用于MAC分布式保留协议中的动态信标周期的系统和方法

摘要

提供一个用于分散式媒体访问控制的系统(400)、装置(401)和方法，包括：在信标时隙(204)(302)(303)中定期发送所有活动装置的信标(600)，把这类信标时隙(204)(302)(303)组合在至少一个邻接动态信标周期(301)中，和取决于被占用信标时隙(204)(302)(303)的数量来延长或缩短这个至少一个邻接动态信标周期(301)。动态信标周期(301)适配于要加入和要离开网络(400)的装置(401)，并且还适用于信标帧(600)在媒体(410)上的冲突。

说明书

本发明涉及一个用于超宽带(UWB)媒体访问控制(MAC)的协议。更确切地说，本发明涉及UWB MAC协议中的一个动态信标周期。最特别地，本发明涉及在包括分布式保留协议(DRP)在内的UWB MAC协议中缩短和延长一个信标阶段。本发明还涉及任何使用包括分布式保留协议在内的MAC协议的无线系统。

无线网络使用信标来建立和保持通信。一个MAC协议通过在无线网络所有节点上分配功能而消除了对网络基础设施的需要。在这个MAC协议中不存在用于无线个人区域网(WPAN)的访问点或中央协调程序，参见2004年7月的MultiBand OFDM Alliance(MBOA)MAC WirelessMedium Access Control(MAC)Specification For High RateWireless Personal Area Networks(WPAN)(高速率无线个人区域网的规范)草案0.6，其内容在此通过参考被全面合并。而且，这个规范还包括一个分布式保留协议(DRP)，该协议用于经由信标传输来宣布装置传输时间的使用，通过从邻近装置接收信标来识别它们的传输时间的使用，并且在发射/接收数据之前考虑其它装置的传输时间的使用。本发明的发明人是用于这新标准的原始资料的作者之一并且已经把本发明贡献给原始资料的提议。与此同时，对本发明的几个具体的补充已经由MBOA做出了规定。

根据本发明以及相关联的MBOA标准，参考图1，为了保持通信装置之间的协调，所有的装置都被要求有规律地发射信标103。为了在一个区域内发射/接收信标103，装置保留一个被称为信标周期(BP)101的一个时间周期，信标周期(BP)101严格地用于信标发射和接收。共享这个信标周期101的装置群被称为信标群，参见图2。信标103提供网络基本计时并且发射与等时保留有关的信息。基本计时结构是一个超帧100100.1100.N。MBOA已经选择的该协议具体参数是一个长度为65,536[usec]的超帧100，它由256个媒体访问时隙(MAS)203组成，其中，每个MAS的长度都是256[usec]。MAS时隙203的编号从0到255。时隙的几个类型根据该装置或其附近的装置如何使用MAS203而被定义。

在能够建立通信之前，装置必须创建它自己的信标群或者加入一个现有的信标群201。对于每个BP101，连续的MAS203被用作信标时隙203，所有装置在这期间都发射它们的信标103。超帧100的开始时间由信标周期101的开始来确定并且被称为信标周期开始时间(BPST)，而且MAS时隙203相对于这个开始时间被编号。当一个装置初启一个新的信标群时，它在任何不与其它信标群的时隙保留相冲突的那个时隙定义该超帧的边界。

这使得分布式MAC协议非常适合于自组应用和对等网络。而且，由分布式MAC所基于的装置做出的媒体保留消除了该媒体上的感测和冲突时间。然而，一个所有信标都能够在那期间被发送的定长信标周期可能包括空的信标时隙或者没有包括足够的信标时隙，从而导致了共享媒体的利用效率降低。

需要动态信标周期来缓和由固定信标周期引起的媒体的低效使用，同时允许最大数量的装置参与到该网络中。

根据本发明，打算参加到与其它装置通信的那些装置在动态BP301期间发送一个信标。BP301的结构在图3中被示出。一个装置在BP301期间不发射信标帧103之外的帧并且在BP301期间扫描其它的信标帧。本发明的BP301的长度是动态的并且包括一个数量可变的信标时隙303。尽管BP的长度是动态的，然而该BP具有某个由大量MAS203或者信标时隙204给出的最大长度。每个MAS时隙203都包括一个预定数量的信标时隙204持续时间BeaconSlotLength802，参见图8。BP301可能在开始或结束302时包括某个数量的时隙，这些时隙为空或被保留用于特殊目的。

根据本发明，时间如图2中所示地被分成各个超帧100。在每个超帧100开始时存在一个动态BP301，它后面跟随由一个数据传输间隔/阶段102。此外如图2中所示，也可能一个超帧包括不同的信标群的几个BP。每个信标群都具有它自己的超帧边界。BP中的信标时隙204的数量可以取决于信标群中被占用的信标时隙的数量rsp.devices而增减。

BP101内的多个信标帧103中的每一个都跟随着一个短帧间距(SIFS)加上mBeaconGuardTime 803。一个信标帧的最大长度是mMaxBeaconLength 801。每个信标时隙303都具有BeaconSlotLength802的长度。

图1说明了先有技术的总体超帧布局；

图2说明了本发明的超帧结构；

图3说明了本发明的一个动态BP；

图4说明了根据本发明修改的装置的无线网络；

图5说明了根据本发明修改的一个装置；

图6说明了一个信标帧的格式；

图7A说明了一个动态信标周期占用信息单元格式；

图7B说明了一个信标时隙信息字段格式；

图8说明了动态BP中包括的一个信标帧；和，

图9说明了一个动态BP内的移动信标帧。

本领域普通技术人员应当理解，以下描述是为了说明而不是限制的目的而被提供。一个技术人员明白，在本发明的精神和附加的权利要求的范围内存在许多的变化。不必要的已知功能和操作的细节可以从当前说明被省略以免模糊本发明。

图4说明了一个将应用本发明的实施例的典型的无线个人区域网400。该网络包括多个无线个人通信装置401。在传统方法中，每个装置401都可以加入在它的无线电范围402内的任何自组(ad-hoc)网，并且因此可以参与多于一个的BP。

图4中所示的WPAN400内的每个无线装置401都可以包括一个系统，该系统包括一个在图5中被说明的体系结构。如同所示，每个无线装置401都可以包括一个耦合到接收机502的天线506，接收机502在无线媒体510上通信。而且，每个装置401都还包括一个处理器503和一个信标处理模块504。例如，在一个装置中，处理器503被配置用于从接收机502接收一个包括一个或多个具有对应信标位置的信标周期占用信息单元(BPOIE)602i的信标帧601，并且被配置成使用信标处理模块504来处理信标帧601以便确定，即，信标群的装置及其特征，并且将它们存储在作为存储器508一部分的装置性能表507中。另外，存储器还存储与每个动态信标周期中的信标时隙类型和数量有关的信息，并且记录每个动态信标周期的动态长度。在装置401中，处理器503还被配置成使用信标处理模块504来延长BP101并且根据需要来缩短BP101，从而形成一个动态BP301。

在装置401接通电源之后，它扫描信标103。如果装置401在扫描信标之后没有检测到任何信标103，则它在发射或接收MAC帧之前发送一个信标来创建BP301。这建立了BP和超帧的参考开始，它可以是在被发射信标之前的几个信标时隙。所得到的空时隙302可以被其它装置用于本发明范围之外的目的。装置401继续在每个连续的超帧100的BP中发送信标103，直到它如下所述检测到信标冲突为止。

一个信标帧包括与BP长度有关的信息。这长度信息可以指向最后被占用的信标时隙之后。所得的信标时隙303还可以被用于专门的目的。根据本发明，一个这样的目的可以是对BP的扩展以用于容纳附加的装置。

如果装置401检测到一个或多个信标103，则它不会创建新的BP301。替代地，该装置从所接收的信标103中来确定其当前的信标群。装置的当前信标群包括装置401在最后mLostBeacons超帧100期间从中接收至少一个信标帧103的装置。如果装置401接收了处于不同BP的信标，则它选择一个或几个周期并在与另一个装置通信之前就在其中发送它自己的信标。

BP301的开始与相关联的超帧100的开始一致并且可以从信标中包括的信标时隙号中被推导出来。BP301的结束也在一个由最后占用的信标时隙或MAS给出的信标中被宣布，最后还加上一定数量的专用时隙303。不同的装置可能宣布不同的BP长度，因为它们可能具有不同的邻居并且因此可能检测到不同数量的已占用信标时隙。这是BP长度被某个最大长度所限制的原因之一。

在加入网络的时候对于信标时隙的选择存在几个可选方案。只要已经选择了一个时隙，装置401就在每个连续的超帧100中的同一信标时隙中发送一个信标，直到它检测到信标冲突为止。如果检测到一个信标冲突，则使用也可用于加入网络的方法之一来选择一个新的时隙。

在一个优选实施例中，在BP301期间，所有处于活动状态或标准节电模式的装置都发射它们自己的信标103。信标103的帧体包括下列字段和信息单元(IE)，如图6中所示：

时隙数量601；

装置标识符602；

MAC地址603；和，

一定数量的信息单元(IE)604。

时隙号601是在其中发射信标的那个时隙并且表示了信标的顺序，参见图3中的信标时隙数量308。如果有8比特的时隙号字段大小就可以同时支持256个装置。

装置ID 602是一个相对较短的ID(例如，16比特)，它是例如从48比特(或64比特)的装置MAC地址中导出的(或随机选择)并且具有在编址该装置的时候节省开销的目的。

MAC地址603是装置的48比特(或64比特)的全MAC地址。

信息单元(IE)604可以具有不同的类型。信息单元的类型由信息单元标识符(ID)701来识别。参见图7A和7B，在本发明中只较详细描述了一个信标周期占用信息单元(BPOIE)700。在不影响本发明核心的前提下，可以有BPOIE的几个替换格式。在图7A中所示的第一个替换中，BPOIE 700包括同一信标群中的其它装置接收的信标帧103的信标时隙信息字段740的列表。BPOIE 700的每个列表单元740都包括同一BP中的那些装置所使用的信标时隙数量(位置)742和在那个信标时隙204中发送信标帧的装置的短装置ID 741。这些信息可以被用来检测信标冲突。BPOIE 700在每个信标帧103中都是需要的，因为其它装置必须被通知是否它们自己的信标帧已经被成功地接收或是否发生了信标冲突。后者可能是由于两个装置已经随机地选择了BP 301中的同一信标位置或者起因于网状网络情景中隐藏的终端问题。在后一种情景中，如果这两个其它的装置彼此听不见并且没有觉察到另一个装置的信标位置，则一个装置可能接收两个来自于BP 301中同一位置的不同装置的信标帧103。BP长度703是在信标时隙303中测量到的BP的长度。

在图7B中所示的第二替换方案中，BPOIE 750包括一个位图754，其中，每一信标时隙的一个或几个比特指示例如相应的时隙是否被占用。该位图后面有一个占用位图中的时隙的装置的DEVID列表755。类似于第一实施例，这些信息可以被用来检测信标冲突。BP长度753又是在信标时隙303中测量到的BP的长度。

在本发明中，装置创建一个动态长度的BP，它可能被动态地延长或缩短。每个装置都保持它自己的BP长度。其它装置注意到一个装置已经使该BP延长或缩短了信标的一个新的BP长度值。为了避免信标和数据冲突，一个装置选择足够长的BP长度来至少覆盖该装置在之前的超帧中观察到的最后占用的信标时隙。BP扩展可能是该装置在BP中先前最后被占用的信标时隙之后的信标时隙中发送信标的结果。BP的扩展不能超过一个预定的最大长度，它提供了每个BP的装置的最大数量的上限。例如如果装置已经停止发射信标或移动它们在BP内的信标位置而产生空洞(例如空的信标时隙)，则可以执行BP的收缩。本发明的目的是使BP大小与被占用的信标时隙的数量-即BP中的活动装置的数量适配。

存在多个替换方案，它们定义了在加入一个现有BP的时候装置怎样选择信标时隙。它们都具有共同点，即装置从不选择已经被另一个装置占用的信标时隙。一个要加入的装置通过扫描信标时隙以及对其它信标的BPOIE进行解码并且找到关于信标时隙的占用信息来检测一个信标时隙的被占用。

在一个优选实施例中，加入的装置通过例如选择第一空闲时隙或者通过随机地选择空闲时隙窗口中的一个时隙而选择最后被占用的信标时隙之后的信标时隙。

在一个替换方案中，一个加入装置选择任何一个空闲时隙，它可能是BP当中的空闲时隙。

在另一个替换方案中，一个加入装置只被允许例如在BP开始时选择一个在一定数量的专用时隙当中的时隙。

这些替换方案的组合是可能的，例如，一个加入装置选择最后被占用时隙之后的一个时隙并且另外在专用时隙中发射一个用于预定数量的超帧的信标以便指出一个新的装置已经加入该网络。或者，一个装置首先在专用时隙中为预定数量的超帧发射一个信标，然后在BP结束或中间将其信标重新安置到它的永久时隙。

每个装置都保存一个位图505，以便把信标时隙204的占用以及相关联的DEVID存储在它的信标群中。信标时隙204在下列时候在位图505中被标记为忙碌：

a)信标帧103在该信标时隙204期间被接收；或者

b)信标时隙204被包括在信标时隙信息字段740中，rsp.，它被标记为被在从同一信标群中的装置接收的BPOIE700的信标时隙位图753中所占用。

信标时隙303在下列时候在位图505中从忙碌变化到空闲：

a)信标103在mMaxLostBeacons连续超帧期间在时隙中没有被接收；以及

b)该信标时隙的时隙信息没有被包括在内，rsp.信标时隙位图中的相应比特没有在BPOIE700中被置位，BPOIE700是在mMaxLostBeacons连续超帧期间从同一信标群中的任何装置接收的。

当一个不同的DEVID被包括在它已经接收的信标的BPOIE中它自己的信标时隙中时，则一个装置检测到它的信标已经与另一个信标冲突。

在已经检测到信标冲突之后，一个装置(确定性地或以某个概率)切换它的信标时隙。由于这个缘故，信标冲突很类似于加入装置的情况，因为相同的替换方案是可供利用的或者一个新的信标时隙的选择：

·该装置选择一个最后被占用的信标时隙之后的信标时隙，即，选择第一空闲时隙或在空闲时隙窗口中随机选择一个时隙；

·该装置选择任何空闲时隙，它例如可能是另一个装置已经释放的BP当中的一个空闲时隙；

·装置选择一定数量专用时隙当中的一个时隙，即在BP的开始；以及，

·装置根据先前规则的组合来选择一个信标时隙，即选择最后占用时隙之后的一个时隙并且另外在专用时隙中为一定数量的超帧发射一个信标，或者首先在专用时隙中发射一个信标以用于一定数量的超帧，然后在BP结束或中间移动到它的永久时隙。

一个装置可以在重新安置它的时隙之前宣布它的信标的重定位。

为了避免已经作废的信标时隙204再也不被占用并且BP101的大小不断地增加，动态信标周期的永久并且自动的收缩是必需的。在BP中设置信标(beaconing)的装置必须离开它们当前的信标时隙并且移动到一个不同的时隙来实现BP长度的减小。如图9A中所示，一个装置把它的信标重新安置到沿着BP开始方向的下一个空闲信标时隙。对于收缩操作专用时隙不可以认为是空闲的。装置还被允许跳过不希望或不能移动到空闲时隙的装置的信标。在一个确定性数量的步骤内，BP将被紧缩。

在另一个方面中，一个装置把它的信标重定位到装置沿着BP开始的方向已经检测到的任何空闲时隙中。

在另一个方面中，只有一个装置被允许在一个步骤中被移动，它例如可能是在BP中发射最后信标的那个装置。通过扫描它的邻居的所有信标并且通过评估邻居信标中的BPOIE信息，一个装置能够检查它是否在BP中发射了最后的信标。然后，这个单独的装置移动到一个特殊的时隙，如图9B中所示的例如是BP中的第一空闲时隙(它不是一个专用时隙)。在几次这样的重新安置之后，BP被紧缩。

所有的替换方案都可以与一个切换装置组合，这个切换装置在在新的时隙中发射信标之前或与之同时地在一个专用时隙中发射信标。替换地，一个切换装置发射两个信标：在旧的和新的信标位置并行地各发射一个以用于预定数量的超帧。

在所有的替换方案中，一个装置可以在执行切换之前或与之同时地宣布重新安置它的信标。

虽然本发明的优选实施例已经被说明并且描述，但是所属领域技术人员应当理解：此处所述的管理框架、装置结构和方法是说明性的，而且在不脱离本发明的真实范围的前提下可以做出不同的代替物和变更并且其元件可以被等效物替代。另外，在不脱离本发明的中心范围的前提下，可以做出许多更改以便把本发明的教导适配于一种特殊的情况。因此，本意是，本发明不受限于被考虑用来执行本发明的最佳模式而公开的特殊实施例，而是本发明包括了属于附属的权利要求范围内的所有实施例。