處所附加的數(shù)據(jù)單元和在1008處所附加的任 何數(shù)據(jù)單元一起進行發(fā)送。
在一些實施例中，上述的用于控制在AP和STA之間的通信業(yè) 務的輪詢/響應方法可以與常規(guī)的CSMA/CA消息傳遞相共存，使得 進入小區(qū)的802.11設備可以以常規(guī)的方式與所述AP相通信。如果 由這種常規(guī)的802.11設備所發(fā)送的消息與通向或來自被輪詢的STA 之一的消息相沖突，那么該AP檢測沖突并開始重新發(fā)送遭受沖突的 這輪消息。
在一些實施例中，只要存在要被發(fā)送到被輪詢的STA的通信業(yè) 務，這些輪輪詢消息/響應可以以約1毫秒的間隔而被重復。在沒有 通向與特定AP相關聯(lián)的STA的通信業(yè)務的階段期間，所述AP可以 以約5毫秒的間隔發(fā)送零數(shù)據(jù)消息。在由AP以如此相對短的間隔來 發(fā)送輪詢消息或零數(shù)據(jù)消息時，可接受的是，省略由AP對信標信號 的發(fā)送，其中所述信標信號通常用于允許STA檢測離開小區(qū)和/或到 達新小區(qū)。當AP以如此短的間隔發(fā)送消息時，可以相當迅速地把 STA從一個AP移交或者移動到另一個。
關于STA從一個AP到另一個的移交而運行通信系統(tǒng)100的其 他方面還可以:故優(yōu)化。比如，在一些實施例中，所-使用的頻率信道 的總數(shù)限制為三個，這是蜂窩式無線通信系統(tǒng)所需的最小數(shù)目。通 過對由STA所要掃描的頻率目標的數(shù)目進行限制，可以使移交所需
的時間最小化。通過相同的令牌，在該通信系統(tǒng)100中所使用的移 交流程可以要求通過STA "背景掃描，，，也即即使與所述STA當前
所關聯(lián)的AP繼續(xù)良好的聯(lián)系，也為其他的AP進行掃描。此外，掃 描過程可以考慮由AP編址到除了正實施掃描的STA之外的STA的 輪詢消息。
圖11示出了在這點上可以由至少一些STA來實施的過程的流 程圖。在圖11中的塊1102表明STA參加背景掃描，用以確定是否 要開始移交流程。在1104處，該STA確定它是否已經(jīng)收到從STA 當前所關聯(lián)的AP所發(fā)送的消息。該消息可以是被編址到該STA或 另一 STA的輪詢消息。該消息不需包括被編址到正實施掃描的該 STA的數(shù)據(jù)單元。來自該AP的任何輪詢消息無論是否被編址到所述 的STA，如果被所述STA接收，那么將會使移交計時器復位。如果 沒有從該STA所關聯(lián)的AP接收到輪詢消息，那么該STA確定該移 交計時器是否超時，如在1106處所示。只要在該移交計時器超時之 前繼續(xù)接收來自該AP的輪詢或其他消息，那么該STA就不開始進 行移交。但是，如果該移交計時器超時，那么該STA就切換通信信 道(如在1107處所示)，然后該STA確定它是否已經(jīng)接收到由另一 AP所發(fā)送的消息，如在1108處所示。該消息可以是被編址到另一 STA的輪詢消息。如果該STA接收到由另一 AP所發(fā)送的消息，那 么該STA就可以開始移交到其他AP,如在1110處所示。
因此，該STA可以響應于從該STA所關聯(lián)的AP接收被編址到 另一 STA的輪詢消息而確定不開始該移交流程。同樣，該STA可以 響應于從新的AP接收被編址到另一 STA的輪詢消息而確定開始該 移交流程。該移交流程可以需要該STA向新的AP發(fā)送關聯(lián)請求以 及其他常規(guī)的步驟。當該STA已經(jīng)與新AP相關聯(lián)時，該新AP可以 向舊AP發(fā)送消息以使該舊AP知道它不再需要服務于該STA。為了 進一步加速移交，STA可以進行"學習，，活動，其中STA對它們穿 過一系列小區(qū)的前進進行跟蹤，并檢測在它們自己的移動中的模 式，以在需要移交時更迅速地選擇新AP。
代替背景掃描，可以根據(jù)諸如信號強度的降低、在某一時間階 段內(nèi)接收輪詢消息的失敗、或者接收對所發(fā)送的分組的確認的失敗 之類的事件來開始新AP的掃描。
通過限制某些被授權的STA對系統(tǒng)物理設備的訪問，可以引入 流線型關聯(lián)協(xié)議，從而進一步加速移交等待時間。
關于移交流程而應致力于的一個議題是如何防止數(shù)據(jù)幀比如由
于被緩存在舊AP中并從沒被發(fā)送到STA而丟失。移交時丟失數(shù)據(jù) 幀在常規(guī)的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中是普遍發(fā)生的事情。
圖12示出了致力于該議題的移交/上下文轉(zhuǎn)移流程的順序圖。該 流程的方面還致力于一些議題，比如防止由于幀重復而引起的混 亂、處理上下文轉(zhuǎn)移的失敗、以及正確地對從系統(tǒng)控制器102到該 STA的幀躍進(frame bound)進4亍排序。
在圖12中，從左邊垂直線1202形成的箭頭表示從經(jīng)歷移交流 程的STA所發(fā)送的消息；從中間垂直線1204形成的箭頭表示從舊 AP所發(fā)送的消息；以及從右邊垂直線1206形成的箭頭表示從新AP 所發(fā)送的消息。
雙頭箭頭1208表示在STA和舊AP之間正常的通信順序。通 常，通過把該STA移動(或自己移動)出由舊AP所定義的小區(qū)到 由新AP所定義的小區(qū)中的位置，可以促使該STA從舊AP到新AP 的移交。 一旦檢測到與舊AP的通信是不再可能的，并檢測到來自新 AP的消息(比如指向另一 STA的消息)，該STA向該新AP發(fā)送 關聯(lián)請求1210。對于與由該STA從舊AP所接收的最后數(shù)據(jù)幀對應 的每一類(或隊列)消息，所述關聯(lián)消息可以包括幀順序號。該關 聯(lián)請求還可以包括識別舊AP的信息(比如地址)。
然后該新AP向該STA發(fā)送消息1212，所述消息證實該STA與 新AP之間的關聯(lián)。目前，直到至少部分地發(fā)生上下文轉(zhuǎn)移，該新 AP可以防止該STA發(fā)送非循環(huán)消息，并可以對從系統(tǒng)控制器所接收 的消息進行緩存，用以延遲到達該STA。 一旦該STA被允許重新開 始發(fā)送，那么它可以為其所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀從零重新開始全部幀順序 編號。
在1214處，該新AP向舊AP發(fā)送上下文轉(zhuǎn)移(context tranfer ) 請求。該上下文轉(zhuǎn)移請求包括由STA向新AP在1210處所發(fā)送的幀 順序號(也即對應于由STA從舊AP所接收的最后數(shù)據(jù)幀的幀順序 號)。該舊AP通過向新AP發(fā)送(如在1216處所示)幀順序號來 響應該上下文轉(zhuǎn)移請求，所述幀順序號對應于由舊AP從STA所接 收的最后數(shù)據(jù)幀。
在1218處所示的消息表示要被發(fā)送到STA的所緩存的數(shù)據(jù)幀
從該舊AP向該新AP的轉(zhuǎn)移。在轉(zhuǎn)移這些數(shù)據(jù)幀之前，該舊AP丟 棄具有等于或早于在1214處從該新AP向該舊AP所發(fā)送的幀順序 號的幀順序號(這是在1210處從該STA向該新AP所發(fā)送的幀順序 號)的任何數(shù)據(jù)幀。
一旦所有被緩存的(以及未丟棄的)數(shù)據(jù)幀已經(jīng)從舊AP被轉(zhuǎn)移 到新AP，那么該舊AP就向該新AP發(fā)送消息1220來證實該轉(zhuǎn)移完 成。
因為該STA已經(jīng)向該新AP通知了由該STA從該舊AP所接收 的最后數(shù)據(jù)幀的幀順序號，所以該新AP可以避免向該STA發(fā)送重 復的數(shù)據(jù)幀。實際上，這些數(shù)據(jù)幀在至少部分時間上可以由該舊AP 抑制從由該舊AP向該新AP所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。
一旦新AP從舊AP接收到由該舊AP從該STA所接收的最后數(shù) 據(jù)幀的幀順序號，那么該新AP可以重新允許從該STA發(fā)送數(shù)據(jù)幀， 因為該新AP現(xiàn)在可以檢測并丟棄重復的數(shù)據(jù)幀。應當理解的是從 該STA的循環(huán)通信在從該舊AP接收幀順序號期間可以不受該新AP 的阻止。
在新AP向STA發(fā)送從舊AP所轉(zhuǎn)移的數(shù)據(jù)幀之后，新AP排隊 等候為STA從系統(tǒng)控制器所接收的所要發(fā)送的新數(shù)據(jù)幀。
在上下文轉(zhuǎn)移失敗的情況下(比如由于新AP不能聯(lián)系舊AP)， 該新AP仍舊能夠接收從STA所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，其中該STA從未發(fā) 送過所述數(shù)據(jù)幀，并且對于所述數(shù)據(jù)幀，順序編號已經(jīng)從零重新開 始。由于該順序編號已經(jīng)重新開始，所以該新AP能夠同步于該 STA。然而，如果上下文轉(zhuǎn)移失敗，那么對于該新AP合理的是忽略 來自該STA的任何數(shù)據(jù)幀，其中該STA具有其"再試位(retry-bit)" 設置。
在一些實施例中，這里所述的全部或少于全部的特征可以凈皮結(jié)
合到單個系統(tǒng)中。
盡管在前述的實施例中已經(jīng)對該系統(tǒng)進行了詳細的描述，但是
應理解的是，這些描述僅僅出于示例的目的而被提供，并且在不脫
離由所附的權利要求所單獨定義的本發(fā)明精神和范圍的情況下，可
以由本領.
權利要求
1.一種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100)，包括接入點(104)；以及多個站(110)，其中每一個站都用于與所述接入點(104)交換無線數(shù)據(jù)通信消息；其中所述消息中的至少一些的格式包括至少一個消息頭(402)和多個數(shù)據(jù)單元(408)，所述數(shù)據(jù)單元(408)中的每一個都包括相應的數(shù)據(jù)單元頭(412)和相應的數(shù)據(jù)幀(414)，每個數(shù)據(jù)單元頭(412)把所述站(110)中的相應一個識別為用于接收數(shù)據(jù)單元(408)的相應數(shù)據(jù)幀(414)的接收方。
2. 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100)，其中所述消 息頭(402 )對由所述數(shù)據(jù)單元(408 )中的第一個的相應數(shù)據(jù)單元 頭(412)所識別的同一接收方進行識別。
3. 根據(jù)權利要求2所述的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100),其中 由包括在所述數(shù)據(jù)單元(408 )的第一個中的相應數(shù)據(jù)單元頭(412)所識別的接收方對包括在數(shù)據(jù)單元(408 )的所述第一個中 的相應數(shù)據(jù)幀(414)的接收進行確認；以及由包括在所述數(shù)據(jù)單元(408 )的第二個中的相應數(shù)據(jù)單元頭(412)所識別的第二接收方不對包括在數(shù)據(jù)單元(408 )的所述第 二個中的相應數(shù)據(jù)幀(414)的接收進行確認，直到所述第二接收方 通過由所述接入點(104)發(fā)送并包括識別所述第二接收方的消息頭(402 )的消息被輪詢?yōu)橹埂?br> 4. 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100)，其中 所述接入點(104)對所述站(110)進行輪詢以及所述站(110)僅僅響應于正由所述接入點(104)輪詢而向所 述接入點(104)發(fā)送消息。
5. 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100)，其中所述多 個站(110)包括至少50個站(110)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100)，其中每個所 述數(shù)據(jù)單元(408 )都包括相應的幀順序號。
7. 根據(jù)權利要求6所述的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100)，其中所述的 相應幀順序號被包括在所述每個數(shù)據(jù)單元(408)的相應數(shù)據(jù)單元頭 (412)中。
8.根據(jù)權利要求6所述的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100)，其中所述消 息頭(402 )包括消息順序號。
全文摘要
一種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(100)包括接入點(104)和多個站(110)，其中每個站都用于與所述接入點(104)交換無線數(shù)據(jù)通信消息。所述消息中的至少一些的格式包括至少一個消息頭(402)和多個數(shù)據(jù)單元(408)。數(shù)據(jù)單元(408)中的每一個都包括相應的數(shù)據(jù)單元頭(412)和相應的數(shù)據(jù)幀(414)。每個數(shù)據(jù)單元頭(412)把所述站(110)的相應一個識別為用于接收數(shù)據(jù)單元(408)的相應數(shù)據(jù)幀(414)的接收方。
文檔編號H04L12/28GK101176308SQ200680010232
公開日2008年5月7日 申請日期2006年1月23日 優(yōu)先權日2005年3月31日
發(fā)明者C·韋勒, J·米勒, K·本杰明斯, R·切雷迪, R·廖, S·克勒 申請人:西門子技術至商業(yè)中心有限責任公司;西門子公司