專利名稱：基于競爭的協議中公平分配頻譜的方法
技術領域：
本發明涉及一種采用基于競爭的協議無線發送數據的方法，其中多個通信無線終端利用用于發送的公共介質發送數據。本發明還涉及一種采用基于競爭的協議無線發送數據分組的終端，該終端包括發送和接收單元以及控制器。
不同的無線通信標準的數量在最近這些年已經增加，引起無線設備銷售量的巨大增長。但是可用于無線傳輸的頻譜量是有限的，臨時占用部分頻譜的每個設備潛在地干擾其它設備和可能正在進行的通信。
需要一個全世界的“頻譜-禮儀”來支配稀缺資源“頻譜”使用的呼聲在高漲。不僅行業協會，如IAG(行業咨詢小組)，而且標準化團體，如歐洲的ETSI和美國的IEEE，都意識到即將到來的干擾問題，并且已經開始研究如何抵抗干擾。特別是在ISM(工業、科學和醫療)頻段，這個問題在短期內將會變得明顯。
許多無線通信系統依賴于基于競爭的方式對介質訪問例如，IEEE 802.11協議是基于CSMA/CA原則(載波-監聽-多路-訪問/沖突-避免)。在802.11協議中，每個無線終端在嘗試訪問介質之前不得不等待介質變成空閑狀態。從觀察介質為空閑開始，每個無線終端在開始第一次嘗試訪問介質之前不得不等待各自的等候時間，后面以退避時間(back-off time)來表示。如果在退避時間過去之前，沒有來自另一個無線終端或接入點的通信嘗試發生，則介質可以被訪問。顯然，具有較短退避時間的無線終端平均起來比具有更長退避時間的無線終端有更大的機會訪問介質。但是如果因為兩個無線終端的退避時間值相同或者他們在網絡中有不同的事件感知，兩個無線終端同時訪問介質，那么沖突發生。一旦這個沖突已經發生，每一個受影響的終端在開始第二次嘗試訪問介質之前，通過利用它們各自的退避時間再次退避。
在標準的許多變化中，這些退避時間構成專門的用途例如，在即將出現的IEEE802.11e標準中指定的QoS(服務質量)擴展使用最短退避時間用于增強的接入點，所謂的混合協調器，以便在訪問介質時給這個設備最高優先級。復雜的算法也許能調整退避時間和退避時間窗，其中窗指定用于無線終端的可能退避時間范圍，其包括固定部分和隨機部分，以便微調優先級。但是調整退避時間的這些方法中沒有一個已經被調整以使頻譜的使用最優化。盡管頻譜禮儀的需要已經被確定，但強制規則還沒有被明確地闡明。
因此，本發明的一個目的是提供一種方法和一種系統，允許在基于競爭的協議中使頻譜的使用最優化，和減少發送數據分組所使用的整體發射功率，以及減小無線通信系統間的整體干擾。
這個目的通過獨立權利要求中給定的特征解決。
本發明是基于這種想法通過對以低發送功率進行發送的無線終端采用一個回報方案，使得整體發射功率量、及因此干擾電平、以及消耗的能量值都可以減少。因為以高發送功率的數據傳輸將會干擾鄰近無線終端之間的其它傳輸，所以傳輸的干擾會導致那些終端之間不成功的傳輸，其需要被重復，因此再次占用各自的頻段，這樣造成利用效率低。如果無線終端以低發送功率發送，則其他鄰近終端的不成功傳輸的風險減小。但是，當前發送終端的覆蓋范圍也會減小，且依賴于這個發送終端和接收終端間的距離，這個終端成功傳輸的機會可能減小。因此需要一個最優化，這樣就可以只使用一個消息到達它的目的地所需要的最小發送功率量。
特別地建議記錄使用過的發送功率量，并根據使用過的發送功率調整無線終端的特性以回報該無線終端。
這樣，通過將無線終端的特性與傳輸中使用過的發送功率量結合起來，為那些對它們的環境引起最小干擾的無線終端提出了一種回報方案。這些特性將會影響訪問介質的必需時間。在當前情形中介質是頻段。
在本發明的優選實施例中，已經使用了或正在使用低發送功率的無線終端被允許減少它們的退避時間和/或增加要發送的數據分組的優先級，但是已經使用了或正在使用高發送功率的那些無線終端不得不增加它們的退避時間和/或不能增加下一次要發送的數據分組的優先級。
通過這樣，本發明的方法偏愛使用低發送功率的那些無線終端訪問介質的機會，并因而減小了整體發射功率。使用該回報方案的發明方法導致了一個新的最優化維度。所以，依賴于該回報算法，由于無線終端在過去的“良好行為”，它就可以經歷較多的介質訪問機會。
減少整體發射功率的進一步好處是服務質量的改進和由此發送的數據吞吐量的成功增加。
然而，目前發明的方法提出了一種適合于自行操作無線終端的簡單、局部執行機制。該方法在現有的和未來的設備中容易實施，因為只有用于確定退避時間和/或優先級的方法需要改變。在無線終端中可以得到使用過的發送功率量的必需記錄。所以，在確定退避時間或下一次要發送的數據分組優先級時這個使用過的發送功率值需要被考慮。
在本發明的一個優選實施例中，有利地提出根據最后一個發送的數據分組使用過的發送功率來確定無線終端的退避時間和/或數據分組的優先級，最后發送的數據分組在一個預定義的最大時間間隔內被發送，例如500毫秒。另外的準則可以是在一個預定義的時間間隔內(例如最后1000毫秒)發送的所有數據分組使用的平均發送功率。更進一步，可以利用在一個預定義的時間間隔內(例如最后500毫秒)一個數據分組所使用的最大發送功率。
在本發明的另外一個優選實施例中，傳輸使用的能量值被作為更進一步的最優化標準。這也包括如果第一次傳輸失敗，再傳輸數據分組所使用的能量值。一個示例的實現可以使用所謂的能量效率，其可用如下公式表示J[k]=G[k]E]]>k分組索引G[k]成功的凈吞吐量(例如分組中的信息比特數)E目前發送的分組‘k’傳輸所需的全部能量；一旦計算出能量效率，就可以利用它確定退避時間或數據分組的優先級。特別是，在例如500毫秒的預定義的最大時間間隔內發送的最后數據分組的能量效率J，或者在一個預定義的時間間隔內(如最后1000毫秒)所有數據分組的平均能量效率，或者在一個預定義的時間間隔內(如最后500毫秒)一個數據分組的最低能量效率，都可以被用來確定無線終端的退避時間和/或數據分組的優先級。
在另外一個優選實施例中，根據應用來確定使用過的發送功率量和退避時間之間的關系。可以使用線性或者對數或者任何適合的單調增加函數來確定退避時間。此外可以使用一個查找表為過去使用過的發送功率分配各自的退避時間。
在一個有利的實施例中，使用閾值來確定無線終端的退避時間。如果無線終端使用的發送功率處于一個預定閾值之上，則退避時間將會被設置為一個大值，以在獲得訪問該介質用于即將來臨的傳輸時“懲罰”這個無線終端。相反，假如無線終端使用的發送功率處于一個預定閾值之下，則退避時間將會被設置為一個小值，以在獲得訪問該介質用于即將到來的傳輸時“回報”該無線終端。
因為將要發送的每個數據分組有一個指定更多回報可能性的優先級值，所以實際上無線終端可以根據使用過的發送功率增加數據分組的優先級值。所以介質將會看到更高的優先級值，其中接收終端將會看到真實的優先級值。通過這樣，具有較高優先級值的數據分組比具有較低優先級值的數據分組將會被更早地發送。也可以根據使用過的發送功率，將無線終端的退避時間調整和優先級值的設置結合起來。
在本發明的另外一個優選實施例中，使用多跳通信到達一個遠處的無線終端的無線終端以一個減小的退避時間或下一次要發送的數據分組的增加的優先級來回報。多跳通信使用位于遠處終端之間的一個終端作為中間終端。該終端將充當轉發器。因為發送數據到中間終端所需的發送功率比直接發送數據到接收終端所需的功率低，所以整體發射功率量和使用過的發送功率被減少，從而降低了鄰近通信干擾的風險。
本發明的目的也是通過使用基于競爭的協議無線發送數據分組的終端來解決，其包括發送和接收單元以及控制器，記錄發送數據分組所使用過的發送功率的裝置和根據使用過的發送功率確定無線終端的特性以提高訪問介質機會的裝置。
僅僅通過示例的方式，參照后面的示意性附圖下面詳細描述本發明的優選實施例。
圖1舉例說明在沒有使用本發明情況下的一種方案；圖2舉例說明根據本發明的一種方案；圖3示出根據本發明用于映射退避時間的一個數學函數；圖4示出根據本發明使用回報方案的一種系統；圖5示出根據本發明用于確定退避時間的一個流程圖6示出用于計算能量效率的一個流程圖；提供附圖只是為了舉例說明的目的，并且不必代表本發明的實際例子來衡量。
下面描述本發明的各種典型的實施例。
盡管本發明可以在很大應用范圍中適用，但是將著重針對IEEE802.11無線局域網(WLAN)進行描述，其中在藍牙或新興的超寬帶(UWB)標準(IEEE802.15.3a，使用超寬帶物理層技術的無線個人區域網絡)中的實施也是可能的。
在描述本發明的實施例之前，將在圖1中描述眾所周知的起始情形。
圖1示出了多個通信無線終端。這些無線終端以參考標記1-9來表示。無線終端1-9經由一個未示出的正在協調無線終端之間通信的接入點連接。該接入點定義無線終端1-9用于無線通信所使用的參數的范圍。發送功率的上限可以由國家監管機構按照每個頻段的使用規則來指定。通信的不同模式是在兩個無線終端之間直接通信，其中，在這種模式中，接入點也將設置參數和通告參與的終端。
細箭頭，如終端2和3之間的箭頭，表示低發送功率電平，其中更粗箭頭，如終端1和5之間的箭頭，表示較高的發送功率電平。參照圖1，終端2和3之間的通信被終端5和1之間的高發送功率通信干擾。終端5以不必要的高功率電平發送。此外，在終端3上的接收被終端4為了到達終端7所使用的高發送功率嚴重地干擾。盡管為了橋接終端4和7之間的長距離，這樣一個高發送功率電平看上去是必要的，但是從頻率效率的觀點來看這種情形是不希望的。這種情形通過使用如圖2中示例的本發明方法來解決。
參照圖2，替代以這種高功率發送、并因而“污染”影響終端1、2、3和5的本地環境，終端4和7之間的傳輸優選地將要使用它們之間的轉發終端9(即使用多跳通信)。這個轉發終端9充當轉發器，并可以使用一個較低的發送功率電平。因為終端9比終端7更靠近終端4，現在終端4也可以用較低的發送功率發送。轉發終端9的使用將會影響這個終端9發送或接收自己的業務的能力，但是就具有高容量的傳輸標準而言，這種能力的共享可以容易地進行。
圖3表示確定無線終端用于后面傳輸的退避時間所使用的數學函數。發送電平被表示為發送功率步長的數量，與功率有關的退避時間的動態部分被表示為微時隙的數量(即退避時間的粒度)。為了計算退避時間，觀察所使用的發送電平量。如果無線終端以發送電平1已經發送了最后數據分組，則將通過為下次傳輸分配1微時隙的退避時間來回報它，其中一個微時隙代表最小的單位或退避時間的粒度。所以，這個無線終端通過使用低發送電平將會得到很大的機會去很快再次訪問介質，因為它的退避時間被設置得很短。另外的實例將會說明相反的情形。如果無線終端以可能的最高發送電平9發送了它最后數據分組，則通過為后面的傳輸分配9微時隙的退避時間來懲罰它。與無線終端在嘗試訪問介質后為下一次傳輸使用哪個發送電平無關，在沖突的情況下，它將會再一次退避9微時隙，所以它不得不等待。具有更短退避時間的其它無線終端將會有更多機會訪問介質。
圖3示出的函數只是描述了根據使用的發送功率確定退避時間的一種可能性。更多的實施是可能的，例如特別支持流應用的傳輸。低功率回報機制和IEEE802.11e中定義的QoS擴展的結合確實可以生成一種頻譜效率和QoS性能的較好組合。
圖4表示使用基于競爭的MAC協議無線發送數據分組的終端的一部分。這個終端示例的部分可以在能夠通過如無線局域網來通信的筆記本電腦、PDA等中實現。該終端包括發送和接收信號的天線12。接收和發送單元13執行用于接收或發送數據分組的各自步驟，這些數據分組也被認為是無線局域網(WLAN)標準中的PDU。數據分組由控制器14生成。控制器14可以實現為WLAN棒(stick)或附加卡上的處理器，或者實現為能夠通過WLAN通信的筆記本電腦的主處理器。記錄使用過的發送功率的裝置用參考標記15表示。因為控制器14控制發送數據分組要使用的發送功率，所以這個使用的發送功率值必須被裝置15記錄下來。將這個使用過的發送功率值記錄下來，把他們提供給裝置16用于為下一次傳輸確定退避時間。在確定退避時間的裝置16內，通過使用各自的公式或一個查找表來實現該數學函數。在確定退避時間時也可以考慮更多參數，例如終端執行定向傳輸的能力，從而對于地理上嚴格受限制的區域，可以減小干擾其他正在進行的通信的可能性；另一個有用參數的例子是當前的函數，目前終端操作作為其它業務的轉發終端。
圖5表示根據本發明舉例說明該過程的流程圖。在步驟31PDU構成將要被發送之后，無線終端將會等待退避時間期滿(步驟32)。如果退避時間期滿了，則將觀察介質(步驟33)它是否可訪問。注意到為了完整性，在退避時間期間(步驟32)，介質也會被觀察，并且如果忙，退避再一次開始；但是在例如IEEE802.1 1無線局域網中這是一個標準特性。如果介質是可訪問的(步驟34)，則在步驟35中將會開始傳輸。如果介質被占用，則該無線終端不得不再次等待退避時間(步驟32)和再次嘗試訪問介質。在開始傳輸(步驟35)之后，使用過的發送功率被裝置15記錄下來(步驟37)。消耗的發送功率值被用來計算下次傳輸的退避時間(步驟38)。如果使用的發送功率超過一個預定的閾值，則下一次傳輸的退避時間將會增加。如果使用過的發送功率保持低于一個預定閾值，則退避時間將會減少，從而增加下次傳輸訪問介質的機會。在已經開始傳輸(步驟35)后，需要從接收終端接收確認信號(步驟36)，接著傳輸成功地完成(步驟39)。如果傳輸失敗，則不得不重復。
圖6舉例說明計算能量效率J[k]的流程圖。在步驟S61，能量效率J[k]的計算過程開始。在步驟S62，變量k被加1。在步驟S63，根據傳輸次數和以前使用過的能量效率值計算能量效率J[k]。在步驟S64，檢查任何退避時間是否還有剩余。如果退避時間還沒有期滿，則無線終端不得不再多等待一個時隙(步驟S65)。如果退避時間結束，則在步驟S66，檢查該無線終端WT或接入點AP是否已經得到了介質。如果無線終端WT或接入點AP已經得到介質，則在步驟S67，變量n(傳輸次數)被加1。在步驟S68，選擇PHY模式，其中PHY意思是物理層。PHY模式是一種調制方案、調制星座、信道編碼方案和發送功率范圍的組合，無線電系統將它們組合，為用戶提供不同的數據率和抗干擾健壯程度從而為不同通信源和信道狀態提供自適應。例如，對于IEEE802.11a，以及802.11g，有8個不同的PHY模式可用。它將OFDM(正交頻分復用)用作唯一的調制介質訪問方案、4個不同的調制星座和用于生成8個不同最大數據速率的基于卷積碼信道編碼的3個不同碼速率，在下表中以BPSK(二進制相移鍵控)、QPSK(正交相移鍵控)和QAM(正交幅度調制)來說明。
在步驟S69，選擇發送功率。在步驟S70，發送分組。在步驟S71，檢查確認PDU的等待時間是否已經期滿或ACK消息是否已經被接收到。如果該確認超時還沒有期滿或沒有ACK消息被接收到，則在步驟S72，另一個時隙將被計數。如果確認超時期滿或者確認PDU已經被接收，則在步驟S73計算所消耗的傳輸能量的總量。消耗的能量依賴于分組的長度、PHY模式和發送功率，但也可以包括最后傳輸嘗試所需的基帶處理能量。在步驟S74檢查確認PDU是否已經被接收。如果確認PDU已經被接收，則這次傳輸成功地完成。在這種情況下，在步驟S75計算能量效率J[k]。一旦能量效率J[k]已經被計算出來，消耗的能量值和發送的次數n都被重新置為零。計算出的能量效率J[k]的值被用在下次流程中為無線終端確定退避時間和/或優先級。如果在步驟S74確認PDU還沒有被接收到，則程序繼續到步驟S77，其中能量效率J[k]被置為零。在步驟S78檢查n是否等于嘗試的最大次數。如果已經達到嘗試的最大次數，則在步驟S79停止發送。如果最后J[k]讀數低于平均值，則改變路由表。如果沒有達到嘗試的最大次數，則程序回到開始步驟S61，以重新開始能量效率的計算。
通過使用根據圖6流程圖所示的這種程序，提供了一種適當的方法既可以估計成功傳輸的發送功率，也可以估計失敗傳輸所使用的發送功率。
權利要求
1.使用基于競爭的協議無線發送數據的方法，其中多個通信無線終端(1-9)使用用于發送的公共介質發送數據，無線終端中的方法包括下列步驟-等待一段退避時間以訪問介質，-觀察介質是否空閑，-如果介質空閑，則發送數據，-記錄使用過的發送功率量，-根據使用過的發送功率調整該無線終端特性以回報該無線終端。
2.如權利要求1所述的方法，其中根據使用過的發送功率量確定該無線終端的退避時間和/或將要被發送的一個數據分組的優先級。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中該無線終端的退避時間和域該數據分組的優先級根據以下來確定-最后發送的數據分組使用過的發送功率，或-在一個預定義的時間間隔內所有數據分組的平均發送功率，或-在一個預定義的時間間隔內一個數據分組使用過的最大發送功率。
4.如先前任一權利要求所述的方法，其中記錄使用過的發送功率量的步驟進一步包括-根據公式J[k]=G[k]E]]>確定能量效率J，其中k是分組索引，G[k]是成功發送的吞吐量，以及E是目前發送的分組‘k’傳輸所需的全部能量；和-使用最后的數據分組的能量效率J[k]，或-在一個預定義的時間間隔內所有數據分組的平均能量效率，或-在一個預定義的時間間隔內一個數據分組的最小能量效率，用來確定該無線終端的退避時間和/或該數據分組的優先級。
5.如權利要求3或4所述的方法，其中時間間隔包括發送數據分組的時間和作為應答發送確認信號的時間。
6.如先前任一權利要求所述的方法，其中發送功率和/或能量效率J[k]與從中推導出的退避時間或數據分組的優先級之間的關系是一個預定的數學函數，根據應用來設置該函數。
7.如先前任一權利要求所述的方法，其中如果使用過的發送功率量低于一個預定閾值，則無線終端的退避時間被減少。
8.如先前任一權利要求所述的方法，其中如果無線終端已經以低于一個預定閾值的發送功率發送在前的數據分組，則將要被發送的一個數據分組的優先級被增加。
9.如先前任一權利要求所述的方法，其中使用多跳通信到達一個遠處的無線終端的無線終端被回報以減小的退避時間或下一個將要發送的數據分組的增加的優先級。
10.一種用于使用一種基于競爭的協議無線發送數據分組的終端，包括發送和接收單元(13)，控制器(14)，用于記錄發送數據分組所使用過的發送功率的裝置(15)和根據使用過的發送功率確定無線終端的特性以回報該無線終端的裝置(16)。
全文摘要
本發明涉及一種采用基于競爭的協議無線發送數據的方法和終端，其中多個通信無線終端(1－9)利用用于發送的公共介質發送數據，無線終端中的方法包括步驟等待一段退避時間以訪問介質，觀察介質是否空閑，如果介質空閑，則發送數據，記錄使用過的發送功率量，根據使用過的發送功率調整無線終端的特性以回報無線終端。所提出的方法將會減小整體發射功率和干擾風險，并因此改善服務質量。無線終端的退避時間和/或將要發送的數據分組的優先級可以根據使用過的發送功率量來確定。
文檔編號H04L12/56GK1998158SQ200580022177
公開日2007年7月11日 申請日期2005年6月23日 優先權日2004年6月30日
發明者W·布德, S·E·博勒科里巴斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司