CN100539547C - 使用atim帧的结束与动态确定的atim周期在ieee 802.11 ibss中进行功率管理 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于在独立基本服务集(IBSS)无线局域网(WLAN)中进行功率管理的设备和方法，其把Ad-hoc通信量指示消息(ATIM)及其关联的控制逻辑替换为包括可变长度数据告警帧传输周期或数据告警窗口的协议，该数据告警窗口容纳在IBSS中的通信量，以及其后跟随有数据帧传输周期、告警帧的专用结束、用于所述告警帧的结束的专用LIFS与新的控制逻辑。所述告警帧的结束在与数据告警帧争用介质时具有低优先级，也就是说，所述数据告警帧具有较高优先级的等值，由此最大化在任何数据告警窗口期间发送的数据告警的数量。所述功率管理方法实现了用于发送数据告警帧与数据帧所使用的时间的最优分配，由此最小化了所述IBSS的所有无线站的功率消耗。

Description

使用ATIM帧的结束与动态确定的ATIM周期在IEEE 802.11 IBSS中进行功率管理

本发明涉及在如无线局域网(WLAN)的包括多个无线站(STA)的网络中的功率管理。更特别地，本发明涉及在电气与电子工程师协会(IEEE 802.11)独立基本服务集(IBSS)中的功率管理。最特别地，本发明涉及通过引入End_of_ATIM帧与用动态确定的ATIM周期替换ATIM窗口来提高所述IEEE 802.11 IBSS功率管理方案的效率。

无线局域网(WLAN)正在变得越来越普及和变为WLAN市场中的主导技术。这种普及性的增长起因于对便携式无线设备和服务于这些设备的通信网络的需求的迅速增长。

所述WLAN支持两种类型的网络：基础结构BSS和独立BSS(IBSS)。基本服务集(BSS)是WLAN的基本构建块。每个BSS包含至少两个站(STA)。

在基础结构BSS中，STA经由中央接入点(AP)进行通信，所述中央接入点从信源STA接收通信量，并将所述通信量中继到目的地STA。在独立BSS或IBSS(也称作Ad-hoc网络)中，每个STA 100与其它STA直接通信(110)，而不用AP的支持，见图1。也就是说，如果在彼此的无线电范围之内，每个STA 100可以与另一个STA在Ad-hoc网络中进行通信。在IBSS中的STA 100之间的所有通信是对等(peer-to-peer)的。

在WLAN中的功率节省一般是通过使STA只要在适当时就进入低功率消耗模式(睡眠模式)来实现的。仅仅以例图而不是限制的方式，图2示出了用于所述目的的具有功率管理电路230的无线STA 100的控制结构280。尽管在睡眠模式中节省功率，但是在睡眠模式中的STA与所述网络其余部分完全隔离，即它们既不发射又不接收任何分组。当STA有分组要发射以及目的地STA是在睡眠模式中时这出现了问题，就是：“如何唤醒目的地STA以使其可以接收所述分组？”

为了解决这个问题，IBSS WLAN使用Data_Alert消息和Data_Window来执行对于IBSS的功率管理。图3示出了IEEE 802.11IBSS WLAN的操作，其中Ad-hoc传输/通信量指示消息350或ATIM是这种Data_Alert消息。以预定的间隔(称为目标信标传输时间(TBTT)330)，IBSS中的所有STA苏醒并且进行竞争以把它们的信标310发送出去，因为在IBSS WLAN中的信标生成是分布式的。在IBSS中，每个STA具有准备以TBTT 330发射的信标310，其与所述IBSS中的所有其它STA竞争来使用随机延迟接入所述介质。赢得竞争的那些STA有效地取消所有其它未决的信标传输。因此，除信标故障的情况外，每信标间隔300发射一个信标。

预定长度的窗口被作为Data_Alert/ATIM窗口340而预留，其恰好发生在所述信标310被发射之后，其中仅可以发射Data_Alert/ATIM帧350和它们的确认360。Data_Alert/ATIM帧350是通信量宣告，其由信源STA使用来通知目的地STA：存在要向其发射的数据帧。在所述Data_Alert/ATIM窗口340期满之前无法发射的Data_Alert/ATIM帧350在跟随下一个TBTT 330的下一个Data_Alert/ATIM窗口340期间被发射。

在Data_Alert/ATIM窗口340结束之后，如果STA没有成功发送或接收任何Data_Alert/ATIM帧350，则所述STA假定在当前信标间隔340期间没有针对其的通信量，由此，其可以进入睡眠模式(低功率模式)，直到下一个TBTT 330。否则，STA开始对数据帧365的发射和对它们的确认370的接收，或者在整个所述信标间隔300期间停留在接收模式中以接收先前宣告的数据帧385和发送确认390。应注意，仅仅在Data_Alert/ATIM窗口340期间宣告的数据可以在所述Data_Alert/ATIM窗口340结束之后、在剩余的信标间隔300中发射。当前的功率管理方法需要所述Data_Alert/ATIM窗口340大小在IBSS的整个使用寿命期间是固定大小。

如图4所示，STA的控制部件240(例如图2的控制处理器240)是用于在IBSS WLAN中的介质接入的后退(backoff)程序的示例实现方式。想要发射帧的STA首先在分布式协调功能(DCF)帧间间距(DIFS)时间周期400内感测介质。如果所述介质在所述DIFS周期期间仍保持空闲，则所述STA然后在[0，CW]范围内选择一个后退间隔，其中CW表示争用窗口大小410。对于其间所述介质保持空闲的每个时隙，所述STA把所述后退间隔减少1(420)。当所述后退间隔达到0时，所述STA开始发射。

在该现有技术方法中，选择所述Data_Alert窗口的长度是有问题的。如果窗口太小，在所述Data_Alert窗口期间不能发送所有的Data_Alert帧。结果，本来可能在当前信标间隔中发射的一些数据帧必须等到下一个信标间隔，并且可能浪费一些带宽。另一方面，随着所述Data_Alert窗口的长度增加，在当前信标间隔中为数据传输所留下的时间相应地减少。如果所述Data_Alert窗口太大(足够大以致超过用于发射所有的Data_Alert宣告的需要)，则由于可能无法使用当前信标间隔的所有剩余带宽来发射缓冲的数据帧，所以也可能浪费带宽。

基于上述讨论，最佳的Data_Alert窗口大小取决于在IBSS中的STA数量和通信量负荷。也就是说，所述STA的数量越大(网络负荷越重)，所述Data_Alert窗口必须越大，以容纳Data_Alert帧的最大数量，反之亦然。这表明固定大小Data_Alert窗口不能在所有情况下都较好地执行，也就是说，其是次最佳的方案。当前，IEEE802.11 IBSSWLAN不提供解决这类次最优问题的机制。

因此，需要有一种最佳的方式以使得在其中可以发送Data_Alert帧的时间周期足够长，以便可以在剩余信标间隔中发送最大数量的等待数据帧。已经提出了一些提议，以便按照所观测到的网络条件来自适应地改变所述Data_Alert窗口大小。虽然可论证这样做可以改善性能，但是其仍然是次最佳的，因为这种适配是基于例如在上个信标间隔期间的网络条件的历史数据，并且不响应于在当前信标间隔中出现的实际网络条件。

没有已知的对于IBSS WLAN的最佳Data_Alert窗口大小适配，因此需要这种适配或其等效方案。现在参照图5，本发明是针对用动态确定的Data_Alert周期540替换现有技术的固定大小Data_Alert窗口340，所述Data_Alert周期540恰好跟随在TBTT之后，在所述TBTT期间IBSS WLAN的各STA有较高的概率来发送其所有的Data_Alert帧。因此，对于Data_Alert窗口的大小确定不是必需的。概念上，还存在称作Data_Alert周期的Data_Alert窗口，其起始于TBTT以及结束于第一个发射的End_of_Alert。因此，其中的区别不是消除Data_Alert窗口(至少在概念上)，而是所述Data_Alert窗口的结束。本发明替换了在TBTT之后的固定时间的结束。现在所述结束是由第一个发射的End_of_Alert确定的。所述Data_Alert周期540是足够长的，以便各STA有较高的概率来发送所有相应于等待发射的消息(即由所述IBSS的STA在存储器220中缓冲的消息)的Data_Alert帧，以及与由于现有技术的固定窗口大小而频繁发生的浪费的带宽相对比，浪费的带宽是最少的。并且，借助本发明的设备和方法，通过对带宽的最大使用节约了功率。

因此，为Data_Alert帧350和其确认360的传输提供可变长度的Data_Alert周期540的设备和方法，是对发射用于缓冲的消息的Data_Alert帧350这一问题的最佳或接近最佳的解决方案。其在节约带宽的同时最小化了消耗的功率，并且保留了现有技术Data_Alert宣告(例如ATIM 350)的好处；其消除了固定的Data_Alert窗口34；并且，其通过提供将在每个STA发送其所有Data_Alert帧350之后由所述STA发送的End_of_Alert帧、为高概率地传输所有Data_Alert帧350提供了足够的时间。

在一个优选实施例中，对于End_of_Alert帧选择比DIFS长的帧间间距(也就是长帧间间距或LIFS)，以给其较低的接入所述介质的优先级，以便有较高的概率在能够发射任何End_of_Alert帧以前发送所有Data_Alert帧350。不同于使用更长的帧间间距，所述方法不包括在对End_of_Alert帧的后退程序中的任何其它改变。所述方法是最佳的或接近最佳的，因为可以选择这种LIFS，以便有较高的概率在任何数据帧之前发送对应于缓冲数据帧的所有Data_Alert帧350。

本发明的上述及其它特征和优点将从以下在附图中所示的优选实施例的详细说明变得明显。

图1是说明本发明的各实施例所应用的无线通信系统的体系结构的简化方框图。

图2说明了按照本发明一个实施例的在特定IBSS内的每个STA的简化方框图。

图3说明了在IEEE 802.11 IBSS中的功率管理操作。

图4说明了在IEEE 802.11 IBSS中的基本介质接入方法。

图5说明了按照本发明一个实施例的、在IBSS WLAN中由STA使用可变Data_Alert周期所进行的功率管理操作。

图6说明了按照本发明使用LIFS的实施例的、由STA进行的管理功率过程的流程图。

在下面的描述中，将以举例但不是限制性的方式阐述诸如特定体系结构、技术等等的具体细节，以便提供对本发明的彻底了解。然而，对于所属领域的技术人员来说，显然本发明可以在脱离这里阐述的细节的其它实施例中实践。

图1说明了将要应用本发明各实施例的典型网络。如图1所示，多个STA 100彼此经由多个无线信道110通过无线链接进行通信，使得所有通信量都是对等的。本发明的一个关键原理是提供一种优化由每个无线STA 100使用的功率的机制，使得在每个信标间隔300内，在所述STA 100之间发射最大数量的数据帧365，而同时STA 100仅在其有帧要发射/接收时才保持苏醒，以及进入睡眠或低功率模式以节约功率。应当注意到，如果在信标间隔300中的剩余时间550较少，由于在下一个TBTT 330苏醒消耗的功率可能超过通过进入睡眠模式很短时间所节省的功率，STA 100可以不进入睡眠模式。而且，为了说明的目的，应当注意到在图1中示出的IBSS网络是较小的。实际上，大多数网络包括非常大数量的移动站。

参照图1与2，在图1的WLAN内的IBSS的每个STA 100可以包括具有在图2的方框图中说明的体系结构的系统。每个STA 100可以包括接收器200、解调器210、存储器220、功率管理电路230、控制处理器240、定时器250、调制器260与发射器270。图2的示范系统280仅仅用于说明的目的。尽管所述说明可以涉及用于描述特定的移动站的公用术语，但是所述描述与构思同样适用于其它处理系统，包括具有与图2所示不同的体系结构的系统。

在操作中，接收器200与发射器270耦合到天线(未示出)，以分别经由解调器210与调制器260转换所接收的信号与想要发射的数据。功率管理电路230在处理器240的控制下操作，以便通过确定对于给定信标间隔300的剩余时间是否大于一个预定的阈值来确定所述STA应该在给定信标间隔300的全部剩余部分内保持苏醒还是应该进入睡眠(低功率模式)。所计算的在信标间隔300中的剩余时间是通过从下一个TBTT的时间减去当前时间确定的，后者的值被存储在存储器230中。定时器250用来以预定TBTT 330唤醒睡眠的STA，以及用来调度控制处理器240以发送信标，因为全部STA以TBTT来竞争以便发送它们的信标。

所述IEEE 802.11标准是在国际标准ISO/IEC 8802-111、1999版本的“Information Technology—Telecommunication and InformationExchange Area Networks(信息技术——电信与信息交换区域网)”中定义的，在此引用其全文以作参考。依据这个标准，所述IEEE 802.11IBSS ATIM窗口340的目的是让IBSS的每个STA 100知道，在特定点(ATIM窗口的固定长度)之后将没有ATIM宣告，以便没有接收到ATIM宣告的STA可以在所述ATIM窗口340结束之后立即返回到睡眠(低功率消耗模式)。

现在参照图3，通常，所述IEEE 802.11 IBSS WLAN的ATIM是已知和固定长度的Data_Alert窗口340，以便在所述Data_Alert/ATIM窗口340期间，每个STA100可以通过给所述IBSS的另一个STA 100发送Data_Alert/ATIM帧350来向该另一个STA100告警：所述STA100具有针对该另一个STA的数据。

在一个优选实施例中，本发明用可变Data_Alert周期540替换了ATIM窗口340，并用使用新的End_of_Alert帧的新Data_Alert协议替换了ATIM协议，以实现与使用相同Data_Alert/ATIM帧350的ATIM窗口340相同的目标。在应用于IBSS WLAN体系结构的新Data_AIert协议中，实施者可以通过改变由End_of_Alert帧使用的帧间间距，来改变在发射任何相应的数据帧365以前、在Data_Alert周期540期间发射所有Data_Alert帧350的概率(高达100％)。

在一个优选实施例中，本发明实现了ATIM窗口340的目标，而不用固定的ATIM窗口340。此外，本发明通过选择IBSS范围的、在发射任何数据帧465以前发射所有Data_Alert帧350的概率，改善了IEEE 802.11 IBSS WLAN。可以选择所述概率，以便保证发送所有的所述数据帧。

本发明因此是对所述问题的最佳或接近最佳的解决方案，所述问题是在发送任何相应的数据帧365之前、使用所有可用带宽去发送用于等待(也就是缓冲在存储器220中)数据帧365的Data_Alert帧350。

在一个优选实施例中，对于所述End_of_Alert帧选择比DIFS长的帧间间距，也就是长帧间间距或LIFS。如果所述LIFS足够长，那么保证了在由STA发送任何End_of_Alert帧之前，所有Data_Alert帧350都由IBSS的所有STA 100发送。如果选择了较短的LIFS(但是仍比DIFS大)，不保证在发送任何End_of_Alert帧之前发送所有Data_Alert帧350。这还对于Data_Alert帧350给出了比End_of_Alert帧更高(但不是绝对的)的优先权。对较短的LIFS的使用有效地选择了在发送任何End_of_Alert帧之前发送所有Data_Alert帧100的概率。由于在LIFS期间所述介质是空闲的(因此浪费时间)，较短的LIFS是优选的。另一方面，LIFS越长，可以在发送End_of_Alert之前发送的Data_Alert的数量越大。

在所述实施例中，所述End_of_Alert是在与Data_Alert帧争用所述介质的过程中使用比DIFS长的帧间间距LIFS的专用帧。所述End_of_Alert帧使用如图4说明的相同的DCF介质接入程序，除了其使用LIFS代替DIFS之外。

在图6的流程图中说明了本发明的Data_Alert周期的操作，以及可以由应用于IBSS WLAN的每个STA的系统体系结构280的所述操作的实施例来执行所述操作。

在图6中说明的优选实施例包括以下步骤：

STA在目标信标时间苏醒(图6的步骤600-610)

在步骤600，所有睡眠的STA 100在所述信标间隔300开始时苏醒。在IBSS中，每个STA具有准备在TBTT 330发射的信标，并且与IBSS中的所有其它STA 100进行竞争以使用随机延迟来接入所述介质。那些赢得竞争的STA 100有效地取消全部其它未决的信标传输。因此，除信标故障的情形外，在步骤610，在所述TBTT 330之后，每个信标间隔300发射/接收一个信标。

信源STA发送尽可能多的用于等待分组的Data_Alert消息到相应 的目的地STA(图6的步骤620-650)

在一个优选实施例中，每个信源STA保存等待被发射到目的地STA的分组(例如在存储器220中缓冲的分组或数据帧)的列表，以及试图发送Data_Alert帧350到适当的目的地STA 100。在步骤620，信源STA 100确定其是否已经接收或发送了任何数据帧365或End_of_Alert帧，以及如果没有的话，其在步骤630确定是否存在要发送给目的地STA的任何Data_Alert。

如果所述STA已经缓冲了分组，则所述STA在步骤640发送用于其中一个缓冲分组的Data_Alert到适当的目的地STA，以及重复步骤620。

如果所述STA在其存储器220中没有缓冲分组，则所述STA在步骤650试图使用所述LIFS来广播End_of_Alert帧，然后重复步骤620。

重复步骤620-650的所述过程，直到所述STA已经成功地发送/接收了End_of_Alert帧、或者接收了指示所述IBSS WLAN的至少一个STA(包括该STA)已经结束了发送其所有未决的Data_Alert的数据帧。

在本发明中，所述IBSS的所有STA 100在Data_Alert周期540期间仍保持苏醒，也就是直到IBSS WLAN的至少一个STA已经发送了其所有的Data_Alert帧350，从而如果任何信源STA具有针对目的地STA的消息，则大多数目的地STA依据LIFS的大小来接收Data_Alert帧350。

当STA在步骤620成功发送End_of_Alert帧时，所述IBSS中的其它STA 100仍然可以具有未完成的Data_Alert帧350待发送。在一个优选实施例中，在End_of_Alert后退程序中的LIFS大小确定是否发送所有或几乎所有的IBSS的Data_Alert。

STA确定其是否已经接收或发送了任何Data Alert帧(图6的步 骤660)

在一个优选实施例中，在步骤660，所述STA 100检查其是否应当仍保持苏醒来接收或发送一个或更多的数据帧365。如果所述STA在步骤640发送Data_Alert帧350，所述STA必须仍保持苏醒，以发送相应的数据帧365。如果所述STA从信源STA(图6中未示出)接收到Data_Alert帧350，所述STA也必须仍保持苏醒，直到接收到相应的数据帧365。

如果所述STA尚未发送或接收到任何Data_Alert帧350，那么没有数据帧365可以在所述信标间隔300期间被发送到所述STA，所述STA100也不能发送任何数据帧365到目的地STA，因为从最近的TBTT 330以来没有对其进行宣告。因此所述STA可以在步骤690进入睡眠(低功率模式)。

STA发送/接收从最近的TBTT以来由Data Alert帧宣告的任何数 据帧(图6的步骤670、680与695)

在一个优选实施例中，所述STA在步骤670首先检查其是否具有要发送给目的地STA的任何数据帧，如果有的话，其在步骤680发送相应于从最近的TBTT 330以来由所述STA发送到目的地STA的Data_Alert帧350的任何数据帧365。然后，在步骤690，所述STA 100接收相应于从最近的TBTT 330以来由所述STA接收的每个Data_Alert帧350的所有数据帧365。然后，由于所述STA再没有数据帧365要发送并且不期待再接收数据帧365，所述STA在步骤690进入睡眠。

如从上述内容所明显看出的那样，通过消除固定的Data_Alert窗口340，本发明的优点在于，被分配来发送Data_Alert帧350的时间量在每个信标间隔期间由每个STA动态地调节，以实现对于如何最小化所使用的功率同时最大化在信标间隔300期间发送的数据帧365的数量这一问题的接近最佳或最佳的解决方案。

在一个优选实施例中，STA的现有控制部件230被优选地用附加电路/控制逻辑修改，以得到本发明的设备和方法，这例如是通过添加用于完成图6的各步骤的专用集成电路(ASIC)。

在针对IEEE 802.11 IBSS WLAN的一个优选实施例中，本发明的设备和方法替换了ATIM窗口，使得有效地用一个时间周期替换了所述固定的窗口，所述时间周期被动态地调节，以通过在与专用的End_of_ATIM帧的任何争用中给ATIM优先级、以及通过对于End_of_ATIM帧使用如上所述的LIFS来允许由所述IBSS的各STA发送最大数量的ATIM。

虽然已经连同当前被认为是在IBSS WLAN中管理功率的最佳方式(通过由所述IBSS的所有STA发送最大数量的Data_Alert帧，跟着通过连同用于与Data_Alert帧争用介质的专用帧间间距发送End_of_Alert帧)描述了本发明，但是应当理解，本发明不局限于所公开的实施例，相反地意在覆盖包括在所附权利要求书精神与范围内的各种修改和等效安排。

Claims (10)

1.一种用于在具有多个无线站STA(100)的网络中进行功率管理的方法，所述方法包括以下步骤：

所述多个STA(100)中的源STA(100)发送相应于数据帧(365)的Data_Alert帧(350)，所述数据帧(365)由该源STA(100)缓冲以便被发送给所述多个STA(100)中的目的地STA(100)；

当所述源STA(100)再没有Data_Alert帧(350)要发送时，发射专用的End_of_Alert帧；以及

如果成功地发射了所述专用的End_of_Alert帧，或者检测到由所述多个STA(100)中的另一个STA(100)发射的End_of_Alert或数据帧(365)，则执行以下步骤：

(a)发送所要发送的任何数据帧(365)，

(b)接收所要接收的任何数据帧(375)，以及

(c)如果没有数据帧将要被发送(365)或接收(375)，就进入低功率模式。

2.权利要求1的方法，其中所述网络是IEEE 802.11独立基本服务集IBSSWLAN。

3.权利要求1的方法，其中所述发射步骤还包括以下步骤：在后退过程中使用专用的长帧间间距LIFS，以解决与其它帧对于介质的争用，所述其它帧使用分布式协调功能DCF帧间间距DIFS，其中LIFS>DIFS。

4.权利要求1或3的方法，还包括以下步骤：

一旦所述源STA(100)是在所述低功率模式中，就在预定的周期性的目标信标传输时间TBTT(330)从所述低功率模式苏醒；

在所述预定周期TBTT(300)与所述多个STA(100)中的其它STA(100)进行竞争以发送信标(310)，

其中，所述多个STA(100)中的仅仅一个STA(100)发送所述信标(310)，以及一旦已经发送了所述信标(310)，所述仅仅一个STA执行权利要求1的各步骤。

5.权利要求4的方法，其中所述网络是IEEE 802.11独立基本服务集IBSS无线局域网WLAN。

6.一种用于在IEEE 802.11独立基本服务集IBSS无线局域网WLAN中节约功率的方法，所述无线局域网具有包含后面跟随着数据帧传输窗口(345)的Ad-hoc通信量指示消息ATIM窗口(340)的信标间隔(300)，该方法包括借助于权利要求1或5的方法来替换所述信标间隔的步骤。

7.一种用于在具有多个无线站STA(100)的网络中进行功率管理的设备，包括：

用于发送相应于数据帧(365)的Data_Alert帧(350)的装置，所述数据帧(365)由所述多个STA(100)中的源STA(100)缓冲以便被发送给所述多个STA(100)中的目的地STA(100)；

用于当所述源STA(100)再没有Data_Alert帧(350)要发送时发射专用的End_of_Alert帧的装置；以及

用于如果成功地发射了所述专用的End_of_Alert帧或者检测到由所述多个STA(100)中的另一个STA(100)发射的End_of_Alert或数据帧(365)，则执行以下步骤的装置：

(a)发送所要发送的任何数据帧(365)，

(b)接收所要接收的任何数据帧(375)，以及

(c)如果没有数据帧将要被发送(365)或接收(375)，就进入低功率模式。

8.权利要求7的设备，其中所述网络是IEEE 802.11独立基本服务集IBSS无线局域网WLAN，所述无线局域网具有包含后面跟随着数据帧传输窗口(345)的Ad-hoc通信量指示消息ATIM窗口(340)的信标间隔(300)，其中所述信标间隔(300)被替换了。

9.权利要求7的设备，还包括一个后退装置，用于使用长帧间间距LIFS来解决在所述专用End_of_Alert帧和由另一个STA(100)使用DCF帧间间距DIFS发送的帧之间对于介质的争用，以使LIFS>DIFS。

10.权利要求7-9中任何一个的设备，其中：

一旦所述源STA(100)是在所述低功率模式中，则在预定目标信标传输时间(330)下周期性地苏醒；以及

所述多个STA(100)进行竞争以发送信标(310)。

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