用于无线应用的tcp中继器的制造方法

用于无线应用的tcp中继器的制造方法
【专利摘要】一种用于改善TCP信号接收的系统，包括：TCP中继部件、无线部件以及连接到无线部件的天线(例如，智能天线)。该系统被配置为：接收具有序列号“N”的TCP封包，将该封包无线地(例如，通过802.11)发送到客户端，接收指示该封包被接收的客户端的无线ACK，以及将客户端的ACK用作发送TCP序列号“N”的TCP确认的触发。
【专利说明】用于无线应用的TCP中继器
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信系统。更具体地，本发明涉及包括IEEE802.11系统的无线局域网(WLAN)、W1-Fi和微蜂窝无线通信系统。
【背景技术】
[0002]随着由无线移动数据的显著增加和无线收发机的激增所驱动的无线网络的演进，频谱干涉迅速变为决定小区大小和覆盖范围的限制因素。
[0003]对于W1-Fi网络，来自其他未经授权的频带系统(例如，其他W1-Fi收发机、增强数字无绳通信(DECT)电话、蓝牙装置、微波炉和其他未经授权的装置)的噪声将产生干扰电平(或“噪声本底”)，该干扰电平在城区可以非常大。例如，在典型的大城市环境中所做的测量显示:2.4GHz ISM频带中的噪声本底在-70至-80dBm范围内，或者比理论热噪声本底(对于20MHz频宽的信道，其为-103dBm)高大约20至30dB。因此，由于所有的传输都受限于信噪比(SNR)并且W1-Fi网络被设计成仅在OdB SNR下运行，所以在这些频段中运行的W1-Fi网络将具有较小的小区；在最大比值合并(MRC)的情况下，W1-Fi网络可能以略负SNR运行。
[0004]因此，无线数据网络被设计成在加载干扰环境下运行将会是有利的。尽管之前有过尝试，但是当使用比如确认(ACK)协议(例如，传输控制协议(TCP)和可靠用户数据报协议(RUDP))时仍存在对改善有损无线电环境中的数据吞吐量的系统和方法的需求。

【发明内容】

[0005]本公开涉及一种使用确认协议来改善有损无线电环境中的数据吞吐量的系统和方法。更具体地，本申请公开了一种用于使用确认数据传输协议(例如，TCP和RUDP)的操作和IEEE802.11协议的操作两者的系统和方法。
[0006]根据本发明的第一方面，一种用于改善TCP信号接收的方法，包括以下步骤:从服务器接收具有序列号N的TCP封包；处理所述TCP封包；将所述TCP封包无线地传递到客户端；从所述客户端接收无线ACK封包，其中，所述无线ACK封包指示所述TCP封包被所述客户端所接收；使用所述无线ACK封包来触发TCP确认封包(TCP-ACK)，以确认所述TCP封包的接收；以及将所述TCP-ACK传递到所述服务器。无线功能性可进一步包括传递所述TCP封包和/或接收所述无线ACK。在本发明的某些方面，接入点(AP)的TCP中继部件可执行以下步骤:(i)接收具有序列号N的TCP封包；(ii)处理TCP封包；以及(iii)将TCP-ACK传递到服务器。在其他方面，所述无线通信依照IEEE802.11标准，并且可使用智能天线以改善无线功能性。
[0007]根据本发明的第二方面，一种用于改善TCP信号接收的系统，包括:TCP中继设备，其从服务器接收具有序列号N的TCP封包、处理所述TCP封包并且将TCP-ACK传递到所述服务器；有线部件，用于允许所述TCP中继部件与网络之间的通信；无线部件，用于将所述TCP封包无线地传递到客户端、从所述客户端接收无线ACK ;以及智能天线，其连接到所述无线部件；其中，对来自所述客户端的所述无线ACK的接收被用来触发所述TCP-ACK到所述服务器的传递。
[0008]根据本发明的第三方面，一种具有改善的TCP信号接收的基于处理器的设备，包括:TCP中继设备，其从服务器接收具有序列号N的TCP封包、处理所述TCP封包并且将TCP-ACK传递到所述服务器；有线部件，用于允许所述TCP中继部件与网络之间的通信；无线部件，用于将所述TCP封包无线地传递到客户端、从所述客户端接收无线ACK ;以及智能天线，其连接到所述无线部件，对来自所述客户端的所述无线ACK的接收被用来触发所述TCP-ACK到所述服务器的传递。
[0009]根据本发明的第四方面，一种具有改善的TCP信号接收的系统，包括:处理器；数据存储器；有线连接；其从服务器接收具有序列号N的TCP封包、处理所述TCP封包并且将TCP-ACK传递到所述服务器；无线连接，被允许无线地传递所述TCP封包到客户端并且从所述客户端接收无线ACK;以及智能天线，其连接到所述无线部件，其中，对来自所述客户端的所述无线ACK的接收被用来触发所述TCP-ACK到所述服务器的传递。
[0010]在某些方面，所述无线通信依照IEEE802.11标准和/或所述智能天线是切换天线，其中，切换波束被优化以改善所述无线ACK的接收和/或SNR，或者所述智能天线是波束成形天线，其中，波束成形被执行以改善所述客户端的无线ACK的接收和/或SNR。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]参考下文详细描述和附图，将容易理解本发明的这些和其他优点，其中:
[0012]图1a示出了典型的32位TCP段结构；
[0013]图1b示出了使用ACK封包来执行TCP传输的基本功能的第一系统；
[0014]图1c示出了使用ACK封包来执行TCP传输的基本功能的第二系统，其中单个ACK可用于多个数据传输；
[0015]图2a是用于改善TCP信号接收的接入点系统；
[0016]图2b是采用智能天线功能来改善TCP信号接收的接入点系统；
[0017]图3a示出了与客户端装置和服务器通信的接入点；
[0018]图3b示出了与第二接入点和客户端装置通信的图3a的接入点；以及
[0019]图4是示出了示例性接入点处理的流程图，其中无线ACK(例如，IEEE802.11ACK)可被用于表示和触发TCP-ACK。
【具体实施方式】
[0020]下面将参考附图对本发明的优选实施例进行描述。在以下描述中，不详细描述熟知的功能和结构，因为不必要的细节可能使本发明不清楚。本文所描述的是可被用来大大改善有损环境中TCP信号接收的多个步骤、方法和解决方案。具体地，以下实施例涉及能够使用诸如TCP和RUDP的确认数字传输协议的操作和IEEE802.11协议的操作两者的系统和/或方法。对于本公开，将适用以下术语和定义。
[0021]术语“IEEE802.11”和“802.11”是指用于在2.4,3.6和5GHz频带上执行无线局域网(WLAN)计算机通信的一组标准。该组标准由IEEE LAN/MAN标准委员会(IEEE802)来维护。[0022]本文中所使用的术语“通信”和“通讯”包括:将数据从信源传递到信宿以及将数据传送到通信介质、系统、信道、网络、装置、导线、电缆、光纤、电路和/或待传递到信宿的链接；本文中所使用的术语“通信”指的是所传递或传送的数据。本文中所使用的术语“通信”包括:一个或更多个通信介质、系统、信道、网络、装置、导线、电缆、光纤、电路和/或链接。
[0023]本文中所使用的术语“处理器”指的是在硬件、有形地体现的软件或者两者中执行并且可编程或者不可变成的处理装置、设备、程序、电路、部件、系统和子系统。本文中所使用的术语“处理器”包括但不限于:一个或更多个计算机、硬连线电路、信号更改装置和系统、用于控制系统的装置和机器、中央处理单元、可编程装置和系统、现场可编程门阵列、专用集成电路、片上系统、由分立元件和/或电路组成的系统、状态机、虚拟机、数据处理器、处理设施以及前述的任意组合。
[0024]本文中所使用的术语“存储”和“数据存储”指的是用来临时或者永久保留数据并且提供这一保留数据的一个或者更多个数据存储装置、设备、程序、电路、部件、系统、子系统、位置和存储介质。本文中所使用的“存储”和“数据存储”包括但不限于:硬盘、固态驱动、闪存、DRAM、RAM、ROM、磁带盒和能够存储计算机可读数据的任何其他介质。
[0025]本文中所使用的术语“全向天线”指的是在各个方向上均匀辐射无线电波功率的天线，所辐射的功率随着平面之上或之下的俯仰角下降到天线轴上的零而降低，从而产生环状辐射图。
[0026]本文中所使用的“方位向天线”指的是在一个或更多个方向上辐射较大功率的天线，其使得传输和接收性能提升并且减少了来自无益信源的干扰。
[0027]TCP是网际协议(IP)组中的核心协议之一，其被合称为TCP/IP。TCP将来自第一计算机上的程序的比特流可靠地、按顺序地递送到第二计算机上的另一个程序。因此，TCP是大多数互联网应用(比如，万维网、电子邮件、文件传输)所依靠的协议。
[0028]TCP为需要可靠通信信道的应用提供点到点信道，包括例如超文本传输协议(HTTP)、文件传输协议(FTP)和Telnet。TCP是可靠的，因为其力求为应用层作出三项保证:(i)信宿将以发送数据的顺序接收该数据；(ii)信宿将接收所有数据；以及(iii)信宿不会重复接收任一数据。另外，TCP是双向的，因为一旦连接被建立，服务器就可以通过同一连接来应答客户端。
[0029]由于其可靠性，TCP在有线网络中占首要地位。然而，TCP协议的性能随两个节点之间(例如，发送和接收装置之间)路径延迟的增大而快速退化。因此，降低传输速率防止了附加无益拥塞的形成或累加。由于这一原因，TCP性能取决于反馈信息可以被多迅速地返回到发送装置。
[0030]例如，TCP的一种设计原理为:当网络拥塞时TCP为发送装置提供反馈以降低传输速率。如果上行匿名/随机带宽请求或802.11数据封包由于干扰而丢失，则诸如TCP或RDUP的双向协议会显著放慢速度，例如，将通过基于已传输封包的成功或失败修正数据传输速率来自动调整到可用的带宽。如果确认接收到的封包的序列号的TCP确认封包(TCP-ACK)被丢失，则TCP传输会放慢速度或者停止直到所述TCP-ACK被接收到为止。因此，为了保持高效的数据传输，高效地提供TCP-ACK是必要的。例如，根据TCP标准，当三个重复的ACK封包被接收或者ACK超时发生时，发送装置对封包丢失做出反应。[0031]在有线网络中，拥塞等级可由封包丢失率来表示，其中，拥塞的增加导致封包丢失的增加。然而，在无线网络中，封包丢失不仅由于拥塞而且由于链路损耗(例如，距离、干扰等)而产生。尽管链路层经常提供重新传输机制以降低链路损耗率(其将在下文中被更详细地描述)，但是该链路损耗率仍远高于有线网络中的丢失率。
[0032]现在参考附图，图1a示出了典型的32位TCP段结构。该TCP段包括:识别发送端口的信源端口(16位)和识别接收端口的信宿端口(16位)。该TCP段进一步包括可以充当两个角色、被表示为“N”的序列号。例如，如果SYN(同步序列号)标记被置1，则其为初始序列号。然后，实际的第一数据字节的序列号和相应的ACK中的ACK号为初始序列号加I。然而，如果该SYN标记被置0，则对于当前会话，这是该封包的第一数据字节的累积序列号。有关序列号及其功能的进一步信息，请参考例如可在http://www.freesoft.cxtr/CIE/Course/Section4/9.htm处获得的“Connected:An internet Encyclopedia-SequenceNumber”。
[0033]对于ACK号(32位)，如果ACK标记被设置，则ACK号字段的值为接收机所期望的下一个序列号(其确认所有在先字节的接收，如果有的话)。由各个端发送的第一 ACK确认另一端的初始序列号本身，但是没有数据。数据偏移(4位)通过32位字来指定TCP报头的尺寸。最小尺寸报头为5个字以及最大尺寸报头为15个字，因此最小尺寸为20字节以及最大尺寸为60字节，从而在报头中允许高达40字节的选择。这一字段得名于以下事实:它也是从TCP段的起点到实际数据的偏移。预留字段(4位)当前被指定供将来使用并且当前应该被置零。
[0034]TCP段进一步包括8个I位标记(总共8位):⑴拥塞窗口减小(CWR)标记，其由发送主机来设置，以表明它接收到具有ECE标记设置的TCP段并且已经在拥塞控制机制(由RFC3168添加到报头)中进行了响应；(ii)显式拥塞提醒回应(ECE)标记，以表明:(a)如果SYN标记被置I，则其TCP对等是能够进行显式拥塞通知(ECN)的；以及(b)如果SYN标记被置0，则在正常传输(由RFC3168添加到报头)期间在IP报头设置中具有拥塞经历标记的封包被接收；(iii)URG标记，用以表明紧急指针字段是有效的；(iv) ACK标记，用以表明确认字段是有效的(在由客户端所发送的初始SYN封包之后的所有封包应当具有这一标记设置)；(v)推送功能(PSH)标记，请求将缓冲数据推送到接收应用；(vi) RST标记，对连接进行复位；(vii)同步序列号(SYN)标记——仅从各个端发送的第一封包才应当具有这一标记设置(某些其他标记基于该标记改变其意思，某些标记仅当该标记被设置时才有效，以及其他标记当该标记被置零时才有效)；以及(viii)FIN标记，用以表明不再有来自发送机的数据。
[0035]窗口尺寸(16位)代表接收窗口的尺寸，其指定接收机当前希望接收的字节数(在确定字段中的序列号以外)，参见下文中的流程控制和窗口缩放。校验和(16位)被用于对报头和数据进行校验。如果URG标记被设置的话，则紧急指针(16位)表明该16位字段是距离表明上一紧急数据的序列号的偏移。
[0036]选项为可变的0-320位，可被32整除。选项字段的长度由数据偏移字段来确定。选项O和I的长度是单个字节(8位)。剩余的选项表明第二字节中的选项的总长度(以字节表示)。TCP报头填充被用于确保TCP报头结束于并且数据开始于32位边界，并且仅由O构成。[0037]如上所述，为确保及时和精确的封包传送，被设计成在干扰环境下运行的无线数据系统可包括封包重新传输协议。这些重新传输协议使得无线数据封包能够被重新传输多次直到系统接收到该数据封包已被接收的确认为止。为了接收已传输封包被远端设备所接收的肯定确认，重新传输协议也可调节参数(例如，前向纠错(FEC)、调制速率、天线选择等)。例如，在IEEE802.11无线标准的情况下，在已传输数据封包被适当地接收之后(例如，在规定的时间窗口内，在某些情况下立即)发送肯定ACK。然而，如果ACK未被接收，则该无线数据系统可继续重新传输封包直至规定次数的尝试，并且可能使用调节参数等技术，用于增加该封包将被接收和确认的可能性。
[0038]在重新传输步骤中，IEEE802.11无线电装置通常依靠一预设ACK时间范围(timeframe)。因此，如果发送装置在预设ACK时间范围内未从接收装置接收到ACK响应，则该发送装置将假定封包已经丢失并且可能继续重新传输该封包直到接收到ACK为止。该预设ACK时间范围可根据例如以下各项而不同:装置、运行状况、干扰水平以及发射装置和接收装置(例如节点)之间的距离。在长距离链路的情况下，发送消息和接收ACK响应的时间通常随着距离的增加而增加并且可能超过该预设ACK时间范围。例如，当发送多个封包时，如果发送装置由于ACK未被其及时接收而连续地重新传输，则吞吐量会被显著延迟，从而实际上损失了吞吐量。因此，在长距离链路的情况下，增加ACK时间范围可以减少重新传输的发生，从而改善链路的质量。然而，在较短链路的情况下，当第一封包在传输中实际上被丢失时，大的ACK时间范围可能使得发送装置在重新传输封包之前等待太长时间，从而降低吞吐量。因此，应当基于链路的长度和其他变量来调节所述ACK时间范围。
[0039]为了解决这一问题，IEEE标准提供了可用来计算ACK时间范围的示例性的准则和常数。有关ACK时间范围计算的讲一步信息,请参考例如可在http://www.air-stream.0rg/ACK Timeouts 处获得的 “ACK Timeouts and the Effects on Distance Links，，。因此，可使用数据传输领域已知的技术来计算或者选择ACK时间范围，该技术包括但不限于由IEEE标准所管理或建议的技术。
[0040]现在参考图lb，该图示出了使用ACK功能来进行TCP传输的基本功能的示例性系统100b。在运行中，当服务器102发送一个或更多个数据段到客户端104时，客户端104将确认所述一个或更多个数据段的接收的ACK确认应答发送回服务器102。如图所示，在从服务器102到客户端104的各个数据段传输之后，所述客户端返回识别已接收数据的ACK。这一处理确保客户端104在避免重复数据传输的同时按正确的顺序接收所有期望的数据段。在服务器102没有从客户端104接收到ACK的情况下，服务器102可重新传输该数据直到
(i)其已经接收ACK为止或者(ii)计时器已经发出“超时”标记信号(例如，基于尝试的次数或者持续时间)为止。然而，为了增加ACK协议的传输速率和/或效率，系统IOOb可被配置成针对多个TCP段，使用单个确认应答。
[0041]图1c举例说明了用于传递ACK到服务器102的系统100c，该系统IOOc包括针对多个TCP段的单个ACK确认应答，从而允许ACK的高效率传输。例如，在运行中，当服务器102发送数据段(数据1、数据2、数据3、数据4)到客户端104时，客户端104可将单个ACK确定应答发送回，表明数据段(数据1、数据2、数据3、数据4)已经被接收。相应地，服务器然后可发送数据段(数据5、数据6、数据7、数据8)到客户端104。一旦接收到这些数据段，客户端104就可将第二 ACK确认应答发送回，表明数据段(数据5、数据6、数据7、数据8)已经被接收。如在图1b的系统IOlb中那样，在服务器102没有从客户端104接收到ACK的情况下，服务器102可重新传输数据直到(i)其已经接收ACK为止或者(ii)计时器已经发出“超时”标记信号(例如，基于尝试的次数或者持续时间)为止。
[0042]在某些情况下，中继设备可被使用以将封包从第一点中继到第二点。例如，封包可从家庭互联网终端被中继到互联网服务提供商(ISP)或者反之。Motohide Nomi的题为“封包中继设备”的美国发明公开N0.2009/0183252公开了一种示例性封包中继设备，其用于通过仅保留MAC地址验证中被指定为验证目标封包的封包来减少从硬件被转移到CPU的封包的数量。
[0043]同样地，由黄等人发表的题为“用于无线802.11网格网络的应用层中继器”的论
文(“黄的论文”)比较了 TCP中继器系统与没有中继器的系统的性能。黄的论文的目的在
于增加信宿处的成功接收速率(例如，“实际吞吐量”，其被定义为由接收机每秒所接收到的
有用信息，不包括错误，其单位为kbps)。更具体地，如有线领域中改善TCP性能的解决方案
那样，黄的论文讨论了一种应用层中继方法，该方法将传统的端到端TCP连接分成若干个
短跳连接。黄的论文还发现具有调度的中继器在4-跳网络中可以实现高达50%的性能增.、
Mo
[0044]如黄的论文所讨论的那样，当TCP封包通过中继节点时，该中继节点保留该封包的本地副本，并且立即发送ACK封包到前一跳。同时，中继节点经由另一个TCP连接发送所述本地副本到下一跳。当下一跳成功接收到所述本地副本时，接收到的副本被删除。如果所述封包在正在被转发到下一跳的同时丢失，则该封包将被所述中继节点而不是原始的发送端重新传输。黄的论文指出应用层TCP中继器的优势包括，例如:⑴任何丢失的封包的重新传输对于在中间跳上保存不必要的重新传输而言是本地的；(ii)往返时间(RTT)变得更小，因为TCP会话的跳的数量被减小，从而加速了反馈过程，因为串联的TCP连接比单个端到端连接对封包丢失的响应要快得多；以及(iii)更小的RTT和多个TCP连接增加了信道利用率。
[0045]黄的论文还公开了使用TCP中继方法来改善802.11传输的技术，因为TCP中继器可通过例如发送附加信息来较之有线侧更严格地处理无线侧。
[0046]如本文所公开的那样，无线ACK封包的接收可用来经由TCP中继器触发有线侧上(例如，连接到服务器的网络上)的TCP-ACK，因此排除了接收实际的TCP-ACK的需要，从而增加了该系统的效率。实际上，本申请整合了无线ACK(例如，802.11ACK)封包的功能(该无线ACK确认对包含TCP、RUDP或其他协议的802.11封包的接收)，以模拟TCP ACK或RUDPACK。在运行中，系统作出如下假设:如果无线ACK封包被接入点(AP)从客户端所接收，则来自服务器的封装的以太网封包必须已经被AP所接收。因此，在接收实际的TCP-ACK封包之前，封装的以太网封包可被确认，因而改善了效率并且排除了对实际TCP-ACK封包的需求。实际上，TCP中继功能可以使用来自802.11收发机的输入(例如，针对具体的TCP封包，无线ACK封包已经被接收)，以欺骗系统使其认为TCP-ACK封包已经被接收。
[0047]因此，本实施例的系统和方法大体上包括两种功能:(i)TCP中继功能；以及
(ii)802.1lMAC功能。现在参考图2a，示出了用于改善TCP信号接收的示例性AP系统。AP系统200a包括:服务器202、网络204(例如，互联网)、AP222a以及客户端214。AP222a大体上包括TCP中继功能性206a和802.1lMAC功能性部件208a。服务器202大体上包括连接到数据存储器224的计算机226 (例如，基于处理器的设备)。这些功能将会在以下更详细描述的AP结构中被执行。
[0048]TCP-RELAY功能性206a对802.11MAC/PHY功能性部件208a与端服务器202之间通常经由网络204的通信进行处理，而802.1lMAC功能性部件208a (例如，经由802.11无线链路)提供空中操作到客户端214。该802.11无线链路可以被分成两个主要层:介质访问控制(MAC)层和物理层(PHY)。这两个层允许IEEE802.11标准的功能分离并且使得单个数据协议能够与若干不同的RF传输技术一起使用。MAC层提供寻址和信道接入控制机制，这使得若干终端或网络节点在多点网络(通常为LAN或城域网(MAN))中通信成为可能。而PHY层定义了不同的RF传输技术:跳频展频或HISS、直接序列展频或DSSS、红外漫发射以及正交频分复用或0FDM。
[0049]图2a的系统示出了 TCP中继功能206a与802.1lMAC功能性部件208a之间的数据接口，该数据接口不仅包括数据封包的交换，还允许将附加的无线ACK指示发送给TCP中继功能206a，该附加的无线ACK指示表明封包已经被客户端214 (例如，无线设备)所确认。
[0050]然而，在某些情况下，图2a的系统仅可产生适度的总吞吐量性能改进。这一适度的改进可以归因于大多数室外AP系统是“上行链路”受限的这一事实，意味着较之AP到客户端方向，这些室外AP系统在客户端到AP方向上具有减少的链路预算。在这种情况下，无线ACK封包被接收的可能性和TCP-ACK未被接收的可能性都小，因此执行向服务器封包(例如，TCP-ACK封包)确认已经接收到什么(例如，通过使用802.11/无线ACK)的TCP中继器的附加功能将在延迟方面提供小的改进，因为无线ACK可稍微先于TCP-ACK被接收。
[0051]为了解决这一问题，除了更好的协议和中继技术之外，其他技术可被进一步使用以改善成功传输的可能性和速率。例如，使用与802.1lMAC功能性模块进行通信的智能天线系统可能是有利的。
[0052]如本文中所讨论的那样，本系统和方法可利用智能天线领域的新技术。智能天线通常使用(i)波束成形技术或者(ii)波束控制技术。总的来说，智能天线是具有智能信号处理算法的天线阵列，该智能信号处理算法被用来识别空间信号特征(比如，信号的波达方向(DOA))，以及被用来计算波束成形矢量以在移动站/目标上追踪和定位天线波束。智能天线和/或天线系统可被用来改善干扰受限环境(例如，具有高干扰水平的环境)中的W1-Fi和微蜂窝操作。因此，这样的智能天线系统的目的在于改善信号的SNR，从而增加有效的数据通信。如本领域所公知的那样，SNR是指期望的信号的电平与背景噪声电平的比较，并且其被定义为信号功率与噪声功率之比。例如，大于1:1的SNR值表明较之噪声存在更多的信号。要考虑的一个因素是在AP处经常出现SNR问题，尤其对于室外AP更是如此，室外AP通常位于抱杆的高处或者被安装在墙上，因而被暴露于高得多的信号电平，包括来自干扰源的信号电平。
[0053]波束成形，可用于802.11系统的第一定位技术，是指通过建设性地沿期望的目标/移动站的方向添加信号的相位来创建天线阵列的特定辐射方向图，以及将不期望/干扰目标的目标/移动站的方向图调零的方法。这可通过使用例如一有限脉冲响应(FIR)抽头式延迟线滤波器来实现。使用这一技术，FIR滤波器的权重还可被适应性地改变，从而被用来提供最优的波束成形，在某种意义上，其减小了期望的波束方向图与实际形成的波束方向图之间的最小均方根误差(MMSE)。实际上，使用这一处理，波束可通过对发送到天线的RF信号的相位和幅值进行修改来形成。有关波束成形和波束成形技术的附加信息，请参考例如可在 http: //staff.Washington, edu/aganse/beam-forming/beam-forming.htm 处获得的应用物理实验室 Andy Ganse 的论文 “An Introduction to Beam-forming”。
[0054]另一方面，波束成形包括改变辐射方向图的主波瓣方向——实际上控制天线的方向。波束控制可通过以下方式来实现:切换天线元件、改变驱动该元件的RF信号的相对相位和/或使用电和/或机械模块以指向期望的方向。例如，使用寄生元件的示例性波束控制方法由 P.K.Varlamos 和 C.N.Capsalis 在 Electronic Beam-steering UsingSwitched Parasitic Smart Antenna Arrays 一文中公开，参见电磁学研究进展(ProgressIn Electromagnetics Research, PIER) 2002 年第 36 期第 101-119 页。
[0055]用于通信系统的早期的小型线偏振自适应阵列天线被Robert Milne的题为“Adaptive Array Antenna” (Milne 天线)的美国专利 N0.4, 700, 197 (Milne 专利)所公开。如在Milne专利中所讨论的那样，Milne天线波束的方向性和指向性可在方位向平面和俯仰向平面中被电子地控制。Milne专利指出，Milne天线被发现具有低的RF损耗并且在相对大的通信带宽上运行。如在Milne专利中所公开的那样，实质上，Milne天线包括由都被安装在有限尺寸的地平面上的同轴寄生元件阵列所包围的驱动λ/4单极子。寄生元件可经由PIN 二极管或者等效的开关模块被连接到地平面。通过施加适当的偏置电压，期望的寄生元件可以被电连接到地平面并且具有强反射性，从而控制天线的辐射方向图。尽管Milne专利示出了示例性智能天线，但是实际上能够定位客户端装置的任何天线都可被使用。相似地，针对特定的应用，在阵列中所使用的寄生元件的数量和位置可被定制。例如，更多数量的寄生元件可位于阵列的某一位置以更好地瞄准波束。
[0056]在干扰受限环境中，新的创新性智能天线系统能够动态控制其天线波束以指向客户端装置，从而改善客户端装置处可见的SNR。在比如802.1lff1-Fi系统的情况下，当正调制封包传输之后接收ACK封包时，智能天线系统可以保持指向客户端装置直到ACK被接收到为止。如果智能天线系统能够显著改善客户端所观测到的SNR，则在ACK正在被接收时智能天线可保持在相同的方向以显著改善接收到的ACK的SNR。
[0057]这具有改善下行吞吐量(从具有智能天线的无线数据系统到客户端装置，通常为膝上型电脑或者无线移动装置)的优点。对于诸如未确认数据协议(UDP)的数据传输，这些“瞄准然后射击”的智能天线系统可以获得改善的数据吞吐量。对已传递封包和已接收ACK的附加的SNR改善将获得数据吞吐量的相应增加。然而，因为这些智能天线系统通常具有多个客户端，所以天线可能无法保持长时间指向特定的客户端。相反地，系统可返回到某种形式的较低增益“全向”天线或“方位向”天线模式，在该模式下，天线增益因而所导致的SNR从该天线被控制并且指向客户端时所获得的SNR开始降低。
[0058]如图2b所示，智能天线系统220可与图2a的系统220a集成以显著改善无线ACK封包的接收，因为天线波束在802.11封包的传输期间可正对着客户端214并且保持瞄准以接收客户端的无线ACK封包。因此，对于诸如流媒体视频、对等共享和浏览应用的大多数互联网高吞吐量应用(在这些应用中大多数流量从AP222b被发送到客户端装置214)，智能天线系统的高增益不仅确保封包被传输到客户端214，而且确保无线ACK和TCP-ACK被接收。
[0059]现在参考图3a，示例性AP302可包括:处理器312、电源318、天线316、有线通信链路314、无线连接接口 322 (例如，RF收发机、RF前端等)以及包括例如RAM310和R0M308的数据存储器。如图所描述的那样，AP302可通过空中无线链路(例如，经由802.11无线链路)与客户端320 (例如，无线设备)通信，以及经由有线通信链路314通过网络324与服务器326通信。服务器326大体上包括连接到数据存储器330的计算机328 (例如，基于处理器的设备)。
[0060]天线316可以是常规天线，或者更优选地，智能天线。有线连接314可被允许从服务器326接收具有序列号N的TCP封包，以及传递TCP-ACK到服务器326。无线连接322可被允许将TCP封包从服务器326经由AP302无线地传递到客户端320，以及通过例如连接到无线连接322的智能天线316从客户端320接收无线ACK(例如，802.11ACK)。在运行中，对来自客户端320的无线ACK的接收可被用于AP302，以触发将TCP-ACK传递到服务器326，从而增加效率。
[0061]现在参考图3b，两个如图3a所述的相同AP302a和302b被示成相互通信并且与至少一个客户端320通信。如图所示，AP302a不限于与客户端320无线通信，而是AP302a可以与另一个AP302b和/或客户端320无线通信。尽管AP302a和302b被示成与图3a的AP302相同，但是为了通信他们无需相同。事实上，由AP302a采集或创建的数据也可被传递到另一个AP302b、客户端320或者能够有线或无线通信的任何其他设备。在某些实施例中，除了天线316a和无线接口 322a之外或者取代天线316a和无线接口 322a，AP302a甚至可通过有线通信链路314a来与AP302b或客户端设备320进行通信。
[0062]图4是示出了示例性AP处理400的流程图，其中，无线ACK(例如，802.11ACK)可被用于经由例如TCP中继器来指示和触发TCP-ACK。AP处理通常由AP的处理器来进行，但是也可由与每个AP相关联的或者连接到每个AP的一个或更多个处理器来执行。AP处理开始于步骤402。在步骤404处，AP确定TCP封包是否已经经由例如TCP中继器被接收。如果TCP封包未被接收，则AP返回步骤402。然而，如果TCP封包已经被接收，则AP进到步骤404，在该步骤中封包和/或序列号在步骤422被处理。然后，AP可进到步骤406，在该步骤中AP使用例如802.11MAC/PHY无线部件来将接收到的TCP封包无线地发送到指定客户端。为了增强无线功能性，优选地，智能天线可被连接到该MAC/PHY无线部件。该智能天线可以是，例如(i)切换天线或者(ii)波束成形天线。在任意一种情况下，对来自客户端的无线ACK的接收或者来自客户端的无线ACK的SNR将会被改进。在步骤408处，AP确定无线ACK是否响应于接收到的TCP封包的传输而已经被从客户端接收。
[0063]如果AP未在预定的秒数内接收到无线ACK，则AP将返回步骤406并且尝试重新传输TCP封包。这一循环会重复直到(i)在步骤408处AP已经接收到ACK为止或者(ii)在步骤412处计时器已经发出“超时”标记信号为止。例如，当已经满足预设数量的传输尝试(例如，I至10次尝试，更优选地I至5次尝试，最优选地3至5次尝试)或者从初始传输起预设的持续时间已经超期时，计时器会发出超时标记信号。如果在步骤412处超时标记被表明，则AP返回步骤402处的开始位置。在某些实施例中，在步骤416处错误可以被标记，以表明AP未从确认一个或更多个封包的接收的客户端接收到ACK。错误可以被记录到例如数据文件和/或经由例如音频和/或视频接口或者其他合适的报警机制可以被呈现到AP用户。
[0064]如果在步骤408处AP已经接收到无线ACK，则在步骤410处TCP-ACK被返回到服务器以表明来自服务器的封包已经被AP所接收。这一技术基于以下假设:如果从客户端接收到无线ACK封包，则来自服务器的封包必须已经被AP所接收，因而可以在接收实际的TCP-ACK之前被确认，如上所述，这通过放慢或者停止传输直到确认被接收而通常延迟了处理。
[0065]一旦在步骤410处TCP-ACK已经被返回到服务器，AP就可返回到步骤402，在该步骤中处理可以通过例如另一数据封包传输来重复。然而，如果在步骤414处计时器发出超时标记信号，则处理可被终止。例如，当预定数量的封包已经被传输、预定的持续时间已经超期、所有的数据封包已经被传输和/或处理已经以其他的方式通过例如用户或者另一个系统或设备被终止时，计时器可发出超时标记信号。
[0066]如果在步骤414处超时标记被表明，则AP进到步骤418处的结束位置。然而，系统可在步骤420处被复位，从而使得AP返回步骤402。系统可通过例如软件、计时器和/或计数器来被自动地复位，或者通过用户或者另一个系统或设备来被手动地复位。
[0067]相应地，如图4所举例说明的那样，一种用于改善TCP信号接收的方法可包括以下步骤:404，从服务器接收TCP封包；422，处理所述TCP封包；406，将所述TCP封包无线地传递到客户端；408，从所述客户端接收无线ACK封包，其中，所述无线ACK封包表明所述TCP封包被所述客户端所接收；使用所述无线ACK封包以触发TCP-ACK封包从而确认所述TCP封包的接收；以及410，响应于所述触发将所述TCP-ACK传递到所述服务器。
[0068]尽管上述步骤可以由AP内的多个元件或部件来执行，但是很多功能优选地由TCP中继器来执行。例如，优选地使用TCP中继器部件来执行以下步骤:⑴接收TCP封包；(ii)在步骤422处处理封包和/或序列号；以及(iii)在步骤410处基于无线ACK的接收通过确认来进行应答。
[0069]上述引用的专利和专利公开全部作为本发明的参考。尽管参考元件、特征等的特定设置描述了各种实施例，但是其不用于穷尽所有可能的设置或特征，并且实际上许多其他的实施例、修改和变型对本领域技术人员而言是可确定的。因此，应当理解，可以以上述具体描述之外的方式来实践本发明。
【权利要求】
1.一种用于改善TCP信号接收的方法，包括以下步骤: 从服务器接收TCP封包； 处理所述TCP封包； 将所述TCP封包无线地传递到客户端； 从所述客户端接收无线ACK封包，其中，所述无线ACK封包指示所述TCP封包被所述客户端所接收； 使用所述无线ACK封包来触发TCP-ACK封包，以确认所述TCP封包的接收；以及 将所述TCP-ACK传递到所述服务器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线通信依照IEEE802.11标准。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤:使用智能天线以改善无线功能性。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述无线功能性包括:传递所述TCP封包和/或接收所述无线ACK封包。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述智能天线是切换天线；并且 通过在传输之后将切换波束保持在所述客户端处直到所述ACK被接收为止来优化所述切换波束，以改善所述无线ACK的接收和/或SNR。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述智能天线是波束成形天线；并且 通过在传输之后将波束保持在所述客户端处直到所述ACK被接收为止来执行波束成形，以改善所述客户端的无线ACK的接收和/或SNR。
7.一种用于改善TCP信号接收的系统，包括: TCP中继设备，其从服务器接收具有序列号N的TCP封包、处理所述TCP封包并且将TCP-ACK传递到所述服务器； 有线部件，用于允许所述TCP中继部件与网络之间的通信； 无线部件，用于将所述TCP封包无线地传递到客户端和从所述客户端接收无线ACK ；以及 智能天线，其连接到所述无线部件； 其中，对来自所述客户端的所述无线ACK的接收被用来触发所述TCP-ACK到所述服务器的传递。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述无线通信依照IEEE802.11标准。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述智能天线是切换天线，并且切换波束被优化，以改善所述无线ACK的接收和/或SNR。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述智能天线是波束成形天线，并且波束成形被执行，以改善所述客户端的无线ACK的接收和/或SNR。
11.一种具有改善的TCP信号接收的基于处理器的设备，包括: TCP中继设备，其从服务器接收具有序列号N的TCP封包、处理所述TCP封包并且将TCP-ACK传递到所述服务器； 有线部件，用于允许所述TCP中继部件与网络之间的通信； 无线部件，用于将所述TCP封包无线地传递到客户端以及从所述客户端接收无线ACK ；以及智能天线，其连接到所述无线部件； 其中，对来自所述客户端的所述无线ACK的接收被用来触发所述TCP-ACK到所述服务器的传递。
12.根据权利要求11所述的基于处理器的设备，其中，所述无线通信依照IEEE802.11标准。
13.根据权利要求11所述的基于处理器的设备，其中，所述智能天线是切换天线，并且切换波束被优化，以改善所述无线ACK的接收和/或SNR。
14.根据权利要求11所述的基于处理器的设备，其中，所述智能天线是波束成形天线，并且波束成形被执行，以改善所述客户端的无线ACK的接收和/或SNR。
15.一种具有改善的TCP信号接收的系统，包括: 处理器； 数据存储器； 有线连接，其从服务器接收具有序列号N的TCP封包、处理所述TCP封包并且将TCP-ACK传递到所述服务器； 无线连接，其无线地传递所述TCP封包到客户端以及从所述客户端接收无线ACK ；以及 智能天线，其连接到所述无线部件； 其中，对来自所述客户端的所述无线ACK的接收被用来触发所述TCP-ACK到所述服务器的传递。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述系统被进一步允许与其他基于处理器的系统进行通信。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述无线通信依照IEEE802.11标准。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述智能天线是切换天线，并且切换波束被优化，以改善所述无线ACK的接收和/或SNR。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述智能天线是波束成形天线，并且波束成形被执行，以改善所述客户端的无线ACK的接收和/或SNR。
【文档编号】H04W24/02GK103988537SQ201180075094
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2011年12月16日 优先权日:2011年12月16日
【发明者】罗兰·史密斯, 伟志·罗, 斯蒂芬·雷蒙特 申请人:贝拉尔网络公司