专利名称：通信设备启动帧交换的方法
技术领域：
本发明一般涉及通信领域，更具体涉及在接入点和多个便携设备之间发送业务的方法。
背景技术：
通常，无线局域网(WLAN)设备必须支持两种信道接入方法，即，基于竞争的接入和轮询驱动接入。基于竞争的接入允许任何无线终端或接入点捕捉信道并在根据载波感测过程监控信道后发送数据帧。另一方面，当使用轮询驱动接入过程时，所有帧交换都是由接入点启动的，或者通过轮询信号，或者通过简单地将数据从接入点发送到多个站点之一。基于竞争的或者轮询驱动的接入技术可用于在接入点和多个无线终端之间传输语音业务，两种技术的扩展都可用于提供共享单一WLAN信道的语音和数据业务类之间的服务区分。但是，两种过程定义的帧交换序列在用于提供接入点和多个站点之间的语音业务时都是低效的。此外，无论哪种技术都不能提供足够的支持用于收发语音业务的无线终端中的节电操作。
ANSI/IEEE标准802.11，1999版(后文称为“802.11标准”)定义了两种不同的接入信道的方法。802.11标准的第9.3节定义了基于轮询的无竞争接入方法。802.11标准的第9.2节定义了基于载波感测竞争的接入方法。在此描述两种类型的接入方法。
使用无竞争接入方法的WLAN帧交换序列如图1所示。在此方法下，通信设备，诸如移动终端(MT)，在每个信标传输之前唤醒，并等待接入点(AP)的轮询。信标传输和在特定MT接收到轮询消息之间的时间可以取决于网络的负载水平及AP的调度算法。与轮询消息一起，AP还发送下行链路语音分组。然后，MT向下行链路语音分组响应以肯定应答(ACK)，以及向AP发送上行链路语音分组。在成功接收到ACK和上行链路语音分组后，AP通过发送肯定应答消息到MT来对成功接收做出肯定应答。在成功的帧交换序列之后，MT可以停止监控信道，并关闭其无线收发机。其应该再次唤醒来接收下一个信标传输。因为图1中所描述的帧交换序列必须由AP启动，MT必须全时等待启动警报。这使得MT电池上的电力耗尽，平均算来，其正比于特定AP的轮询列表上MT的数目。
使用基于竞争的接入方法的WLAN帧交换序列如图2所示。在此方法下，MT在从更高层协议接收到语音分组时，开始根据802.11标准的第9.2.1节定义的载波感测过程和802.11标准的第9.2.4节定义的随机补偿时间过程来竞争信道。在赢得竞争步骤和获取信道之后，MT发送上行链路语音分组到AP。在一个短的时间窗(由短的帧间间隔SIFS表示)过去之后，AP通过发送ACK到MT来对接收到上行链路语音分组进行肯定应答。独立地，在下行链路方向，AP也在从其网络接口接收到语音分组时开始竞争信道。类似地，AP赢得竞争后就发送下行链路语音分组到MT。帧交换序列在MT响应于肯定应答消息时终止。在完成上行链路或下行链路语音帧交换之后，发送站(例如AP或MT)在发送另一语音帧之前调用802.11标准的第9.2.4节定义的随机补偿过程。因为下行链路业务流域上行链路业务流互相独立，下行链路传输的定时仅取决于AP和固定网络。因为MT不能控制该定时，它必须全时保持警醒，以等待下行链路传输，由此造成了MT电池的耗尽，其会导致下行链路和上行链路业务传输之间的额外竞争。
因此，需要一种改进的帧交换序列来解决现有技术的缺陷。
图1是使用无竞争接入方法的现有技术WLAN帧交换序列的示意图。
图2是使用基于竞争的接入方法的现有技术WLAN帧交换序列的示意图。
图3是能够用于实现本发明的通信设备启动帧交换的方法的系统的框图。
图4是根据本发明第一实施例的通信设备启动帧交换的方法的示意图。
图5是根据本发明的方法实施例、显示服务间隔和轮询窗之间关系的示意图。
图6是从通信设备角度看去的图4的通信设备启动帧交换的方法的流程图。
图7是从接入点角度看去的图4的通信设备启动帧交换的方法的流程图。
图8是根据本发明第二实施例的通信设备启动帧交换的方法的示意图。
图9是从通信设备角度看去的图8的通信设备启动帧交换的方法的流程图。
图10是从接入点角度看去的图8的通信设备启动帧交换的方法的流程图。
具体实施例方式
本发明第一实施例的第一方面提供了一种在每个服务间隔中通信设备启动帧交换的方法，包括在每个服务间隔发送轮询消息到接入点至少一次，轮询消息请求下行链路业务帧；和确定是否从接入点接收到有效下行链路帧。本发明第一实施例的另一方面提供了一种通信设备启动帧交换的方法，包括从通信设备接收轮询消息，轮询消息请求传输下行链路业务帧；和通过发送下行链路业务帧到通信设备来响应轮询消息。本发明的第二实施例提供了一种通信设备启动帧交换的方法，包括启动通信设备收发机；开始传输上行链路业务帧到接入点；确定是否接收到有效响应帧；和当接收到有效响应帧时，停用收发机。
本发明是一种改进的技术，用于接入WLAN信道，并为支持语音和数据服务的系统中的语音提供服务质量(QoS)。在此技术下，MT竞争媒介(信道)。一旦赢得竞争并获得媒介的接入，MT发送语音分组到AP并轮询AP等待业务。低功率实现是切实可行的，因为MT能够休眠、唤醒来竞争媒介、发送语音分组到AP、从AP请求语音分组、发送肯定应答、以及返回休眠。尽管参考MT描述了第一和第二实施例，本发明可用于任何能够与AP通信的通信设备。
当前一代的WLAN设计和优化用于最佳的数据服务。近来，出现了一种提供有效传输模式用于WLAN上的同步业务的需要。同步业务指的是面向连接的服务，其要求信道带宽的周期可利用性，从而获得所需的QoS，诸如电话语音和视频会议。尽管本发明的所述实施例聚焦于分组化语音从MT到AP以及从AP到MT的周期性传递，其能够适用于基于竞争的接入网络上的任何类型的双向业务。
图3是用于实现本发明的通信设备启动帧交换的方法的系统的框图。为了支持WLAN上的电话语音，AP 304必须能够同多个MT 302、303交换语音帧，如图3所示。MT 302、303产生并发往AP 304的语音帧这里被称为上行链路业务。另外，从网络306(例如，基于来自公共交换电话网(PSTN)308)到达并发往MT 302、303的语音帧在此被称为下行链路业务。在本发明下，MT 302、303自身与邻近的AP 304相关联，并且与AP 304交换语音帧。
在本发明中，语音分组之间的到达时间间隔与服务间隔有关。具体地说，服务间隔被定义为语音帧(包括上行链路或下行链路业务)之间的平均到达时间间隔。通常，网络306中的无线站302、303或语音网关就在期望分组到达时间之前，每服务间隔产生一个语音帧。语音帧N+1的期望分组到达时间是语音帧N的期望分组到达时间加上服务间隔的长度。尽管由于不同处理负载或网络延迟，分组的实际到达时间可能不同，服务间隔将保持恒定，并且基于在无线呼叫各个端使用的语音编码器的帧间隔。但是，期望到达时间通常对于多个MT中的每一个来说是唯一的。
现在参看图4，显示了根据本发明第一实施例的帧交换序列。一旦从更高层语音应用接收到分组化语音业务，MT 302、303唤醒其收发机并且开始竞争信道接入。在赢得竞争步骤并获取信道之后，MT302、303发送上行链路语音分组到AP 304。在相同的步骤中，MT 302、303还发送轮询消息到AP 304，请求AP 304发送下行链路语音分组。AP 304对上行链路语音分组响应以肯定应答，并发送下行链路语音分组到请求的MT 302、303。一旦成功接收到下行链路语音分组，MT302、303可以通过向AP 304发送肯定应答消息来对接收到分组进行肯定应答。最后，MT 302、303可以关闭其无线收发机模块并开始休眠，直到下一个语音分组可用或者直到到达轮询AP 304以进行下行链路业务的时候。
本发明包括轮询AP 304的方法，即使在语音分组不是由更高层语音应用在期望分组到达时间产生的时候。例如，网络306中的MT302、303和语音网关都可以在语音呼叫期间利用静默抑制来降低上行链路和下行链路业务量。当使用静默抑制时，MT 302、303，例如，停止在每个谈话脉冲(talk spurt)的末尾处产生分组，而开始在新谈话脉冲的开始处再次开始产生分组。在静默周期期间，当MT 302、303不产生语音分组时，上行链路业务模式改变，因为在期望分组间隔时间没有语音分组来触发上行链路传输。在此情况，本发明在MT 302、303中利用轮询窗来检测服务间隔的传递，此后，MT 302、303唤醒其收发机并开始竞争信道接入，从而只发送轮询消息到AP 304来恢复下行链路业务。
此外，本发明使用轮询窗来确定MT 302、303何时可以竞争WLAN信道。轮询窗是期望分组到达时间附近的短间隔，具有开始时间TPwstart和结束时间TPwend，如图5所示。如果语音分组是由语音应用在TPwstart之前产生的，具有分组所携带数据的轮询消息就在TPwstart发送。另一方面，在轮询窗内接收到的任何语音分组都同轮询立即发送。最后，如果在给定服务间隔内没有语音帧到达，在轮询窗的末尾处TPwend，只发送轮询消息到AP 304来恢复下行链路业务。
现在将使用IEEE 802.11 WLAN的例子来更详细地描述本发明的第一和第二实施例。建立电话语音呼叫的整个步骤可以分为四个阶段。第一阶段发生于MT 302、303首先开机并搜索AP 304，从而与之关联。第二阶段表示了存在呼入呼叫且AP 304需要定位MT 302、303来建立语音会话情况下的事件。如果语音呼叫是MT 302、303发起的，则该第二阶段是可选的。第三阶段是进行语音分组传输的情况。最后，第四阶段将呼叫断开。本发明聚焦于第二和第三阶段。
对于网络启动的语音呼叫，AP 304需要定位及传递其需要以建立与MT 302、303的语音连接。这个通信是在周期性信标中进行的，该信标以预定间隔出现。因为MT 302、303需要周期性唤醒以接听信标消息，AP 304可以指示MT 302、303存在呼入语音呼叫。在本发明下，为了建立语音呼叫，希望确保上行链路和下行链路业务流的语音帧都是彼此同步的，也即，网络306和MT 302、303都在大致相同的时刻创建语音分组，且具有共同的服务间隔。
图6显示了从MT角度看去的图4的帧交换序列的流程图。该流程图只是说明性的，并不意味着限定。一旦从语音应用接收到语音分组(步骤604)，MT 302、303启动其收发机(步骤602)并开始竞争信道接入。对于基于竞争的媒介接入控制(MAC)协议，收发机启动和赢得竞争之间的时间通常取决于无线网络305(图3)的负载水平。一旦感测到信道并赢得竞争(即，确认发送时机)，MT 302、303通过发送最近到达的上行链路分组而获取信道，并且在相同步骤中，轮询AP 304以进行下行链路业务(步骤612)。这个确认发送时机的步骤只要在MT 302、303需要发送数据或轮询到AP 304就会重复。因为上行链路和下行链路分组都应该在相同时刻可用，AP 304应该在MT302、303启动其收发机后接收该轮询消息T1秒，这里T1包括缓慢启动(ramp up)收发机、竞争信道、发送分组、传播分组、和处理接收的时间。因而，网络306也具有T1秒来提供下行链路分组给AP 304，使其准备在AP 304接收到轮询消息时发送。上行链路和下行链路分组创建时间也可以进行调整，从而反映出有线网络306(图3)和无线网络305之间的相对网络拥塞水平。
在步骤614，MT 302、303确定其是否从AP 304接收到有效帧。如果没有接收到有效帧，MT 302、303进一步检查没有到达重发的最大次数以及没有到达该分组的最大使用期限(步骤626)。如果这两个测试都通过了，MT 302、303重发先前与轮询消息一起发送过的数据(步骤612)。另一方面，如果测试都不通过的话，就丢弃分组(步骤628)，MT 302、303停用其收发机(步骤620)。回到步骤614，当接收到有效帧时，MT 302、303确定帧是否包括下行链路业务(步骤616)。当帧包括下行链路业务时，MT 302、303发送对接收到帧的肯定应答(步骤618)并停用其收发机(步骤620)。当帧不包括下行链路业务时，MT 302、303只是停用其收发机(步骤620)，方法结束。
回到步骤604，当MT 302、303没有数据发送时，其确定是否是发送轮询消息到AP 304以进行下行链路业务的时候了(步骤606)。如果答案是“是”，因为已到达轮询窗的末尾，MT 302、303启动其收发机(步骤622)并发送轮询消息(步骤608)。然后，MT 302、303等待从AP 304接收响应。如后面参考图7详细说明的，当AP 304具有准备好发送的下行链路分组时，AP 304通过发送分组来对来自MT302、303的轮询消息进行响应。此外，它还通过发送肯定应答消息到请求的MT 302、303来响应上行链路业务分组。在步骤610，MT 302、303确定是否从AP 304接收到了有效帧。如果没有接收到有效帧，MT302、303进行冲突避免和补偿过程，如本领域技术人员所公知的，并且准备重发轮询。重发决定取决于两个因素，是否达到了重发的最大次数和是否达到了该轮询的最大使用期限(步骤624)。如果两个测试都通过了，MT 302、303的返回到步骤608重发轮询。另一方面，如果两个测试都没有通过，就中止轮询尝试，MT 302、303停用其收发机(步骤620)。返回步骤610，当接收到有效帧时，MT 302、303确定帧是否包括下行链路业务(步骤630)。当帧不包括下行链路业务时，MT 302、303停用其收发机(步骤620)，方法结束。当帧包括下行链路业务时，MT 302、303发送对接收到帧的肯定应答(步骤631)。接下来，在步骤520，MT 302、303停用其收发机，休眠，直至到发送另一轮询消息的时候或者直到其接收到从更高层应用发送到AP 304的业务。通过控制与AP 304的帧交换的定时，MT 302、303能够在不活动期间休眠，由此增加了MT待机电池时间。
图7显示了从AP角度看去的图4的通信设备启动帧交换的方法的流程图。对于AP 304，方法开始于AP从MT 302、303接收到帧(步骤702)。接下来，AP 304确定帧是否有效(步骤703)。当帧无效时，方法结束。当帧有效时，AP 304确定是否有发往MT 302、303的下行链路业务(步骤706)。当AP 304没有要发送的下行链路业务时，它通过向MT 302、303发送肯定应答来对接收到上行链路帧进行肯定应答(步骤708)，然后方法结束。上行链路帧可以只是轮询帧(图6的步骤608发送)，或者是带有轮询帧的数据(图6的步骤612发送)。当AP 304有下行链路业务要发送时，它发送下行链路业务及对接收到上行链路帧的肯定应答到MT 302、303(步骤710)，然后等待来自MT 302、303的对接收到下行链路分组的肯定应答。在步骤712，AP 304确定其是否接收到肯定应答。如果AP 304没有接收到肯定应答(在过去适当时间量之后)，其缓冲数据以在其从MT 302、303接收到轮询消息的下一时间里重发(步骤714)，而且帧交换序列结束。帧交换序列在AP 304接收到肯定应答时也结束。
图8显示了本发明的方法的第二实施例。类似于第一实施例的帧交换序列，一旦从更高层协议接收到分组化业务，MT 302、303启动其收发机并开始竞争信道接入。一旦赢得竞争，MT 302、303通过发送上行链路语音分组到AP 304来获取信道(即，确认发送时机)。不发送装载着肯定应答的下行链路语音分组(如图4所示)，AP 304转而通过发送肯定应答消息来响应上行链路语音分组，这符合现有的802.11标准。一旦从AP 304接收到肯定应答消息，MT 302、303轮询AP 304以进行下行链路语音分组。最后，MT 302、303通过发送肯定应答消息到AP 304、对接收到有效下行链路语音分组进行肯定应答来终止帧交换序列。在完成帧交换序列之后，MT 302、303可关闭其无线收发机模块并开始休眠，直到下一分组可用于传输。与图4所示的帧交换序列相比较，第二实施例由于上行链路和下行链路分组的传输的顺序特性而损失一些效率。
图9中显示了从MT角度看去的图8的通信设备启动帧交换的方法的流程图。一旦从更高级应用接收到语音分组(步骤904)，MT 302、303启动其收发机(步骤902)，开始竞争信道接入。对于基于竞争的媒介接入控制(MAC)协议，收发机启动和赢得竞争之间的时间通常取决于无线网络305的负载水平。一旦赢得竞争，MT 302、303通过发送上行链路业务帧(步骤906)到AP 304来获取信道。如果MT 302、303没有接收到肯定应答(步骤908)，其准备重发数据帧。重发决定取决于两个因素，是否达到最大重发次数和是否达到轮询的最大使用期限(步骤926)。如果两个测试都通过，MT 302、303返回到步骤906来重发该帧。另一方面，如果两个测试都不通过，将丢弃数据帧(步骤928)，MT 302、303将停用其收发机(步骤918)。回到步骤908，当MT 302、303接收到肯定应答时，其轮询AP 304以进行下行链路业务(步骤912)并等待从AP 304接收响应。在步骤914，MT 302、303确定其是否从AP 304接收到有效帧。如果接收到了无效帧，它准备重新轮询AP 304。重新轮询的决定取决于两个因素，是否达到最大尝试次数和是否达到该轮询的最大使用期限(步骤924)。如果两个测试都通过，MT 302、303回到步骤9 12来重发该轮询。另一方面，如果两个测试都不通过，将中止轮询，MT 302、303将停用其收发机(步骤918)。在步骤914，当从AP 304接收到有效帧时，MT 302、303在步骤930进一步检查接收的帧里是否包含下行链路业务帧。如果帧包含下行链路业务，MT 302、303发送对接收到帧的肯定应答到AP 304(步骤916)。在步骤918，MT 302、303停用其收发机，休眠，直到其有业务或轮询要发送。如果帧没有包含下行链路业务，MT立即停用其收发机并休眠，直到其有业务或轮询要发送(步骤918)。
回到步骤804，当MT 302、303没有数据要发送时，其确定是否是发送周期性轮询消息到AP 304以进行下行链路业务的时候了(步骤910)。如果答案是“是”，因为到达了轮询窗的末尾，MT 302、303启动其收发机(步骤920)，方法如前述在步骤912一样进行。如果还没有达到发送轮询的时候，MT 302、303保持“休眠”模式，直到其有更多数据要发送或直到到达轮询AP 304以进行下行链路业务的时候。
图10显示了从AP角度看去的图8的通信设备启动帧交换的方法的流程图。对于AP 304，方法开始于AP 304从MT 302、303接收到帧(步骤1002)。接下来，AP 304确定帧是否有效(步骤1004)。当帧无效时，方法结束。当帧有效时，AP 304确定帧是否包括对下行链路业务的轮询(步骤1006)。当帧包括对下行链路业务的轮询时，AP 304确定其是否有业务要发送(步骤1008)。当没有下行链路业务要发送时，AP 304发送对接收到轮询帧的肯定应答到MT(步骤1014)，方法结束。当有下行链路业务要发送时，AP 304发送业务到MT 302、303(步骤1010)并且等待对接收到来自MT 302、303的下行链路业务的肯定应答。在步骤1012，AP 304确定其是否接受到肯定应答。如果AP 304接收到肯定应答，方法结束。如果AP 304没有接收到肯定应答(在经过适当时间量之后)，它缓冲数据，用于其从MT 302、303接收轮询消息的下一时间里重发(步骤1016)，帧交换序列结束。当在步骤1002接收的帧包括上行链路业务(在步骤1006的“否”路径)时，AP 304发送对接收到上行链路业务的肯定应答到MT(步骤1014)，方法结束。
本发明使通信设备能够启动与AP的帧交换序列，而不是像现有技术建议的那样等待来自AP的轮询或语音帧。因此，AP必须全时警醒以等待启动。这是可接受的，因为AP通常不依赖于电池电力。结果，通信设备不必非要保持唤醒，由此降低了其电力消耗。此外，本发明使得每个设备都能以规则的服务间隔唤醒，这完全独立于AP的信标间隔和其他设备的服务间隔。这允许站与不同类型同步业务的混合，从而占据信道而不会使信标定时变复杂，同时允许AP以比诸如语音的业务的服务间隔低得多的频率发送信标。进而，上行链路和下行链路分组传输的同步导致更高的效率和更低的竞争。
本发明易于进行各种修改和表现为另外的形式，这里只是用附图例举的方式详细描述和显示了特定的实施例。但是，应该理解，本发明不限于这里公开的特定形式。本发明涵盖所有落入权利要求书所限定的本发明范围内的修改、等价和替换。
权利要求
1.一种在每个服务间隔中，通信设备启动帧交换的方法，包括每服务间隔至少发送一次轮询消息到接入点，所述轮询消息请求下行链路业务帧；和确定是否从接入点接收到有效下行链路帧。
2.如权利要求1所述的方法，其中，当接收到有效下行链路帧时，方法包括发送肯定应答到接入点。
3.如权利要求2所述的方法，包括在发送轮询消息之前，启动通信设备的收发机；和在发送肯定应答之后，停用收发机。
4.如权利要求1所述的方法，其中，当没有接收到有效下行链路帧时，方法包括确定是否是发送另一轮询消息的时候了；和当还没到发送另一轮询消息的时候时，停用收发机。
5.如权利要求1所述的方法，其中，发送轮询消息到接入点的步骤包括发送轮询消息及上行链路业务。
6.如权利要求5所述的方法，其中，当没有接收到有效下行链路帧时，方法包括重新发送上行链路业务和轮询消息。
7.如权利要求5所述的方法，其中，当接收到有效下行链路帧时，方法包括确定该帧是否包含业务；当该帧包含业务时，发送对接收到业务的肯定应答到AP；和停用通信设备的收发机；和当该帧不包含业务时，停用通信设备的收发机。
8.一种通信设备启动帧交换的方法，包括启动通信设备的收发机；开始上行链路业务帧到接入点的传输；确定是否接收到有效响应帧；和当接收到有效响应帧时，停用收发机。
9.如权利要求8所述的方法，其中，当没有接收到有效响应帧时，方法包括重新发送上行链路业务帧到接入点。
10.一种通信设备启动帧交换的方法，包括从通信设备接收轮询消息，所述轮询消息请求下行链路业务帧的传输；和通过发送下行链路业务帧到通信设备来响应所述轮询消息。
11.如权利要求10所述的方法，其中，从通信设备接收轮询消息的步骤包括从通信设备接收轮询消息和上行链路业务。
12.如权利要求11所述的方法，还包括发送对接收到上行链路业务的肯定应答到通信设备。
13.如权利要求10所述的方法，还包括等待来自通信设备的对接收到下行链路业务帧的肯定应答；当没有接收到所述肯定应答时，缓冲下行链路业务帧，以重新发送给通信设备。
全文摘要
一种用于接入无线局域网(WLAN)信道并在支持语音和数据服务的系统中提供语音服务质量(QoS)的方法。在本方法下，通信设备(302、303)竞争媒介(信道)。一旦确认了发送时机，设备发送语音分组到接入点(AP)(304)并且轮询AP以进行下行链路业务。低功率实现是切实可行的，因为通信设备可以休眠、唤醒来竞争媒介、发送语音分组到AP、从AP请求语音分组、发送肯定应答、以及返回到休眠。
文档编号H04W74/06GK1709000SQ200380102024
公开日2005年12月14日 申请日期2003年10月22日 优先权日2002年10月25日
发明者纳塔武特·斯马瓦特库尔, 陈晔, 斯蒂芬·伊梅奥特 申请人:摩托罗拉公司(在特拉华州注册的公司)