专利名称：一种无线局域网中接入点发送广播消息的方法
技术领域：
本发明涉及无线局域网的智能天线技术，具体涉及一种无线局域网中接入点使用固定波束智能天线发送广播消息的方法。
背景技术：
无线局域网是一种遵循国际电气和电子工程师协会(IEEE)802.11协议、以电磁波作为传输媒介的局域网。IEEE 802.11协议包括两个物理层标准802.11a和802.11b，它们的工作频段分别为2.4G和5G，支持的最高物理接口速率分别为11Mbps和54Mbps。802.11a和802.11b采用相同的媒体接入控制协议(MAC)。
无线局域网主要由插入无线局域网卡的终端和接入点组成。终端可以组成无中心点的对等(Adhoc)模式，也可以和接入点组成中心点转发的基础设施(Infrastructure)模式，并通过接入点与有线网络互联，图1示出了一种基础设施模式的无线局域网的基本结构。在这种结构中，接入点使用全向天线和终端进行通信。
无线局域网最初是针对室内、小范围应用环境而设计的，因此覆盖范围小，抗干扰能力弱。目前接入点和终端一般都采用全向天线，在规定的发射功率下，室内只能覆盖30米左右，室外覆盖100米左右。较小的覆盖范围和较弱的抗干扰性限制了无线局域网的进一步发展。
在这种情况下，为提高无线局域网的覆盖范围，人们考虑采用先进的智能天线技术。智能天线最初应用于雷达、声纳及军用通信领域。图2示出了智能天线技术的原理。其基本原理是通过给多个天线加权，在空间实现具有指向性的波束。并能够通过调整加权值，动态调整天线阵波束，以适应信号环境的变化，得到较好的无线传输效果。采用智能天线后，可以提高系统覆盖能力，同时降低对发射功放的要求。
目前的智能天线可以分为两大类固定波束智能天线和自适应智能天线。固定波束智能天线使用天线阵形成多个固定波束，选择最大增强信号的波束进行接收和发射；而自适应智能天线则能根据噪声、干扰、多径和移动用户分布调整天线方向图，能够在期望信号方向有较大的增益的同时，在强干扰方向形成空间的波束零点，从而提高信号质量。自适应智能天线能达到较好的效果，但实现较为复杂，固定波束智能天线虽然不是最优，但实现相对简单。
现有无线局域网和智能天线结合的方案一般都是将智能天线安装在终端侧，但由于目前技术水平的限制，终端侧实现智能天线成本高昂，产品不易推广，而且安装了智能天线的终端一般体积庞大，用户使用非常不方便。为了克服这个缺点，人们想到了将智能天线安装在接入点一侧。由于接入点由多个用户共用，成本分摊到单个用户上增加并不是很多，而且接入点体积偏大，对用户使用并不造成任何影响。因此接入点使用智能天线是更为合理的方案。
但是要将智能天线安装在接入点一侧，目前存在着下列困难1、广播数据难以处理由于智能天线在某一瞬时只能覆盖到周围的部分区域，而不能覆盖无线局域网中的所有终端。因此对于需要所有终端必须侦听到的广播信息，按照目前协议无法处理。在无线局域网中，信标帧(Beacon)是最为重要的广播信息，接入点和终端必须分别周期性地广播和接收，因此要将智能天线安装在接入点一侧，必须解决如何发送广播消息的问题。
2、主动发送的下行数据难以处理对于终端主动发起的数据传输，接入点可以根据终端发送的信号确定终端位置，从而确定发送下行数据的波束。但是，对于接入点主动发起的数据传输，由于没有终端位置这样的参考信号可以用来帮助选择波束，因此难以处理。
3、点协调功能难以处理在无线局域网的媒体接入控制协议中，接入点有一种点协调功能。在这种工作方式下，所有终端都不能主动发送数据，而是由接入点依次给终端发送一个用于轮询终端的CF_Poll帧。收到CF_Poll的终端如果正好有数据发送，才能开始发送。CF_Poll也属于接入点主动发送的下行数据，因此也难以处理。而且，当点协调功能结束时，接入点要发送一个表示无竞争阶段结束的广播帧CF_End，向所有终端宣告点协调功能的结束，而像前面介绍的那样，这个广播数据也难以处理。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种无线局域网中接入点使用固定波束智能天线发送广播消息的方法，以解决目前存在的广播消息难以处理的问题。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以解决的一种无线局域网中接入点使用固定波束智能天线发送广播消息的方法，固定波束智能天线在各个固定波束之间轮流切换，按照发送广播消息的周期轮流向各个波束覆盖范围内的终端发送广播消息。
在上述发送广播消息的方法中，固定波束智能天线在每一轮切换过程中可以选择一个波束向该波束覆盖范围内的终端发送广播消息。这种选择顺序可以按照波束排列顺序。
在上述发送广播消息的方法中，固定波束智能天线在每一轮切换过程中在所有波束向所有波束覆盖范围内的终端发送广播消息。这种广播消息可以是标志点协调功能开始的信标帧，可以是标志点协调功能结束的CF_End帧。
在上述发送广播消息的方法中，广播消息可以是普通的信标帧。
从本发明的技术方案可以看出，固定波束智能天线在每一个波束之间轮流切换的同时，按照发送广播消息的周期向位于当前切换到的固定波束内的所有终端发送广播消息，智能天线在循环切换的过程中，即循环发送广播消息，对于每一个终端来说，虽然它们接收广播消息并不完全同时，但是由于智能天线的扫描速度很快，并且由于无线局域网对终端接收广播消息时效性的要求相对无线通信系统等系统来说可以容许有稍微的降低，因此完全可以满足无线局域网的要求。同时，对于每一个终端来说，它接收广播消息的周期和接入点使用全向天线发送的情况相同，同样满足无线局域网的要求，因此这种方法有效地解决了广播消息难以处理的问题。
由于点协调功能中发送的CF_End帧实质上也是一个广播消息，完全可以采用本发明的上述方法进行发送，因此本发明也部分地解决了目前点协调功能难以处理的问题。
在本申请人另案申请的无线局域网中接入点发送下行数据的方法的专利申请中提出的技术方案，可以成功解决目前存在的下行数据难以处理的问题以及点协调功能中的CF_Poll帧难以处理的问题，因此和本发明相结合，可以完全解决现有技术中的三大难题，为将固定波束智能天线安装到无线局域网中的接入点并能正常运作扫清了障碍。
因此，在无线局域网中将固定波束智能天线安装在接入点一侧成为可能，这样和使用全向天线相比，扩大了无线局域网的覆盖范围，避免了终端成本过高、体积过大的缺点。使用这种方法，只需对接入点的MAC层进行适当修改，而终端的MAC层不需要任何改动，因此易于实现。
图1是现有技术中接入点使用全向天线和终端通信的示意图；图2是现有技术中智能天线的工作原理示意图；图3是本发明的接入点使用固定波束智能天线和终端通信的示意图；图4是智能天线的基本工作方式示意图；图5是本发明发送信标帧的第一种方法的时序示意图；
图6是本发明发送信标帧的第二种方法的时序示意图；图7是本发明发送下行数据的第一种方法的时序示意图；图8是本发明发送CF_Poll消息的第一种方法的时序示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
在将固定波束智能天线安装在AP上的无线局域网系统中，终端仍然使用现有的全向天线，AP使用固定波束智能天线和终端进行通信，在图3中可以看出，无线局域网中的每一个终端位于固定波束智能天线的固定波束的覆盖范围内，AP通过终端所在的波束和终端通信。固定波束智能天线的固定波束可以根据实际情况在360度范围内进行划分，所有的固定波束组合在一起即可覆盖整个无线局域网的区域。
根据固定波束智能天线的工作原理可知，固定波束智能天线发送数据时在某一个时刻只能覆盖部分区域，在接收数据时一个时刻可以同时覆盖整个区域。AP的基本工作过程是在接收数据时，同时从多个波束接收，选择信号质量最好的波束接收；在发送数据时，各个固定波束中顺序快速切换，也就是在第一个时刻用波束1覆盖波束1可以到达的区域，在第二个时刻用波束2覆盖波束2可以到达的区域，如此循环往复，即可以覆盖周围的整个区域，这个过程如图4所示。在图4中，有两个终端需要和AP通信，AP在快速切换的过程中会在不同时间覆盖到这两个终端，从而可以向终端发送消息。
下面介绍AP向终端发送广播消息和下行数据的方法。
首先以信标帧为例说明AP如何向所有终端发送广播消息。在现有技术部分已经提到过，信标帧是无线局域网中非常重要的广播消息，AP需要周期性地向所有终端发送信标帧。而由于AP在固定波束之间轮询时在某一个时刻只能覆盖部分区域，为了不影响终端使用，需要对全向天线情况下信标帧的发送方式进行修改。下面提出了三种AP使用固定波束智能天线发送广播消息的方法，均以信标帧为例进行说明。
发送广播消息的方法1图5示出了AP使用固定波束为4个的智能天线发送信标帧的第一种方法的时序示意图。如图5所示，AP仍然周期性地发送信标帧，只是每次发送时选择不同的波束。在图5中，AP首先在第一轮扫描中选择波束1发送一个信标帧，在其他波束不发送，然后在第二轮扫描中选择波束2发送一个信标帧，同样在其他波束不发送，这样经过四轮扫描后，位于每个波束覆盖范围内的终端都将收到一个信标帧。随后，AP再以同样的方式循环往复，在时隔预定周期后的四轮扫描中发送另一个信标帧。
在这种方法中，如果AP发送信标帧的周期为T，则对于每个波束覆盖下的终端来说，实际接收的信标帧的周期为n×T，这里的n代表波束总数。因此使用这种方法时需要在协议中修改表示AP发送信标帧周期的参数aBeaconPeriod为n×T。
发送广播消息的方法2图6示出了AP使用固定波束为4个的智能天线发送信标帧的第二种方法的时序示意图。如图6所示，当需要发送信标帧时，AP不像方法1中那样在一个扫描轮次内只选择一个波束发送一个信标帧，而是在一个扫描轮次内同时在所有的4个波束中分别发送4个信标帧。然后在时隔周期T后，再同样地在一个扫描轮次内同时在所有的波束发送信标帧。如果采用这种方法，每一个终端接收信标帧的周期依然为T，则不需要修改参数aBeaconPeriod的设置，但是需要对现有信标帧发送方式进行修改，因为在目前的无线局域网中只需要发送一个信标帧，而使用这种方法时需要发送和固定波束数量相对应的信标帧。
发送信标帧的方法3在这种方法中，可以在AP增加一个现有的全向天线，利用全向天线以和现有技术相同的方法发送信标帧。使用这种方法虽然需要增加一个全向天线，但是这种方法实现起来更加简单。
上面以发送信标帧的三种方法为例介绍了本发明如何向终端发送广播消息。需要说明的是，对于对时效性要求较高的广播消息，也就是要求在发送时所有终端都能接收到的广播消息，例如标志PCF阶段开始的信标帧和标志PCF结束的CF_End帧，则只能采用上面介绍的方法2或者方法3，因为在方法1中不同终端接收广播消息的时间间隔相对较大，不适于对时效性要求较高的情况。
下面说明在本发明中AP如何向特定终端发送下行数据。本发明同样提出了三种发送下行数据的方法。
发送下行数据的方法1图7示出了发送下行数据的时序示意图。在这种方法中，AP需要先确定并存储每个终端的位置信息，也就是覆盖该终端的波束的编号。例如波束3覆盖STA1，则记录STA1的位置是波束3，如果波束1覆盖STA2，则记录STA2的位置是波束1。终端在开机时会向接入点发送一个连接请求信息，接入点通过该连接请求信息即可确定用户的位置信息并将该位置信息存储在接入点的存储器中，这样就得到了终端的初始位置信息。这里的存储位置信息过程对于本领域技术人员来说是熟知的技术，在此不再进行具体说明。AP每一次同终端进行通信后，都用终端当前的波束号更新这个位置信息。
在记录了特定终端的位置信息后，AP向该终端发送下行数据时，首先用记录终端位置信息的波束发送一个RTS帧，也就是对于STA1，首先用STA1当前的位置信息波束3发送一个RTS帧，如果STA1现在位于波束3的覆盖范围内，则会向AP返回一个CTS帧。这里的RTS帧和CTS帧都是无线局域网中定义的控制帧，RTS帧用于数据发送端在发送数据之前发给接收端，CTS用来回应RTS帧。AP在接收到来自终端的CTS帧之后，即可确认该终端位于波束3的覆盖范围内，然后利用波束3发送下行数据，并在发送完成后接收由终端返回的ACK帧。
如果STA1现在没有位于波束3的覆盖范围内，AP在规定时间ACK_Timeout内没有收到来自STA1的CTS帧，则依次在其他波束中发送RTS帧，直到接收到STA1的CTS帧为止。这里发送RTS帧的顺序是距离当前波束由近及远，例如固定波束一共有5个，当前波束是波束3，则可能按照3-2-4-1-5的顺序进行RTS帧的发送。
需要说明的是，在无线局域网使用的原有协议中MAC层规定只有发送数据长度大于一个特定值时才使用RTS/CTS机制，而在这种方法中修改了这个设置，对于所有的下行数据无论长短都要使用RTS/CTS机制。
发送下行数据的方法2这种方法和发送下行数据的方法1中的前半部分相同，也就是AP需要先存储每个终端的位置信息。AP向某个终端发送下行数据时，首先用记录终端位置信息的波束发送一个RTS帧，如果接收到终端返回的CTS帧，则利用当前波束发送下行数据，并在发送完成后接收由终端返回的ACK帧。如果该终端现在没有位于当前波束的覆盖范围内，AP在规定时间ACK_Timeout内没有收到来自终端的CTS帧，则按照不同于方法1的如下步骤进行。
如果AP在规定时间内没有收到CTS回应，即认为终端处于省电模式，将用户数据缓存，并将业务指示映射信息(TIM)中对应该用户的表示用户的标记AID置位。由于TIM包含在每个信标帧中，因此特定终端通过解析信标帧将发现有自己的缓存数据，然后该终端给AP发送一个Ps_Poll帧。AP收到来自特定终端的Ps_Poll后，即可获取用户位置信息，然后在响应帧中将数据发送给该终端。
需要说明的是，这种方法和现有的无线局域网的协议有所区别。在现有协议中，AP只为处于省电模式的终端缓存数据。而终端是否进入省电模式，由终端在发送的数据帧中标识。终端只有在省电模式下，才解析信标帧中的TIM域，以确定是否有缓存数据。而这种方法要求AP在不能确定下行波束的情况下都缓存数据，而且要求终端不管处于什么状态都要解析TIM的相关信息，如果有该终端的缓存，该终端通过发送Ps_Poll帧得到。这种修改是通过修改MAC层相应设置来得到的。
发送下行数据的方法3在AP增加一个全向天线，并利用全向天线向特定终端发送一个RTS帧，该终端在收到这个RTS帧之后向AP返回一个CTS帧，AP根据终端返回的CTS帧确定终端位置，也就是终端所在波束号，然后利用这个波束向特定终端发送下行数据。
上面介绍了AP向特定终端发送下行数据的方法。在现有技术部分还提到了无线局域网使用的点协调功能，它其实包括两个部分，那就是在点协调功能开始时，AP需要向特定终端发送一个表示点协调功能开始的CF_Poll帧，而在点协调功能结束时，AP需要向所有终端发送一个表示点协调功能结束的CF_End帧的广播消息。因此可以看出，点协调功能的使用实际是结合了AP向所有终端发送广播消息和向特定终端发送下行数据消息的两个过程。
AP发送CF_Poll帧可以采用发送下行数据的方法1进行处理，也就是首先根据所记录的特定终端的位置信息，选择相应波束发送CF_Poll帧。如果没有得到终端的回应，则AP在各个波束轮流发送CF_Poll帧，这里波束轮询的顺序可以是由近及远，直到在某一个波束发送时收到终端的响应，完成数据传输，向终端发送一个CF_ACK帧，然后再按照同样的方法向下一个终端发送下一个CF_Poll帧，图8是其时序示意图。从图8中可以看出，AP在波束1和波束2都没有收到终端回应，而在波束3收到了STA1的回应，从而完成了和STA1的数据传输。
除了可以采用发送下行数据的方法1之外，AP发送CF_Poll帧也可以采用发送下行数据的方法3。此时，AP在一开始就使用全向天线向所有终端进行全向发送，然后根据终端的响应信息确定终端所在的波束位置，然后直接用终端所在的固定波束接收来自用户的数据。
由于无线局域网要求在使用点协调功能时所有终端都能迅速接收来自AP的CF_Poll帧，因此不适合使用发送下行数据的方法2。因为在方法2中，如果没有在规定时间内接收到来自终端的响应，则缓存数据并通过信标帧发送TIM，这样终端接收到该信标帧并解析出TIM之后在时间上将不能满足系统要求，因此对于点协调功能来说，不适宜于使用这种方法。
CF_End帧是一种广播帧，其发送方法和发送广播消息并没有什么不同。但是由于无线局域网对它具有较高的时效性要求，也就是在AP发送该帧时要求所有终端必须接收到，因此不能采用发送广播消息的方法1，而只能采用发送广播消息的方法2或方法3，具体的发送方法在前面已经进行了详细介绍，因此这里不再赘述。
本发明提出了将固定波束智能天线安装到接入点一侧之后的一系列解决方案，通过使用每一种方法中的任意一种，即可解决相应的技术难题。可以理解，可以采用的具体的发送数据和接收数据的方法并没有全部罗列于说明书中，因此上述只是对本发明精神的具体说明，而不用以限制本发明。
权利要求
1.一种无线局域网中接入点使用固定波束智能天线发送广播消息的方法，其特征是，固定波束智能天线在各个固定波束之间轮流切换，按照发送广播消息的周期轮流向各个波束覆盖范围内的终端发送广播消息。
2.根据权利要求1所述的发送广播消息的方法，其特征是，固定波束智能天线在每一轮切换过程中选择一个波束向该波束覆盖范围内的终端发送广播消息。
3.根据权利要求2所述的发送广播消息的方法，其特征是，所述在每一轮切换过程中选择一个波束发送广播消息是按照波束排列顺序进行选择。
4.根据权利要求1所述的发送广播消息的方法，其特征是，固定波束智能天线在每一轮切换过程中在所有波束向所有波束覆盖范围内的终端发送广播消息。
5.根据权利要求4所述的发送广播消息的方法，其特征是，所述广播消息是标志点协调功能开始的信标帧。
6.根据权利要求4所述的发送广播消息的方法，其特征是，所述广播消息是标志点协调功能结束的CF_End帧。
7.根据权利要求1所述的发送广播消息的方法，其特征是，所述广播消息是信标帧。
全文摘要
本发明公开了一种无线局域网中接入点使用固定波束智能天线发送广播消息的方法，包括固定波束智能天线在各个固定波束之间轮流切换，并按照发送广播消息的周期轮流向各个波束覆盖范围内的终端发送广播消息。其中固定波束智能天线可以在每一轮切换过程中选择一个波束发送广播消息，也可以在每一轮切换过程中在所有波束发送广播消息。使用本发明有效地解决了目前将固定波束智能天线安装到接入点时存在的难以处理广播消息的困难，有利于智能天线在无线局域网中得到进一步的应用，从而提高了无线局域网的覆盖范围，扩大了无线局域网的工作能力。
文档编号H04L12/16GK1518287SQ0310051
公开日2004年8月4日 申请日期2003年1月15日 优先权日2003年1月15日
发明者李永茂 申请人:华为技术有限公司