用于减少屏蔽节点的出现的方法、节点及其计算机程序产品的制作方法

专利名称：用于减少屏蔽节点的出现的方法、节点及其计算机程序产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及在通信网络中减少屏蔽节点的出现的方法。本发明还涉及相应的计算
机程序产品以及位于通信网络中的节点。
背景技术：
Ad-hoc多跳无线网络，或者只是ad-hoc网络，是纯粹通过参与的无线节点之间的
无线链路将信息传送给远端节点的无线网络。Ad-hoc多跳无线网络具有以下优点由于无
需线路而容易部署，以及，由于通过多跳连接来传递信息而使得覆盖得以扩展。 在ad-hoc网络中，两个核心问题是关键的。第一个涉及在网络内搜索或维护恰当
的路由以传递信息。第二个涉及无线媒体接入的恰当管理，鉴于网络内的所有节点都共享
底层的无线媒体。 Ad-hoc网络中媒体接入控制(MAC)特别是IEEE 802. 11MAC的问题已经被确定。 在未恰当地设计MAC时，ad-hoc网络具有一些不良的特性，这包括链路断开、公平(S卩，以 公平的方式接入节点)、吞吐量减小或时延长。 无线局域网(WLAN)的性能大大依赖于它的媒体接入控制(MAC)方案。 一些WLAN， 如IEEE 802. ll，使用基于载波侦听多点接入(CSMA)协议的媒体接入控制机制。按照CSMA， 网络节点只有在它确定媒体空闲的情况下才被允许进行传输。然而，CSMA无法防止由位于 接收方传输范围内、而不在发送方的传输范围内的节点所引起的包冲突。这些节点被称作 隐藏节点。隐藏节点问题如图l所示。如果至少三个节点(在此实例中，节点A、B和C)彼 此贴近地进行工作，从而A和B、以及B和C在无线电范围内，则该问题出现。如果A和C同 时向B发送，在节点B接收到的数据将会被破坏。这会发生是因为A和C对彼此是隐藏的 (艮P，无法监听到彼此)。 为防止由于隐藏节点引起的数据包冲突，在各种通信系统中(如，在IEEE 802. 11 中)实施了请求发送(RTS)/清除发送(CTS)机制。 当发送方和接收方附近的每个节点都侦听到至少一个控制包并且适当地延迟传 输时，RTS/CTS机制能够防止数据包冲突。然而，在ad-hoc网络中，此假设一般不适用。邻 近的节点常常无法接收到控制包，因为它们被来自它们附近的其它节点的正在进行的传输 所屏蔽。这意味着RTS/CTS机制通常无法防止数据包冲突，即使在完美的工作状况下，如， 极小的传播延时也没有、没有信道衰落以及没有节点移动。在以下的描述中，所假定的接收 RTS或CTS包、但由于另一正在进行的传输而无法正确地解释所述包的节点被称为屏蔽节 点。屏蔽节点问题如图2所示。在此实例中，节点B传输包1给节点A，同时，节点D传输包 2给节点C。由于节点E从两个不同的源接收包，因此它无法将这些包中的任一个解码。由 于每个传输屏蔽另一个，因此节点E被叫作屏蔽节点。 屏蔽节点被视为如隐藏节点一样重要。当屏蔽节点试图传输它们自己的数据时， 它们的传输通常会与正在进行的传输相冲突。因此，由屏蔽节点引起的冲突严重浪费了无线网络中的无线电资源。虽然隐藏节点已经被广泛地研究，屏蔽节点问题仅得到了很少的关注。 因此，需要一种改进的在通信网络中减少屏蔽节点的出现的方法。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种在至少包括第一节点、第二节点和第三节点
的通信网络中减少屏蔽节点的出现的方法，所述节点在同一频段中工作，以及其中，第一节
点和第二节点处于彼此的无线电通信范围内，所述方法包括由第二节点执行的如下步骤-与第一节点交换控制信息以便在它们之间建立第一数据通信链路，第三节点无
法解码所交换的控制信息；-检测第三节点建立另一数据通信链路的意图，所述另一数据通信链路会干扰第一数据通信链路；以及-阻止第三节点建立所述另一数据通信链路。 因此，本发明提供了减少屏蔽节点的出现的有效途径，以及因此，网络中的干扰得以减少且网络性能得以改进。 根据本发明的第二方面，提供了一种计算机程序产品，其包括指令，用于当所述指令在第二节点的计算机装置上被加载以及运行时，实施根据本发明的第一方面的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于无线通信网络的节点，所述无线通信网络进一步包括第二节点和第三节点，所述节点被配置成在同一频段中工作，以及其中，根据本发明的第三方面的所述节点和第二节点处于彼此的无线电通信范围内，所述节点包括
-用于与第二节点交换控制信息以便在它们之间建立第一数据通信链路的装置，第三节点无法解码所述控制信息；-用于检测第三节点建立另一数据通信链路的意图的装置，所述另一数据通信链路会干扰第一数据通信链路；以及 _用于阻止第三节点建立所述另一数据通信链路的装置。 此外，根据本发明的第三方面的节点可以被配置成用于实施根据本发明的第一方面的方法。


参照附图，通过以下对非限制性的示范性实施例的描述，本发明的其它特征和优点会变得明显，其中 _图1图示了通信网络中的隐藏节点问题；
-图2图示了通信网络中的屏蔽节点问题；
-图3是示出了仿真结果的图； _图4示出了可以应用本发明的教导的网络的架构；-图5示出了在数据通信链路的创建期间，图4中所传输的不同的报文；-图e是示出了另外的仿真结果的另一图；-图7示出了按照本发明的第一实施例所传输的不同的报文；
-图8是图示了本发明的第一实施例的流程-图9示出了按照本发明的第二实施例所传输的不同的报文；以及
-图10是图示了本发明的第二实施例的流程图。
具体实施例 传统的WLAN系统利用频率复用的概念来定义小区并使得相邻的小区使用不同的频率。基于每个小区来使用不同频率的目的是限制来自邻近小区的干扰(同信道干扰)。
WLAN中对于用户容量和带宽效率的不断增长的需求促使对新的策略进行研究以优化无线电频谱效率，该频谱效率由某区域中所占用的给定频段内、给定时间段中所成功传输的比特的数量来定义。 虚拟蜂窝网(VCN)是改进频谱效率的可行方式。它包括针对每个通信链路使用整个频段的蜂窝通信架构。此外，在此概念中，不存在用于对信道分配和切换进行管理的传统基站。 接下来在使用同步的竞争式协议的VCN的背景下对本发明的一些实施例进行描述。该协议将时间划分成两个时期一个控制期(CP)和一个数据期(DP)。在控制期中，只交换诸如RTS/CTS的控制包，以便在成对的源节点和目的节点之间建立数据传输；以及，在数据期中，发生实际的数据传输。此协议类似于当前的IEEE 802. lls草案(IEEE802. lls任务组，"IEEE P802.11s:ESS Mesh Networking",草案版本0. 03，第9. 14节，2006年8月)中的通用信道框架，除了此处仅使用一个信道。然而，将会注意到的是，本发明的教导不限于这一具体的网络类型。 在包括一些接入点(AP)以及每个AP有一些站点(STA)的上述网络中进行仿真。
通信网络中的节点被称作能够接收和/或发送数据的设备。节点的实例是接入点和站点，
如，移动电话或计算机。其目的是示出关于CP长度在同一DP中有多少节点发送数据。关
于收集有多少节点同时在发送数据的方式，记录两项统计量是有用的-每周期所发送的数据它代表25个小区内部在同一 DP中发送数据包的节点的
数量；这些节点是之前在CP中成功完成了 RTS/CTS交换以预留媒体的节点，所以它们现在
可以传输数据。由于设施模式的瓶颈，理想的最大数量是25个并行传输。-每周期所正确接收到的数据它收集在同一DP中被发送以及被确认的数据包的
数量。该值总是比每周期所发送的数据要差，因为干扰使性能恶化，特别是在使用了长数据
包的仿真场景中。 通过使网络工作2秒钟并将该时间内所获得的值进行平均来收集统计量；CP长度值的范围从1到7. 5个RTS/CTS wra，步长为0. 5。根据RTS/CTS交换时间对CP长度的变化进行归一化，其中 RTS/CTS时间=DIFS+Tx_时间KTS+Tx_时间CTS+2 X SIFS。 RTS/CTS,^的计算依赖于物理层仿真参数，如，传输速率。在以上的公式中，DIFS表示分布协调功能帧间间隔。当站点决定开始传输时，使用DIFS。如果站点监听到针对DIFS媒体空闲，则它可以进行传输。SIFS表示短帧间间隔。SIFS是帧间间隔中最短的帧间间隔。当站点占用媒体并且需要将该媒体在将要执行的帧交换序列的持续期间保持时，使用SIFS。进行以上的归一化，以给出关于以下内容的粗略思想在同一通信范围内所考虑的CP期间，有多少用以预留媒体的连续的成功尝试会是合适的。
在图3中，示出了针对饱和负载情形的仿真结果。x轴是控制期的长度，以及y轴代表每周期的并行传输。由虚线所代表的每周期发送的数据曲线迅速上升并且很快饱和，因为不再有机会使得节点接入媒体。从1到3RTS/CTS,^的增长是急剧的，意味着CP长度的增大给更多的节点提供到媒体的接入。 对于从3到3. 5的RTS/CTS,^值，并行传输的数量仍然有增加，即使曲线不是那么陡。对于高于3. 5的RTS/CTS时间，并行传输的数量没有明显的改变。 关于由实线所代表的每周期所正确接收到的数据的曲线，它或多或少遵循每周期所发送的数据曲线的特性将会是合理的。这在RTS/CTS,^从1到3. 5进行变化的陡的部分中是正确的。随后曲线平滑下降。这是由于下面所阐述的扩展帧间间隔(EIFS)问题。
当注意到在增加CP长度时，饱和负载场景中每周期所正确接收到的数据的曲线会下降的时候，此问题被引入。这一特性不是直观的，它是由802. IIMAC的特定的实施方面所引起的。为此目的，需要对EIFS进行更深入的阐述。 在接收到帧、针对该帧物理PHY层表明存在错误后，当节点确定媒体是空闲的时候，它在传输之前使用EIFS，而不考虑虚拟载波侦听机制。针对所考虑场景的EIFS的持续时间被定义成94ii s。直到网络接入向量(NAV)和EIFS中更迟的到期，节点才能开始传输。定义EIFS是用来提供足够的时间以使得另一站点在它开始进行传输之前确认对于此STA什么是未被正确接收的帧。在EIFS期间无错帧的接收将节点重新同步到媒体实际的忙/空闲状态。 图4代表在所实施的场景中会发生的情形。两对站点(A-B和C-D)试图在CP中通过RTS/CTS交换(实线箭头所示)来预留媒体。它们表示网络中多个节点中的冲突。以节点E为例，它没有接收到A和C所发送的RTS包；此外，它接收到来自PHY层的冲突通知，因为来自B和D的CTS同时到达E。现在E与节点F建立通信，但在此之前，它需要等待回退(backoff)加EIFS(而不是回退加DIFS)的时间。此传输在节点B和D会与从A到B以及从C到D的传输相冲突。即使正确建立了从A到B以及从C到D的传输，它们仍会失败。
问题在于，E(以及其它节点)对于网络中所发生的情况没有正确的认识，因为它会被CTS接收所抑制；相反地，它开始尝试进行传输。图5中还示出了所发送的不同的报文。 EIFS问题仅在CP长度大时才出现，这是合乎逻辑的，因为使用EIFS时间值而不是DIF S ，如果小的话，节点将难以适合CP 。 通过仿真证明了在之前的场景中所正确接收到的数据的曲线中存在的恶化情况与EIFS问题之间的关系。就以上所示例的饱和的场景而言，在图6中用两个曲线来代表虚线代表每周期所发送的数据与所正确接收到的数据之间的平均差值，以及，实线代表用EIFS开始的每周期所发送的数据的平均量，即网络中的屏蔽节点的数量。从4RTS/CTS时间的CP长度开始取横坐标值，因为对于较低的植，EIFS问题不会使得性能恶化。
从该图可以看出两个曲线之间的直接的关系，因为当用EIFS开始的传输的数量增加时，差值增长。当CP长度较大时，曲线之间的差值较高。两个曲线之间的成比例性解释了图3中所正确接收到的数据的曲线的奇特特性。EIFS问题在流量小的网络中不存在，因为冲突发生得较不频繁。 现在参照图4和图7对本发明的第一实施例进行描述。在此实施例中，按照图4
6中所示来放置节点A至F。报文序列如图7所示。 此处，节点A/B和节点C/D首先通过交换RTS/CTS控制报文预留了数据传送期。节点E接收到节点B和D所发出的冲突的CTS报文，并且，它不知道节点A/B与节点C/D之间所预留的数据传送。当节点E向节点F发出RTS报文表明它的传输意图时，节点B禾P /或节点D意识到来自节点E的任何潜在的传输都将会破坏它们所进行的任何接收。所以，节点B和D位于良好的位置上，以使得节点E不能进行任何有害的传输。为了这样做，节点B和D会发出表示警告的免费(gratuitous)报文，被称作无效发送(ITS)。节点B和D在控制期中、仅仅当接收到来自节点E的RTS报文之后发出这种报文，因此，ITS报文与所预期从节点F到节点E的CTS相一致。如果节点F发出CTS报文，节点E将无法接收到它，因为节点B和/或节点D所发送的免费报文与之冲突。如果节点F由于一些原因没有用CTS报文进行响应，节点E将会从节点B或D接收到免费报文。由于免费报文发送到节点E是无效的，这无法建立它的传输。来自节点A和C的传输现在可以成功地被接收。因此，该思想是通过使相关的节点能够发送免费报文从而禁止屏蔽节点的所有有害传输来减小屏蔽节点的影响。 可以参照图8的流程图来描述以上方法。在该流程图中，从节点B的角度来描述该方法。首先，在步骤801中，节点B从节点A接收RTS报文。作为响应，节点B在步骤803中向节点A发送CTS报文以表明它准备好从节点A接收数据。因为在网络中同时还有另一节点(在此情形中是节点D)发送了CTS报文，并且，它们在节点E冲突，此节点不知道节点B和D所发送的CTS报文。因此，E发送RTS报文，该报文在步骤805中被节点B接收到。接下来，节点B在步骤807向节点E发送ITS报文以阻止节点E发送数据。现在，在步骤809中，节点B可以开始从节点B接收数据而不被节点E妨碍。 在第一实施例中，屏蔽节点是发送方，然而在第二实施例中，示例了屏蔽节点是接收方的情形。报文序列如图9所示。 节点A至F的位置仍与图4中的相同。然而，此处，节点B和D首先分别建立了它们到节点A和C的传输。节点B和D所发出的RTS报文在节点E冲突。所以，节点E不知道它处于两个发送方的范围内。然后，节点F试图建立到节点E的传输。节点E向节点F发出响应CTS报文。此CTS报文被节点B和D侦听到，因为它们处于节点E的传输范围中。现在，节点B和D意识到，如果允许节点F向节点E发起数据传输，这会阻碍它们自己的数据传输。因此，节点B和/或D在控制期中向节点E发出无效接收(ITR)报文。在发出CTS报文之后，节点E准备探听它周围的节点。如果出现ITR报文或者仅仅是冲突，则它假定在它的周围存在发送方，以及，它应当无法进行接收。节点E在控制期中立刻向节点F发出否定(negative) CTS，该否定CTS取消之前所建立的传输。然而，该否定CTS在节点F会遭受潜在的冲突。所以，它不会总能可靠地取消传输。 还可以参照图10的流程图来描述本发明的第二实施例。在图10中，从节点B的角度来描述该方法。在步骤1001中，节点B向节点A发送RTS报文。作为响应，节点A用CTS报文进行响应，以及，该报文在步骤1003中被节点B接收到。由于在网络中还存在另一个节点(在此情形中是节点D)发送了RTS报文，节点F没有意识到网络资源被预留，因此，节点F向节点E发送RTS报文。节点E随后通过发送CTS报文(其在步骤1005中被节点B接收到)来响应此报文。接下来，在步骤1007中，节点B向节点E发送ITR报文以阻止节
7点E接收数据报文并最终阻止节点F发送数据报文。ITR报文因此可以包括给节点E的信 息，以进一步向节点F发送否定CTS来阻止节点F发送数据报文。此情形是，节点E在步骤 1009中向节点F发送否定CTS。因而，节点B可以在步骤1011中向节点A发送数据包而不 被来自节点F的传输所妨碍。 本发明的教导可以被广泛应用于许多针对多跳网络的协议方案，其中，在时域 或频域中对控制与数据之间进行分隔。所以，它适用于WLAN以及无线个域网(WPAN)，如 ZigBee。 本发明同样地涉及一种计算机程序产品，当其在通信网络的节点的计算机装置上 被加载以及运行时，能够实施本发明实施例的方法步骤中的任意步骤。该计算机程序可以 被存储/分布于与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的一部分来提供的适当的介质上， 但也可以按照其它的形式来分布，如通过因特网、或者其它的有线通信系统或无线通信系 统。 本发明同样地涉及一种集成电路，其被配置成执行按照本发明实施例的方法步骤 中的任意步骤。 虽然在附图以及以上的描述中对本发明进行了详细地图示和描述，这些图示和描 述将被视为说明性或示范性的而并非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
根据对附图、公开内容以及所附权利要求的研究，本领域技术人员在实施所要求 保护的发明时，可以理解以及实现对所公开的实施例的其它变形。在权利要求中，词语"包 括"不排除其它元件或步骤，以及，不定冠词"一"或"一个"不排除多个。单个处理器或其 它单元可以实现权利要求中所记载的多项功能。不同的特征被记载在相互不同的从属权利 要求中，这一事实不表明这些特征的组合不能被有益地使用。权利要求中的任何附图标记 都不应被解释成对本发明范围的限制。
8
权利要求
一种在至少包括第一节点(A)、第二节点(B)和第三节点(E)的通信网络中减少屏蔽节点的出现的方法，所述节点在同一频段中工作，其中，第一节点(A)和第二节点(B)处于彼此的无线电通信范围内，所述方法包括由第二节点(B)执行的如下步骤-与第一节点(A)交换(801，803，1001，1003)控制信息以便在它们之间建立第一数据通信链路；-检测(805，1005)第三节点(E)建立另一数据通信链路的意图，所述另一数据通信链路会干扰第一数据通信链路；以及-阻止(807，1007)第三节点(E)建立所述另一数据通信链路。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，交换包括与第一节点(A)交换(801,803， 1001，1003)请求发送报文和清除发送报文。
3. 如在前权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，第三节点(E)被第一节点(A)与第二节点(B)之间交换的控制信息所屏蔽。
4. 如在前权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，在时域或频域中在控制信息与数据之间进行分隔，以及其中，在控制期中，阻止第三节点(E)建立数据通信链路。
5. 如在前权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，阻止包括第二节点(B)向第三节点(E)发送(807)数据包以便阻止第三节点(E)发送数据包。
6. 如权利要求l-4中任一项权利要求所述的方法，其中，阻止包括第二节点(B)向第三节点(E)发送(1007)数据包以便阻止第三节点(E)接收数据包。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述网络进一步包括第四节点(F)，以及其中，数据包包括向第四节点(F)发送报文以阻止第四节点(F)向第三节点(E)发送(1009)数据报文的指示。
8. —种计算机程序产品，包括指令，当所述指令在第二节点(B)的计算机装置上被加载以及运行时，实施如权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法的步骤。
9. 一种用于无线通信网络的节点(B)，所述无线通信网络进一步包括第二节点(A)和第三节点(E)，所述节点被配置成在同一频段中工作，以及其中，所述节点(B)和第二节点(A)处于彼此的无线电通信范围内，所述节点(B)包括-用于与第二节点(A)交换控制信息以便在它们之间建立第一数据通信链路的装置；-用于检测第三节点(E)建立另一数据通信链路的意图的装置，所述另一数据通信链路会干扰第一数据通信链路；以及-用于阻止第三节点(E)建立所述另一数据通信链路的装置。
10. 如权利要求9所述的节点(B)，其中，用于阻止第三节点(E)建立数据链路通信链路的装置包括用于向第三节点(E)发送数据包以便阻止第三节点(E)发送数据包的装置。
11. 如权利要求9所述的节点(B)，其中，用于阻止第三节点(E)建立数据链路通信链路的装置包括用于向第三节点(E)发送数据包以便阻止第三节点(E)接收数据包的装置。
全文摘要
本发明涉及一种在通信网络中减少屏蔽节点的出现的方法，该通信网络至少包括工作在同一频段中的三个通信节点，其中，第一节点和第二节点处于彼此的无线电通信范围内，第三节点处于第二节点的无线电通信范围内，但处于第一节点的范围外。首先，在第一节点与第二节点之间交换控制信息以便在它们之间建立数据通信链路。随后，第二节点检测第三节点建立数据通信链路的意图，并阻止第三节点建立数据通信链路。
文档编号H04W52/46GK101796871SQ200880104941
公开日2010年8月4日 申请日期2008年8月21日 优先权日2007年8月31日
发明者L·扎帕特拉, X·王 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司