对短距离无线网络的改进的制作方法

专利名称：对短距离无线网络的改进的制作方法
对短距离无线网络的改进本发明涉及无线个人局域网，且具体地但是并非排他地涉及无线传感器网络和身体局域网，这些身体局域网包括设置于人体或者动物体上或者周围的无线通信传感器。所谓的身体局域网或者BAN是用来相对近距离地传送信息的无线个人局域网 (WPAN)的例子。不同于无线局域网(WLAN)，经由WPAN实现的连接涉及很少或者无基础设施。这一特征允许针对广范围的设备实施小型的、功率高效且低成本解决方案。具体感兴趣的是如下医疗BAN(MBAN)的可能性，其中传感器用来监视患者的状态。主要将传感器用于向数据宿(data sink)(也可以是网络协调器)给送感测的数据的BAN是无线传感器网络(WSN)的例子；然而，除此之外或者取而代之，还可以在用作MBAN的WSN中包括更多有源设备、比如致动器。短距离无线网络的另一令人感兴趣的用途是工业监视。这样的无线网络可以被设计成包括传感器和其它设备。例如，一种部署将包括如下传感器，这些传感器被布置成在涡轮叶片或者其它工业部件上的各种不同位置测量参数、比如温度用于监控。同样可以在这样的无线网络中包括更多有源设备并且几乎不或无需基础设施。标准IEEE 802. 15. 4为低数据速率WPAN限定物理层(PHY)和介质访问控制(MAC) 子层规范，尽管IEEE 802. 15.4网络的覆盖可以延伸超出如下个人操作空间(POS)，该POS 通常限定WPAN并且因此也适合于规模更大一些的工业部署。出于本申请考虑，在术语WSN、 WPAN和BAN内包括这样的规模略微更大的网络。IEEE 802. 15. 4具有与用于特别微微网 (ad-hoc piconet)的标准IEEE 802. 15. 3的一些相似性。在个人或者物体周围的这样的微微网通常在所有方向上覆盖至少10米并且包围无论静止还是运动中的个人或者物体。它们包括较高数据速率的 WPAN。文献 IEEE Std 802. 15. 4-2006 和 IEEE Std 802. 15. 3-2003 通过引用整体结合于此。在IEEE 802. 15. 4中设想的类型的WPAN适合于比如工业监视这样的应用，但是并没有提供MBAN所需要种类的数据可靠性。在医疗应用中需要在增加可靠性和工艺自动化并且减少人为误差之时减少与人力关联的成本。传感器可以提供所需智能，并且已经广泛运用于医疗设备中。这包括医院恢复护理、家庭护理、密集护理单元和高级外科手术。用于医疗应用的不同类型的传感器有很多，这些传感器包括用于脉冲、温度等的外部传感器、与身体流体接触的传感器、在导管 (经过切口)中使用的传感器、用于外部应用的传感器、具有无线传感器的一次性皮肤贴片和可植入传感器。在医院或者医疗病房中的患者周围的传感器的WPAN可以提供多个临床益处，这些益处包括患者可移动性、监视灵活性、将监视延伸到当前未监视的护理区中、减少临床误差和减少总监视成本。身体佩戴的传感器可以包括单个患者身体上的各种传感器类型。它们需要有能力快速应用于患者的身体或者从患者的身体移开。在单个的基础上，这样的传感器可以具有每一患者低达l-21ApS的位速率，并且在合计基础上，它们可能需要lOlcbps位速率。低达1米的范围可能是足够的。然而，医疗 WSN应用是临床环境中的任务关键应用。在针对医疗WSN或者MBAN的要求之中有用于有界数据损耗和有界延时的稳健无线链路、用于患者和传感器密度的容量、与其它无线电共存、 用于多日连续操作的电池寿命和用于身体佩戴的设备的小型外形规格。可以通过利用比如时域和频域中的分集和误差控制技术这样的技术(包括前向纠错(FEC)和自适应重复请求 (ARQ)、用于传感器信息速率的低占空比TDMA和较高效小型天线)来满足这些要求。因此正在致力于限定以具体用于医疗应用的身体局域网的性质为目的的又一标准IEEE802. 15.6。关键要求之一是IEEE802. 15. 3、IEEE802. 15. 4、IEEE802. 15. 6 和与包括由电池供电的网络设备的无线网络有关的其它标准节约电池寿命。这对于危急情形(其中患者的生命依赖于无线链路在医疗应用中的易用性)或者对于监视任务关键工业环境(比如电站) 而言尤其重要。然而，这一要求必须与需要在正常条件之下并且也在危急情形中提供充分网络吞吐量相平衡。一些信道接入方案被设计用于高数据吞吐量，而其它接入方案更适合于低吞吐量、低功率的情况。

发明内容
能够从较低吞吐量方案向较高吞吐量方案切换对于网络设备而言将是有利的。根据一个方面，本发明的实施例提供一种包括网络设备和协调器的无线设备网络；协调器包括用于与网络中的其它设备无线通信的发送和接收装置；并且网络设备包括用于与网络中的其它设备无线通信的发送装置和接收装置；以及控制装置，可操作用于有选择地使设备根据较高吞吐量方案和较低吞吐量方案这两个不同信道接入方案通信；其中在网络中提供用于从较低吞吐量方案向较高吞吐量方案切换的触发，该触发考虑到网络设备的发送要求而被限定。本发明实施例的网络允许网络设备如传感器不仅根据两个不同信道接入方案之一通信，而且由于将网络设备的发送要求纳入考虑之中的触发而经历从较低吞吐量方案向较高吞吐量方案的切换。切换可以针对下行和/或上行发送。如后文更具体讨论的那样， 也可以提供回到较低吞吐量方案的对应切换。因此，本发明的实施例提供一种允许将设备的要求纳入考虑之中以切换信道接入方案的机制。这对于身体局域网(其中较高吞吐量可能在一些危急情形中为必需，但是其中需要保持正常电池消耗尽可能低)特别地有用。IEEE 802. 15.6的主要要求之一在于适合于医疗应用的高效信道接入和无线电资源管理这样的问题。已知的信道接入机制已经为商业标准如IEEE 802. 15. 3和IEEE 802. 15. 4所广泛利用，但是未给予对医疗设备和面临危急情况的其它设备的特别关注。尤其是医疗和工业危急这样的问题尚未在现有标准内加以反映。现在，本发明的实施例提供使用新颖触发在可以基于竞争的两个信道接入方案 (比如WiseMAC和CSMA (优选为异步CSMA))之间的切换。在将网络设备的发送要求增加纳入考虑之中时确定触发。可以基于如下因素限定这些发送要求，这些因素包括在设备缓冲器中等待发送的数据、设备的危急状态或者对设备的紧急状态的指示(例如格式为设备的改变后休眠模式或者改变后适当休眠模式)。另一触发可以是电池电平。如果设备的电池电平很低，则可能是它的发送要求在某些境况中上升，因为它将需要在电池变成完全耗尽时向协调器发送请求电池更换/再充电的警报信号。在这些情况之中，设备的危急状态和对改变后休眠模式或者改变后适当休眠模式的指示具体适用于网络设备为传感器的情况下。另一方面，如果触发将在设备缓冲器中等待的数据纳入考虑之中，则它更为通用得多。当然，如下文更具体说明的那样，可以在将这些因素中的任何或者所有因素的组合纳入考虑之中时确定各触发。一旦已经在将网络设备的发送要求纳入考虑之中时提供触发，则在网络中根据需要发送它。可能在数据帧内可以用任何适当方式发送触发。优选地，当无线网络使用发送帧时，使用的发送帧可以包括用于发送触发的字段。关于可以何处创建触发有若干可能性。 例如，触发可以由协调器创建并且发送到传感器或者其它网络设备。取而代之，可以在网络设备中创建并且向协调器发送触发。本领域技术人员将理解，根据网络结构可以经由网络节点间接发送。取而代之，触发可以由中心监视单元或者其它实体创建并且发送到协调器。 中心监视单元可以与协调器有线或者无线通信并且因此根据具体部署而为传感器网络的部分或者不是。中心监视单元(在医疗应用中也有时称为中心监视和医疗护理单元)可以是具有如下监视设备的站，该监视设备能够从多个站(例如用于多个患者)接收连续或者临时危急数据流。中心监视单元可以包括作用在于监视接收的数据的工作人员(比如护士或者医疗专家)。这些工作人员可以响应于例如个别患者或者个别零件中的条件改变而采取动作。在这些情况中的任何情况下，将需要向相关网络实体传达触发。另外，如果在相同网络中提供多个类型的触发，则可以在网络设备中创建一个这样的触发而在协调器中创建不同的这样的触发。优选地，网络设备发送装置和/或协调器发送装置可操作用于在发送帧中发送对触发的指示。对应地，将在发送路径的另一端针对触发直接或者间接提供接收装置。对触发的指示可以是在字段如帧控制字段或者帧命令字段中设置的值的形式。在一个优选实施例中，值可以是组合作用以指定触发的一位或者多位。有利地，在这样的字段中的不同值因此可以充当对触发的去激活或者“解除”(lifting)和/或不同值可以对应于不同触发水平。触发可以激活向高吞吐量接入方案的切换指令。然而，如下文将更具体说明的那样，在某些境况之下，切换指令将未必自动遵循一个触发因素。可以组合多个因素以形成组合式触发。例如，组合式触发可以基于紧急/危急位和电池电平或者更多位和电池电平的组合。也可以设想这里讨论的触发因素的任何其它组合或者其它适当触发类型。该组合给予可以更好地适应现实应用的更复杂触发。可以在相同/相反方向上向/从传感器发送两个或者更多因素(或者可以不发送它们中的一个或者多个因素)。正是它们的组合形成组合式触发并且激活切换。中断式触发可以激活切换回到较低吞吐量信道接入。然而，切换回到较低吞吐量方案在一些境况中也可能受组合式触发的一个因素的中断所影响。具体而言，网络设备的低量电池充电可以是组合式触发中的一个因素，从而如果电池电平适当并且有危急状态、 但是低电池电平可以激活切换回到较低吞吐量信道接入方案则才实现向触发吞吐量方案的切换。以与针对触发(和触发因素)相同的方式，网络设备发送方案和协调器发送装置可以可操作用于发送对切换指令的指示。切换指令可以是针对触发的发送帧的控制/命令字段。然而在一个优选实施例中，在确认帧中(来自已经接收触发的设备)发送该指示。确认可以是在接收如本身对于WiseMAC而言已知的各单个帧后直接发出的立即确认帧。取而
6代之，它可以是不同类型的确认、例如延迟确认帧(该延迟确认帧仅在数据传送完成之后发出并且作为净荷指示成功接收多少个帧)或者与在无净荷时的延迟确认类似的简单确认。优选地，该确认是立即确认帧。延迟确认允许不同网络功能。在一个实施例中，提供至少两个确认类型，并且网络信令可以指示使用哪个类型。前文已经涉及网络中的协调器和网络设备。然而，网络设备可以是多个网络设备之一。这些网络设备中的一个或者多个网络设备可以是无线传感器或者致动器。网络可以可操作用于针对至少一个网络设备并且优选地针对电池供电的各网络设备实施切换。在一些实施例中，一个或者多个其它设备可以窃听切换指令并且因此对切换指令有反应。例如， 可以从一个传感器发送触发从而激活向用于该传感器的较高吞吐量信道接入方案的切换。 邻近传感器可能窃听切换指令，然后也可以使用较高吞吐量信道接入方案。在多个网络设备存在于网络中并且多个网络设备已经向较高吞吐量信道接入方案切换的情形中，可能有较低优先级网络设备的增加吞吐量阻碍较高优先级网络设备的吞吐量这样的问题。可以根据设备类别设置优先级(例如关键医疗设备可以具有高优先级、 医疗设备可以具有中间优先级而非医疗设备可以具有低优先级)和/或可以根据各网络设备的发送要求来设置优先级。因此，例如，如果触发可以具有各种级别，则较高级触发可以具有较较低级触发而言的优先级并且较低级触发和较高级触发可以均有较触发已经被去激活/中断的网络设备而言的优先级。本领域技术人员将理解发送帧的相同控制/命令字段可以提供足以区分设备类别和/或不同触发级别的值。向各网络设备分配的优先级(无论是否在将设备类别或者发送要求或者二者纳入考虑之中)可以用来减轻窃听切换指令这样的问题。具体而言，各设备的优先级别可以用来确定对成功发送可能性有影响的发送参数。在一个例子中，更短的前同步码或者更短的退回(back off)例如用于CSMA中的较高优先级设备。可以注意一点已经向较高吞吐量信道接入模式切换的设备(因为已经具体触发它们或者因为它们已经窃听切换指令)的数目造成网络操作确定性这样的问题。因此优选地，网络可操作用于例如通过向第三不同信道接入方案切换或者通过使用较高吞吐量信道接入方案中的不同功能来向有保证的时隙(GTS)切换设备。优选地，然后向GTS仅切换已经被具体触发向较高吞吐量信道接入方案切换的网络设备。第三信道接入可以同步、比如利用信标的TDMA/GTS。向GTS切换的已触发网络设备可以在预定数目的时间段之后或者一旦触发的网络设备的数目降至阈值以下就切换回到基于竞争。如上文提到的那样，有用于创建和发送触发和切换的多个不同场景，各场景适合于不同境况并且各场景影响网络可以视为集中的程度。在一个实施例中，触发在协调器 (或者中心监视单元)中被创建并且由协调器发送装置发送；而切换在网络设备中被创建并且由网络设备发送装置发送。取而代之，在一个不同实施例中，触发在网络设备中被创建并且由网络设备发送装置发送；而切换在协调器(或者中心监视单元)中被创建并且由协调器发送装置发送。最后，触发和切换均可以在协调器或者中心监视单元中被创建并且由协调器发送装置发送。 优选地，在协调器中创建触发和/或切换，从而在协调器内保持一些切换控制。优选地，上行和下行发送在切换时从低吞吐量方案向高吞吐量方案切换。另外，在许多情况下，协调器将不能够针对不同网络设备同时支持两个不同模式(例如WiseMAC和CSMA)，因而整个网络将向用于下行和上行的新模式切换。根据本发明的更多方面，提供一种在无线设备网络中的网络设备，该网络包括网络设备和协调器，网络设备包括发送装置和接收装置，用于与网络中的其它设备无线通信；以及控制装置，可操作用于有选择地使设备根据较高吞吐量方案和较低吞吐量方案这两个不同信道接入方案通信；其中发送装置和/或接收装置可操作用于分别发送和/或接收用于从较低吞吐量方案向较高吞吐量方案切换的触发。在优选实施例中，在将网络设备的发送要求增加纳入考虑之中时(例如同前基于在设备缓冲器中等待的数据、设备的危急状态或者对设备的已改变休眠模式的指示)确定网络设备触发。在第一优选实施例中，网络设备发送装置可操作用于发送又一分组跟随用于发送的分组这样的指示。这一指示可以例如在使用预定义值的发送帧的控制字段或者命令字段中用作触发。在另一优选实施例中，网络设备是包括可操作用于检测参数值的感测装置的传感器；并且它的控制装置还可操作用于控制传感器的休眠模式。传感器发送装置可以可操作用于发送关于参数值的值信息，并且协调器发送装置可以可操作用于发送对考虑进值信息的适当传感器休眠模式的指示，或者传感器控制装置可操作用于确定适当休眠模式并且向协调器发送对适当休眠模式的指示。在任一情况下，对适当休眠模式的指示可以充当触发。 也就是说，对适当休眠模式的指示反映网络设备的发送要求。在又一优选实施例中，网络设备是布置成检测参数值的传感器，并且在网络中提供响应于该值来确定危急条件的确定装置。根据又一方面，本发明的实施例提供一种在无线设备网络中的协调器，该网络包括网络设备和协调器，其中协调器包括用于与其它设备无线通信的发送和接收装置；以及控制装置，可操作用于有选择地使协调器根据较高吞吐量方案和较低吞吐量方案这两个不同信道接入方案通信；其中发送装置和/或接收装置可操作用于分别发送和/或接收用于从较低吞吐量方案向较高吞吐量方案切换的触发。为了更好地理解本发明并且为了更清楚地示出可以如何实现它，现在将仅通过例子参照以下附图图 1 图示了 IEEE 802. 15. 4WPAN 中的协议层；图 2 图示了 IEEE 802. 15. 4WPAN 的可能 PHY 频带；图3图示了 WPAN的星型和对等拓扑；图4示出了信标使能的IEEE 802. 15. 4WPAN中的超帧的结构；图如示出了图示WiseMAC信道接入方案的块信号图；图5至8图示了在网络设备与IEEE 802. 15. 4WPAN中的协调器之间的可能数据传送模式；图9示出了用于IEEE 802. 15. 4WPAN中的数据帧的帧格式；

图10示出了图9的帧格式中的帧控制字段的结构；图11是图10的帧控制字段中的帧字节位的可能值表；图12是示出了根据本发明实施例的WSN中的无线传感器和协调器的示意图；图13示出了图示在WiseMAC与CSMA之间的切换的信号框图14A示出了图示在具有“更多位”触发的部分分布场景中的在WiseMAC与CSMA 之间的切换的信号框图；图14B是基于图14A中的信令的信号流图；图15A示出了图示在具有“危急位”触发的部分分布场景中的在WiseMAC与CSMA 之间的切换的信号框图；图15B是基于图15A中的信令的信号流图；图16A示出了图示在具有“紧急位”触发的部分分布场景中的在WiseMAC与CSMA 之间的切换的信号框图；图16B是基于图16A中的信令的信号流图；图17是示范可以在发送帧的控制字段中表示电池充电电平的电池位例子的表；图18是示范一种将预定义休眠模式与电池充电电平关联的方式的表；图19A示出具有“紧急位”和“电池位”的组合式触发的信号框图；图19B是基于图19A中的信令的信号流图；图20是示出了在紧急水平已经降低并且电池电平仍然充足时切换回到WiseMAC 的信号流图；图21A是图示了在具有危急位触发的部分集中场景中的在WiseMAC与CSMA之间的切换的信号框图；图21B是基于图21A中的信令的信号流图；图22A是图示了在具有紧急位触发的部分集中场景中的在WiseMAC与CSMA之间的切换的信号框图；图22B是基于图22k中的信令的信号流图；图23是示出了在WiseMAC与CSMA之间的切换的在完全集中场景中的信号流图；图24A是示出了在WiseMAC与CSMA之间的切换的在另一完全集中场景中的信号框图；图24B是基于图24A中的信令的信号流图；图25A是示出了在WiseMAC与CSMA之间的切换的在另一完全集中场景中的信号框图；图25B是基于图25A中的信令的信号流图；图沈是示出了危急水平相同的多个设备的信号流图；图27是示出了危急水平不同的多个设备的信号流图；图27示出了用于与本发明的实施例一起使用的帧控制字段的新颖结构；图四图示了图观的帧控制字段中的可能帧类型位；图30示出了用于与本发明的实施例一起使用的帧控制字段的另一新颖结构；图31图示了可能的对应帧类型位；图32图示了当前IEEE 802. 15. 4标准中的MAC帧的基本格式；并且图33图示了 IEEE 802. 15. 4标准的当前版本的命令帧标识符列表。在说明本发明的实施例之前，将首先给出对在无线网络中使用的信道接入协议 (也称为多接入协议)的一些背景说明，继而是对IEEE 802. 15. 4的如下部分的概述，这些部分有望针对当前开发的IEEE 802. 15. 6和/或包括MBAN的身体局域网而言具有相关性。
多接入指代无线网络中的多个网络设备有可能共享相同无线电信道。为了实现多接入，一般基于频分(其中通过使用不同频率来保持来自相应网络设备的发送分离)或者时分(其中通过在不同时间进行来分离发送)来组织无线网络。有可能同时运用频分和时分。针对本说明书的其余部分，将参照时分方案，尽管如本领域技术人员将认识到的那样， 在频分情况下也可以应用与上述技术类似的技术。基于时分的网络通常将时间划分成称为“帧”的相等时间间隔。已经设计各种如下协议，这些协议根据网络设备可用的信息量来提供或多或少的通信可靠性(意味着成功接收给定发送的可能性)。—种已知协议(基于分组的协议并且避免需要定时参考)称为避免冲突的载波感测多接入(CSMA-CA)。在CSMA-CA中，无论设备何时希望在CAP内发送，它都等待随机时段。 如果发现信道空闲，则在随机退回之后，设备发送它的数据。如果发现信道在随机退回之后忙碌，则设备在试着再次接入信道之前等待另一随机时段。称为时分多址(TDMA)的又一协议要求网络控制器或者协调器分配用于网络设备独占使用的时隙以免冲突可能性。然而，这不仅要求提供中心协调器并且要求所有网络设备监听信标和在开始发送之前向它们分配的时隙的通知。不同协议可以在相同网络中例如分别用于上行(即到中心点如协调器或者基站的数据发送)和下行(向网络设备如传感器的数据发送)。就这一点而言，用于WSN下行的一种提出协议称为无线传感器MAC(WiseMAC)。可以在下行和上行上均使用WiseMAC。这是如下信标更少方案，该方案涉及到每个网络设备以相同恒定周期短时间监听无线电信道。如果网络设备检测到活跃，则它连续监听直至接收数据帧或者直至信道再次变成空闲。同时，发送方在每个数据帧前面添加唤醒前同步码以保证接收方将在帧的数据部分到达时醒来。WiseMAC协议基于如下CSMA，该CSMA具有工作循环并且使用如在图如中说明的同步前同步码采样。它实质上是如下异步CSMA型方案，该方案具体提供学习邻近节点的时间表。假设WiseMAC将仅一个信道用于控制和数据。各节点周期性地(Tw)对信道进行采样以校验信道活动、即各网络设备(节点)在一段时间内周期性地唤醒。有数据要发送的发送方在数据之前发送前同步码以向接收方通知即将到达的数据。前同步码应当长到足以与接收方的采样时间一致。接收方按照它的规律采样时间/唤醒时间唤醒。如果信道无活动，则它回到休眠。否则，接收方保持醒来直至它接收数据。在接收数据之后，接收方发送如下确认ACK，该ACK包括在它的唤醒时间之前的剩余时间。因而，在接收到ASK后，发送方知道了接收方的下一次唤醒时间。然后，发送方回到休眠。在下一循环中，发送方可以使用短得多的前同步码，因为它了解接收方的唤醒时间表。各节点为前同步码短的数据分组随机生成WiseMAC中的介质保留前同步码以免节点发送冲突。图4A示出了第一更长唤醒前同步码、数据发送和确认，继而为下一接收方循环中的更短前同步码、数据传送和确认。WiseMAC是低功率接入方案，但是具有参照如在 IEEE802. 15. 4中使用的CSMA-CA而言吞吐量低的弊端。为了增加信道接入在某些境况中(比如在危急时或者可能在流中)的吞吐量和可用性，节点可以切换到IEEE802. 15. 4的CSMA模式。近来已经提出称为WiseMAC HA的一种 WiseMAC变体以增加信道接入(其中一些节点可以切换到IEEE802. 15. 4的CSMA模式)的吞吐量的可用性。然而尚无与用于这样的切换的任何可能切换判据或者必需信令有关的讨论，因而并不清楚受影响的节点是持久还是暂时处于CSMA模式。在WiseMAC HA中采用如下星型拓扑，在该拓扑中中心节点(协调器/宿)负责收集传感数据(或者来自其它网络设备的数据)。假设宿具有更多电池功率并且因此可以处于或者遵循相对于电池容量的传感器而言的某一激进唤醒模式。在IEEE 802. 15. 4中，如下文讨论的那样，提供信标使能的拓扑和信标更少的拓扑。具有信标使能的拓扑使用协议组合而“帧”的概念替换为如下“超帧”，该超帧包含用于经由CSMA-CA的基于竞争的接入的时隙和在TDMA基础上分配的用于网络设备独占使用的有保障的时隙(GTQ。尽管这通过分配GTS来提供可靠的数据发送，但是有网络设备必须保持上电(“醒来”)以针对定时和时隙分配信息监听协调器这样的弊端。然而在TDMA中有功率节省的优点，因为设备可以在其它设备的发送时隙期间休眠。概括而言，尽管提供定时参考和(超)帧结构的基于信标的通信协议允许更少冲突并且因此允许更可靠通信，但是这是以网络设备的功率消耗为代价。另一方面，就基于信标的方案而言，虽然可以在不活跃时段期间保持功率消耗很低量，但是与基于信标的方案更少地保障吞吐量并且延时时间(在获得信道接入之前的延迟)相比较高。本发明提出一种适合于IEEE802. 15. 6的信道接入方案切换，该切换允许网络设备的较低功率消耗、但是在必要时给予高可靠性。在说明这如何工作之前，现在将给出与 IEEE 802. 15. 4的主要配置有关的一些更多信息，因为类似配置有望用于IEEE 802. 15. 6。图1示出了在分层OSI模型方面的标注为100的IEEE 802. 15. 4WPAN的主要架构，其中经由包含无线电收发器及其低级控制的PHY层访问物理介质。如图所示，有在图2 中图示的用于PHY的两个替选频带101、102。较低频带101提供居中于868. 3MHz的单个 20kb/s信道和/或居中于915MHz的各自为401A/S的十个信道。较高频带102提供各自为2501A/S并且居中于2. 44GHz这一频率的16个信道。使用这些频带中的哪个频带将依赖于本地管制要求。对PHY的访问由图1中的105指示的MAC(介质访问控制)子层提供。在这上方并且在这样的WPAN 100外部提供允许从其它网络接入WPAN的LLC(链路层控制)；这可以根据IEEE 802. 2标准或者另一类型。最后，在LLC上方的上层109包括用于提供网络配置、 操纵和消息路由的网络层以及提供期望总功能的应用层。MAC子层的一个任务在于控制网络拓扑。星型和对等拓扑是通信网络中的两个已知拓扑并且在IEEE 802. 15. 4中均有所提供。在两种情况下，拓扑区分两个基本的网络节点种类设备和协调器。如图3中所示，在星型拓扑中，多个设备11与中心协调器10直接通信；而在对等配置中，沿着一个或者多个跳跃进行设备IlA与通信器的通信而中间设备 lib和IlC充当中继器。协调器充当向上层的接入点；在WSN的情况下，它充当用于传感器收集的数据的宿。假设各设备的通信范围可能很有限(数米)，对等拓扑允许覆盖更大区域。拓扑可以是动态的从而随着设备被添加或者离开网络而改变。例如在工业WSN的情况下，星型网络可以适合于监视来自如下传感器的读数，这些传感器在具有活动部件的单个固定机器项目上。另一方面，对等拓扑可以用来监视传送带上的物体。例如在MBAN的情况下，星型网络将在患者地点(比如医院病床)提供的协调器从而与单个患者身上的设备交换信号这样的情况下是适合的。对等拓扑将是更适合的拓扑， 其中提供一个协调器以服务于多个患者(协调器可以位于医院病房中的固定点)。因此，尽管设备11将一般是移动的，但是协调器可以是移动或者固定的。对等网络也将更适应快速改变的如下环境，在这些环境中要求快速设立或者改变网络或者允许网络的自组织和自修复。自修复可以例如包括在现有协调器已经出故障或者离开网络的情况下建立新协调器。可以在相同位置(比如医院或者工厂)设立多个星型和/或对等网络(各网络具有它们自己的协调器)。在这一情况下，相应协调器将有必要协作以免相互干扰并且允许数据共享或者对照。在IEEE 802. 15. 4中，这样的网络称为群集，并且提供为群集建立总协调器以及划分和合并群集。WPAN中的节点可以由能力可变的单元构成。一般而言，协调器的作用将需要具有一些处理能力的相对有能力的装置和能够同时处置来自多个来源的发送的收发器。这又将需要充分提供电功率(在一些情况下，它可以由市电供电)。另一方面，网络中的其它设备可能具有更有限的处理能力和仅获取电池功率，并且甚至可以如此简易以至于不能充当中继跳跃。功率可用性很低的设备可以在多数时间关断并且仅偶尔“唤醒”以例如向另一节点发送传感器数据。因此，IEEE 802. 15. 4标准区分“完全功能”和“精简功能”设备。功率可用性对于MBAN和其它WPAN(其中传感器可以植入于身体或者设备内并且因此不能具有大型或者可再充电电池)而言是一个具体问题。在IEEE 802. 15. 4中设想的两个WPAN类型是信标使能和非信标使能的。在信标使能的网络中，协调器周期性地发送信标，并且设备周期性地监听该信标以与网络同步和接入信道。信道接入遵循协调器限定的如图4中所示的超帧结构。各超帧 30由两个部分构成活跃和不活跃。活跃部分划分成竞争接入时段CAP 36、继而是可选无竞争时段CFP 37，该CFP37用于保障具有服务质量要求的应用的接入。如图4中的竖直划分所示，超帧划分成16个等间距的时隙，各时隙能够输送来自协调器或者来自设备的数据帧。用于协调器发送的信标帧(见下文)的时隙31首先到达。 此后，在CAP内提供若干时隙32从而允许按照如上文提到的已知CSMA-CA算法在竞争基础上向或者从设备发送数据。接着是CFP的有保障的时隙GTS 33，并且如图所示，这些时隙中的每个时隙可以在多个基本时隙内延伸。在不活跃时段到期之后，下一超帧由发送另一信标帧31的协调器标记。设备可以在超帧的不活跃时段34期间变成休眠。因此，通过延长不活跃时段34的长度，可以尽可能多地节约设备的电池功率。在非信标使能的网络中，除非(例如出于网络发现的目的)请求协调器发送用于同步的信标，则无需它这样做。信道接入不受超帧结构限制并且设备是异步的，从而通过 CSMA-CA执行所有数据传送。它们可以根据某一协议(比如传感器-MAC)遵循它们自己的休眠模式(或者占空比)。对于MBAN应用，协调器在监视的一个或者多个身体外部。它可以是PDA、移动电话、床头监视器站或者甚至是在暂时基础上充当协调器的有充分能力的传感器。在工业WSN 中，协调器可以是PDA、传感器、膝上型或者其它计算机或者甚至是中心或者区域处理器。如上文提到的那样，信标使能的网络中的协调器负责向网络设备提供同步和信道接入。超帧的开始和结束也由协调器限定。协调器具有有可能与其它网络通信和获取充分功率供应(例如通过简单更换充电电池)的两个主要特征。图5至图8图示了在IEEE 802. 15. 4网络中的在设备与协调器之间的数据传送。 在IEEE 802. 15. 4中限定三个基本传送类型(i)向作为如下接收者的协调器的数据传送，设备(发送方)向该接收者发送它的数据-在星型和对等拓扑中均使用；(ii)从作为发送方的协调器的数据发送，其中设备接收数据-在星型和对等拓扑中均使用；以及(iii)在两个对等体之间的数据传送-仅在对等网络中使用。图5和图6描绘了分别用于信标使能和非信标使能的情况的从设备(网络设备 11)和协调器(协调器10)的传送。其不同在于在信标使能的情况下，设备1必须在使用 CFP中的CSMA-CA或者使用CAP中的GTS来发送数据(数据帧4 之前等待从协调器接收信标帧41 ；而在非信标使能的情况下通常无信标帧并且设备11使用CSMA-CA来随意发送数据帧42。在任一情况下，协调器可选地通过发送确认帧43来确认成功接收数据。下文更具体地说明三个不同帧类型。如果接收者出于任何原因而不能处置接收的数据帧，则不确认消息。如果发送方在某一时段之后未接收确认，则它认为发送不成功并且重试帧发送。如果在若干次尝试之后仍未接收确认，则发送方可以选择终止交易或者再试。当无需确认时，发送方认为发送成功。图7和图8图示了从协调器10向设备11的数据传送。当协调器希望向信标使能的WPAN中的设备传送数据(图7)时，它在信标帧41中指示数据消息未决。设备周期性地监听信标帧，并且如果消息未决则通过CSMA-CA发送请求数据的数据请求(MAC命令)44。 协调器10通过发送确认帧43来承认成功接收数据请求。然后使用有缝隙的的CSMA-CA或者如果可能则紧接于确认之后发送未决数据帧42。设备11可以通过发送确认帧43来确认成功接收数据。交易现在完成。在成功完成数据交易时，从信标中的未决消息列表去除消肩、ο在非信标使能的情况下，具有准备好用于具体设备11的数据的协调器10必须等待在竞争基础上发送的来自相关设备的数据请求44。在接收这样的请求时，协调器发送确认帧43 (这也可以用来指示未准备好数据，如果是这样的情况的话)、继而为数据帧42，响应于该数据帧，设备11可以发送另一确认帧43作为回报。为求简化，上述过程仅已经考虑在设备与协调器之间的上述数据传送情况(i)和 (ii)，但是在对等网络中，如已经提到的那样，将一般经由涉及到一个或者多个中间节点 (这增加冲突风险和涉及到的延迟)的机制(iii)发生数据传送。如图5至图8中所示，在IEEE 802. 15. 4网络中的通信涉及到四个不同类型的帧-协调器用来发送信标的信标帧41-用于所有数据传送的数据帧42-用于确认成功帧接收的确认帧43-用于处置所有MAC对等实体控制传送的MAC命令帧44、比如数据请求四个帧类型中的各帧类型的结构很相似，并且在图9中通过例子针对数据帧42加以示出。在图中，两个水平条分别代表MAC子层和PHY层。时间从左向右进展，并且在相关字段上方示出了(以八位)帧的各相继字段的时间长度。每帧由按照具体顺序的字段的序列构成，从左向右按照PHY发送这些字段的顺序描绘他们，其中在时间上首先发送最左位。 在每个字段内的位从0(最左和最低有效)至k-Ι (最右和最高有效)编号，其中字段的长度为k位。将经由数据帧42发送的数据从上层始发。数据净荷传向MAC子层并且称为MAC 服务数据单元(MSDU)。MAC净荷以MAC头部MHR为前缀并且附加以MAC脚注MFR。MHR包含帧控制字段50(见下文)、数据序列号(DSN)、寻址字段和可选辅助安全头部。MFR由16 位帧校验序列FCS组成。MHR、MAC净荷和MFR —起形成MAC数据帧(即MPDU)。MPDU作为成为PHY净荷的PHY服务数据单元PSDU传向PHY。PHY净荷以包含前同步码序列和帧开始定界符(SFD)的同步头部SHR以及包含八位的PHY净荷的长度的PHY头部PHR为前缀。前同步码序列和数据SFD使接收方能够实现符号同步。SHR、PHR和PHY净荷一起形成PHY分组(PHY协议数据单元PPDU)。除了 MAC净荷在各情况下具有不同功能之外，信标帧41、确认帧43和MAC命令帧 44具有类似结构(确认帧无MAC净荷)。此外，信标帧41、确认帧43和MAC命令帧44在 MAC子层中始发而未涉及到上层。在图10中更具体地示出了在各类帧中使用的帧控制字段50。它如图所示由用于出于不同目的而向子字段分配的16位构成。具体而言，字段的前三位指示帧类型51 信标帧41、数据帧42、确认帧43或者MAC命令帧44。在图11中示出了表示帧类型的方式。 在帧类型位51之后是指示MAC子层是否使能安全的单个位的安全使能子字段52。在这之后是用于指示发送方是否有用于接收者的更多数据的帧未决子字段53。接着是用于指示是否从接收者请求确认的确认请求子字段M。在这之后是用于寻址目的或者在当前IEEE 802. 15. 4规范中保留的更多子字段55至59。如提到的那样，图11是用于帧类型子字段51的可能位值的表，该表示出了在 802. 15. 4规范中未使用值100和101。已经概述本发明的背景，现在参照本发明的实施例。图12是以如下传感器60的形式表示网络设备的示意图，该传感器60使用传感器节点61来测量参数并且使用无线电电路62将它发送到另一设备。示出了如下传感器，该传感器的发送/接收装置由无线电电路62控制。传感器控制装置63起作用以根据触发来选择信道接入方案。有与协调器64的双向通信，并且本领域技术人员将理解这可以是直接(经由其它设备)或者间接的。如上文阐述的那样，可以在协调器中、在传感器中或者甚至在网络外部(例如在中心监视单元中)产生用于让传感器从较低吞吐量信道接入方案向较高吞吐量方案切换的触发。如果在传感器中创建触发， 则将向协调器发送它。如果未在传感器中创建触发，则将向传感器发送它。该触发激活用于从一个方案向另一方案切换的切换指令。切换指令可以向或者从传感器发送或者甚至可以是传感器内的内部开关。更具体地考虑优选实施例，从WiseMAC方案开始，宿/协调器可以在要求时(比如在危急情形中)按照需要触发向CSMA阶段的切换。在切换之后，协调器可以经过ACK机制向传感器发送关于当前操作模式(CSMA)的切换指令。图13图示了用于进行在WiseMAC与CSMA模式之间的切换的一些适当步骤；作为例子SlO传感器按照WiseMAC协议向宿发送数据。Sll在第一唤醒时间，ACK包含与宿的下一唤醒时间有关的信息。S12在第二唤醒时间并且在数据到达时，传感器等待直至大约宿的唤醒时间 (Dw)、然后发送前同步码和数据并且等待从宿接收ACK。S13传感器从宿接收ACK，该ACK具有与现在为CSMA的宿操作模式有关的切换指令。S14现在传感器了解宿已经改变传感器的操作模式。在数据下一次到达传感器节点时，传感器未等待用于宿的下一等待时间。取而代之，它竞争信道并且因此等待与Dcsma 相等的竞争窗以发送它的数据。以下页阐述多个场景，这些场景举例说明如下境况，在这些境况之下实现在信道接入方案之间的切换从而示出了不同集中程度和不同触发。所有例子指代在WiseMAC与 CSMA之间的切换，但是机制同样适用于在其它信道接入模式(第一信道接入模式具有比第二信道接入模式较低的吞吐量)之间的切换，并且也指代从较高吞吐量模式切换回到较低吞吐量模式。考虑的场景中的一些场景为部分分布，这意味着用于在模式之间切换的触发由传感器发起并且发送到协调器。然而，用于在模式之间切换的判决由协调器判决。在部分集中场景中，用于在模式之间切换的触发由协调器发起并且发送到传感器。然而，用于在操作模式之间切换的判决由传感器判决。在更集中场景中，至少一个触发(或者触发因素)和切换均由协调器发起。按照自治场景，触发和切换均可以由传感器发起。用于在WiseMAC与CSMA操作模式之间切换的事件序列可以是以下序列中的任一序列。触发1为部分分布场景而用“更多数据”触发指示增加的业务。这一情形出现于发送方节点在它的队列中具有多个分组时。“更多位”触发指示增加的业务(所需发送)、 比如高负荷或者流并且因此可以在到目的地或者协调器的发送的分组的“更多位”中指示。 目的地然后在ACK中向发送方(和任何窃听方)用信令通知向CSMA模式切换。发送方然后可以向CSMA切换进行进一步发送。如果任何窃听方接收ACK中的触发，则它们可以与发送方竞争信道。图14A和图14B示出了当发送方触发向CSMA的切换以求增加吞吐量和减少延时时的事件序列。在WiseMAC中，在分组中具有“更多位”这一指示的发送方在它从接收方接收ACK 之后发送第二分组。然而如果向CSMA切换，则发送方和任何窃听方使用CSMA协议来竞争信道。重要的是要注意虽然“更多位”增加吞吐量，但是它可能减少公平，因为可能完全阻止一些节点接入信道，这通常是因为它们使用CSMA并且因此可能放松竞争。如果其它发送节点仍然使用WiseMAC，则也可能阻止它们接收ACK(例如如果它们发送更多数据(使用“更多位”指示符)并且因此仍然保持信道)。在这一场景中有CSMA中的发送方(或者协调器)不能接收ACK、因此将不向它们通知何时切换回到WiseMAC这样的问题。也就是说，在发送ACK时进行发送(这可能发生于异步系统中)的任何设备(不管是传感器、协调器还是其他设备)不能接收ACK。一种可能解决方案在于在分组上背负(piggy back)切换或者广播该改变。更具体地考虑图14A和14B，在步骤20中，传感器发送数据和使用设置成一的位 (例如如IEEE802. 15. 4中那样的帧未决位)来指示随后有更多数据的指示符。在步骤S21 中，协调器向传感器发送如下确认，该确认包括向CSMA指示切换，这一指示例如为帧确认的控制或者命令字段中的设置成一的位。在步骤22中，窃听方S2赢得竞争并且发送如下分组，该分组指示将跟随更多数据。因此，窃听方S2也向协调器发送触发。在步骤S23中， 原发送方Sl赢得竞争并且发送如下分组，该分组指示将不发送更多数据。这将Sl触发去激活。随后在步骤S24中，窃听方S2赢得竞争并且发送如下分组，该分组指示将不发送更多数据并且因此也将它的触发去激活。因此，针对CSMA模式的要求不再存在，并且协调器在步骤25中向传感器Sl和窃听方S2发送切换回指令。传感器然后如在图14A中的步骤 S26中作为新数据传送的部分来发送的更长前同步码所证实的那样返回到WiseMAC模式。图14A和14B涉及部分分布场景，其中传感器中的负荷增加，这触发向CSMA切换， 但是其中切换指令由协调器发送。在也与部分分布场景有关的触发2中，从传感器发送危急位作为触发，并且协调器发送切换指令。图15A和15B图示了这一场景。传感器分析收集的数据并且例如使用阈值化来识别它处于危急情形。在步骤S30中，传感器通过将危急位设置成1以指示危急来向协调器发送消息以向它通知该情形。在步骤S31中，协调器发送用于向CSMA切换操作模式以处置危急情形的消息。稍后，在向CSMA切换之后的步骤S32中，传感器不再处于危急，并且将危急位设置成0。因此，在S33中发送回到WiseMAC的切换指令，该指令通知传感器将其操作模式切换回到WiseMAC。触发3再次示范部分分布场景，其中从传感器发送触发，但是在协调器中判决向较高吞吐量信道接入方案切换。触发3使用紧急位作为用于向CSMA切换的触发。本领域技术人员将理解除了先前提到的危急位之外或者取而代之，给定网络还可以使用紧急位。在步骤S40中，传感器分析收集的数据并且识别它处于危急情形，从而通过根据危急水平适当地设置位ul和u2来向协调器发送消息以向它通知该情形。三位可以对应于如在下表1中阐述的休眠模式。下表1基于WSN中的设备的不同紧急水平给出不同的适当预定义的休眠模式的例子。例如在用于医疗用途的网络如MBAN中，低占空比的休眠模式可以用于非医疗设备(例如用于医生的PDA、患者的手表或者移动电话(这些设备连接到WSN中))。如从表1可见， 这样的非医疗设备因此具有最长休眠时间或者百分比休眠时间。可以通过WSN发送对这一休眠模式的指示，例如作为发送帧的帧控制字段中的紧急位。在这一例子中示出了非医疗设备具有紧急位00。表1示出了在如下正常条件下的医疗设备，该条件具有占空比略微较高的正常医疗休眠模式并且由紧急位01指示。在该医疗设备中的略微异常的条件下，占空比再次略微增加并且紧急位为10。最后，对于在危急情形中的医疗设备，存在占空比的急剧增加或者持续唤醒。紧急位11用来指示这一紧急条件。在用于医疗传感器设备的这一例子中，在正常与略微异常情形之间和在略微异常与危急情形之间的转变可以在各情况下由跨越各阈值的测量参数触发。如本领域技术人员将理解的那样，如果参数具有可接受的值范围，则增加的紧急可以下至或下降或上升或者这两种情况都有的参数，而越来越不可接受的值至往多个阈值限定的可接受范围的任一侧。
权利要求
1.一种包括网络设备和协调器的无线设备网络，所述协调器包括用于无线通信的发送和接收装置；并且所述网络设备包括用于无线通信的发送装置和接收装置；以及控制装置，可操作用于有选择地使所述设备根据较高吞吐量方案和较低吞吐量方案这两个不同信道接入方案通信；其中在所述网络中提供用于从所述较低吞吐量方案向所述较高吞吐量方案切换的触发，其中在将所述网络设备的发送要求纳入考虑之中的情况下确定所述触发。
2.根据权利要求1所述的网络，其中基于以下因素中的一个或者更多个因素限定所述发送要求在所述网络设备的缓冲器中等待的数据、设备的危急状态、设备的紧急状态和电池电平。
3.根据任一前述权利要求所述的网络，其中所述网络设备发送装置和/或协调器发送装置可操作用于在发送帧的接入改变字段中发送所述触发的指示，优选地使用所述字段中被设置成预定值的值来发送。
4.根据任一前述权利要求所述的网络，其中所述触发是基于触发因素的组合来创建的组合式触发，并且其中优选地，在发送帧的接入改变字段中发送所述触发因素中的一个或者更多个触发因素。
5.根据任一前述权利要求所述的网络，其中从所述低吞吐量信道接入方案向所述高吞吐量信道接入方案的所述切换基于由所述触发激活的切换指令。
6.根据任一前述权利要求所述的网络，其中在接入改变字段中的不同值产生所述触发的中断，并且激活回到所述较低吞吐量信道接入方案的切换指令。
7.根据任一前述权利要求所述的网络，其中所述网络设备发送装置和/或协调器发送装置可操作用于在发送帧的字段中发送所述切换指令的指示，优选地使用所述字段中被设置成预定值的值来发送。
8.根据权利要求7所述的网络，其中在确认帧中提供所述切换指令的指示。
9.根据任一前述权利要求所述的网络，其中所述网络设备是所述网络中的多个网络设备之一，所述网络可操作用于为这些网络设备中的多个网络设备创建触发，其中向各所述网络设备分配与它的设备类型和/或发送要求相符的优先级，并且其中所述网络设备优先级用来确定所述较高吞吐量方案中的对成功发送的可能性有影响的发送参数。
10.根据任一前述权利要求所述的网络，其中所述网络设备是所述网络中的多个网络设备之一，所述网络可操作用于为这些网络设备中的多个网络设备创建触发，其中如果在给定时间创建用于这些网络设备中的多于预定数目的网络设备的触发，则所述网络可操作用于优选地使用有保障的时隙、更优选地通过将至少具有创建的触发的那些网络设备切换到又一接入信道方案，来将至少具有创建的触发的那些网络设备切换到无竞争ififn。
11.根据任一前述权利要求1所述的网络，其中在所述协调器中创建所述触发或者所述切换或者二者。
12.根据任一前述权利要求所述的网络，其中在所述切换时上行和下行发送均从所述低吞吐量方案向所述高吞吐量方案切换。
13.—种在包括网络设备和协调器的无线设备网络中的网络设备，所述网络设备包括用于无线通信的发送装置和接收装置；以及控制装置，可操作用于有选择地使所述网络设备根据较高吞吐量方案和较低吞吐量方案这两个不同信道接入方案通信；其中所述发送装置和/或接收装置可操作用于分别发送和/或接收用于从所述较低吞吐量方案向所述较高吞吐量方案切换的触发。
14.根据权利要求13所述的网络设备，在无线传感器网络中，所述传感器还包括可操作用于检测参数值的感测装置。
15.一种在包括网络设备和协调器的无线设备网络中的协调器，其中所述协调器包括用于无线通信的发送和接收装置；控制装置，可操作用于有选择地使所述协调器根据较高吞吐量方案和较低吞吐量方案这两个不同的信道接入方案通信；其中所述发送装置和/或接收装置可操作用于分别发送和/或接收用于从所述较低吞吐量方案向所述较高吞吐量方案切换的触发。
全文摘要
本发明涉及一种包括网络设备和协调器的无线设备网络；协调器包括用于无线通信的发送和接收装置；并且网络设备包括用于无线通信的发送装置和接收装置；以及控制装置，可操作用于有选择地使设备根据较高吞吐量方案和较低吞吐量方案这两个不同信道接入方案通信；其中在网络中提供用于从较低吞吐量方案向较高吞吐量方案切换的触发，其中在将网络设备的发送要求纳入考虑之中的情况下确定触发。发送要求可以基于根据本发明的网络，其中基于以下因素中的一个或者多个因素限定发送要求在网络设备的缓冲器中等待的数据、设备的危急状态、设备的紧急状态和电池电平。
文档编号H04W72/12GK102342166SQ201080010644
公开日2012年2月1日 申请日期2010年2月9日 优先权日2009年3月4日
发明者欣德·谢布, 赛义德·阿贝迪 申请人:富士通株式会社