专利名称：无线网络媒体存取控制(mac)协议的切换方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一网络媒体存取控制(Media Access Control，MAC)的协议切换方法与装置；尤指在一基础式(infrastructure)无线局域网络的架构下提供一种切换装置，让网络内所有的移动式工作站皆可透过此装置的协调与控制，在不同的频道上相互传输资料，而让网络频宽的利用得以增加。
背景技术：
美国电子电机工程学会(Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，IEEE)，于802计划中组成的802.11研究小组所制定的国际无线局域网络标准，关于无线局域网络的运作模式方面可概分为基础式无线局域网络(Infrastructure WLAN)与非基础式的无线局域网络(Ad HocWLAN)。于本案发明所提供的装置与方法，正可适用于前述的基础式无线局域网络。
在目前已知的基础式无线局域网络内，其移动式无线工作站与网际网络(internet)之间，或与网络内的其它无线工作站之间的数据传输是利用一存取点(Access Point，AP)以单频道运作模式(single channel mode)提供转接的功能；换言之，所有移动式无线工作站是在该存取点AP所选定的固定的共享频道(common channel)上进行互握(hand-shaking)、交换资料与转送的工作。
如图1所示，前述已知的基础式无线局域网络的数据传输方式包括一、首先传送端工作站(STA-A)送出一要求传送的控制讯框(RequestTo Send，RTS)给存取点(AP)以竞争频道使用权；二、当存取点AP正确地收到RTS控制讯框后，立即回应允许传送的控制讯框(Clear To Send，CTS)给传送端工作站(STA-A)并请它送出资料讯框(Data Frame)到存取点(AP)；三、当资料讯框收取无误时，存取点(AP)回复一确认的控制讯框(ACK)给传送端工作站(STA-A)，知会此数据传输的正确性并结束这次传送过程；且四、当资料目的地为有线网络(10)时，存取点(AP)将此资料转送至有线网络接口；反之，若存取点(AP)依上述程序将来自传送端工作站(STA-A)的资料转送至无线网络内部工作站(STA-B)。
在数据链结层方面局域网络(LAN)的通信协议的数据链结层由媒体存取控制(Media Access Control，MAC)及逻辑链接控制(Logical LinkControl，LLC)两个部分构成。其中媒体存取控制(MAC)是一局域网络的通信协议的核心，可由网络适配卡(Network Interface Card)负责，而逻辑链接控制(LLC)则由LAN驱动程序(LAN Driver)负责。
在实体层(Physical Layer)方面依据目前IEEE 802.11的无线局域网络规格，其OSI参照模式的实体层(Physical Layer)传输规格可概分为IEEE 802.11b及IEEE 802.11a等两种；其中IEEE 802.11b资料速率(datarate)包括1，2，5.5及11Mbps；使用的频带介于2.4GHz至2.4835GHz之间，此频带又被划分为14个部分重叠的频通信频道，有鉴于这些频道之间可能相互干扰(interference)，故至多有三个互斥频道可同时同使用以避免产生干扰问题。
相对地，IEEE 802.11a资料率(data rate)也包括6、12、18、24、36、48及54Mbps等范围，且其使用频带为5.15GHz至5.35GHz与5.725GHz至5.825GHz，其中可用的频道有12个之多。然在，在习知技术的IEEE 802.11无线局域网络规格下，基础式(infrastructure)无线局域网络与无基础式Ad Hoc无线局域网络内都只能选定一个固定不变频道作为数据传输用途，其它可用的频道则处于闲置状态(idle)，徒然造成无线网络频道的浪费，是长期存在的缺点。
这种频宽浪费的现象经常发生于家庭与中小企业无线网络中，然而此类型网络的应用却又占无线局域网络市场相当高的比例。因此本案发明的目的在于不变更习知IEEE 802.11无线局域网络规格定义架构下，首先提出可倍增所有无线网络工作站(STAs)之间可使用的无线频道频宽、节省数据传输时间及产生更大的并行传输量的通讯协议方法。
发明内容
本发明是一种无线局域网络媒体存取控制MAC(Media AccessControl)协议的切换方法及装置，包括一有线网络接口、一无线网络接口、一存储元件及一运算单元，利用其有线网络接口与一有线网络交换信号，同时利用其无线网络接口与外界其它无线网络工作站以无线通信的方式交换信号，借此使切换装置成为一有线网络与无线网络工作站之间的存取点(Access Point，AP)；其特点在该存储元件中设置一频道使用状态表及一多频道传输模式状态表，借以记录所有无线网络工作站之间的传输状态与所有频道使用及频道释放时间，并提供相关工作站控制封包(内含使用的频道与时间信息)而使其能于设定的时间内自一共享频道切换至一指定的数据频道(data channel)上进行资料并行传输，借此装置及频道切换方法可执行两种无线切换(wireless switch)通讯协议的运作方式第一种、为双方交握式协议适用于无线网络工作站之间无障碍及无干扰的环境下进行；及第二种、为三方交握式协议适用于无线网络工作站(STAs)间距离过远或有障碍与有干扰的环境下进行。
图1为一已知的传统无线网络的示意图，其中在两工作站之间正在进行一单频道模式的数据传输；图2为本发明的切换装置的结构方块示意图；图3是本案无线网络内两工作站间双方交握式多频道模式传输示意图；图4是本案无线网络内两工作站间三方交握多频道模式传输协议传输示意图；图5是本案WSMP适用于无障碍环境下双方交握式控制讯框传送时序示意图；图6是本案WSMP适用于有障碍环境下三方交握式控制讯框传送时序示意图。
图号说明10有线网络20切换装置21有线网络接口装置22无线网络接口装置23存储装置2301频道使用状态表2302多频道传输模式状态表24运算装置
STA-A 传送端工作站STA-B 接收端工作站RTS 要求传送的控制讯框CTS 允许传送控制讯框ACK 确认的控制讯框M-RTS 多频道的要求传送控制讯框M-RTS1 第一种型别的多频道的要求传送控制讯框M-RTS2 第二种型别的多频道的要求传送控制讯框M-CTS 多频道的允许传送控制讯框具体实施方式
敬请参阅图2，本发明的媒体存取控制MAC协议的切换装置20可由一电脑或一单晶片构成，只要令其中包括一有线网络接口装置21、一无线网络接口装置22、一存储装置及一运算装置。其目的是利用其有线网络接口装置21与一有线网络10进行信号的交换，同时利用其无线网络接口装置22与外界其它无线网络工作站以无线通信的方式交换信号，借此使切换装置20成为一有线网络与无线网络工作站之间的存取点(Access Point，AP)。
本发明的特点在于该存储装置23中设有一频道使用状态表2301及一多频道传输模式状态表2302，借以记录所有无线网络工作站之间的传输状态与所有频道使用及频道释放时间，并提供相关工作站控制封包(其中内含使用的频道与时间的信息)而使其能于设定的时间内自一共享频道切换至一指定的数据频道(data channel)上进行数据并行传输。
实施例一如前述，本发明的装置及方法可在所有无线网络工作站间无障碍及干扰条件下，本案可根据IEEE 802.11基础式无线网络的双方交握无线切换MAC协议方法进行通信，请参酌于图3及图5所绘示，其中讯框的传送步骤可包括(a)、利用本发明的切换装置20于所有无线工作站之间建构一智能型存取点AP；(b)、于该切换装置20的存储装置23建立一频道使用状态表2301，借以纪录所有频道的闲置时间；(c)、于传送端工作站(STA-A)传送一多频道的要求传送控制讯框(M-RTS)给切换装置20；(d)、该切换装置20听取此M-RTS后，利用其运算装置24查询频道使用状态表2301内所有频道闲置时间并找出最早闲置的频道；(e)、该切换装置利用其无线网络接口装置22传送一多频道的允许传送控制讯框(M-CTS)至所有工作站(包含接收端工作站)，此M-CTS控制讯框可包括AP所指定的闲置频道与起始时间的记录；而(f)、当发送端工作站(STA-A)与接收端工作站(STA-B)接收到该M-CTS时，则于设定时间点切换至指定资料频道(data channel)作数据并行传输。
较佳者，令切换装置20构成一智能型存取点AP，并设定一固定的共享频道(common channel)作为所有无线工作站进行竞争以取得传送权；若数据传输的目的地为无线网络内的工作站时，数据传输会利用其它的资料频道以释放共享频道的资源。同时，此公用频道可提供其它无线工作站传输资料至有线网络10之用。
较佳者，其中建于该智能型存取点AP内的频道使用状态表2301是用以记录所有工作站间的频道使用及频道释放时间等状态。每次进行频道与时间点的选择可经由查表计算出最佳的频道与适当的频道使用时间。
较佳者，经由此发明的无线切换媒体存取控制(MAC)协议的切换装置20，无线网络工作站间的数据传输可直接传送与接收，借以避免资料老是经由存取点AP转送所造成的额外频道竞争与碰撞，徒然消耗网络频道资源。
实施例二在有障碍或干扰的情况下，本案亦可改为三方交握的无线切换MAC协议切换，请参酌于图4及图6所绘示，其中讯框的传送步骤可包括(a)、利用本发明的切换装置20于所有无线工作站之间建构一智能型存取点AP；(b)、于该切换装置20的存储装置23建立一可判别任两个无线工作站之间多频道传输模式状态表2302与一频道使用状态表2301以纪录所有频道闲置时间；(c)、该传送端工作站(STA-A)先传送第一种型别的多频道要求传送控制的讯框(M-RTS1)予切换装置20，如果切换装置20的状态表中纪录传送端工作站(STA-A)与接收端工作站(STA-B)之间的传输品质可以直接传送时，则该存取点AP传送第二种型别的多频道要求传送控制讯框(M-RTS2)给接收端工作站(STA-B)与传送端工作站(STA-A)，此M-RTS2控制讯框含有取自频道端使用状态表计算取得的资料频道与使用时间的资料；反之，若切换装置20的多频道传输模式状态表2302纪录此传送端与接收端无法使用多频道传送，则会在接收到M-RTS1控制讯框后即刻回复标准CTS控制讯框给传送端工作站(STA-A)并要求它直接传送资料给切换装置20，恢复原始IEEE所订的传送模式；(d)、当该接收端工作站(STA-B)接收到切换装置20所传送的第二种型别的多频道要求传送控制讯框(M-RTS2)时，传送一多频道允许传送的控制讯框(M-CTS)至该传送端工作站(STA-A)予以确认，在此同时，切换装置20亦会听取此M-CTS控制讯框，并据此修正其频道使用状态表；然而若该接收端工作站(STA-B)只接收到来自切换装置20所传送的M-RTS2)而遗漏自传送端工作站(STA-A)传送的M-RTS1时，则回复CTS给切换装置20以通知其发生隐藏节点(hidden-node)的情况，使之记录于多频道传输模式状态表2302中；在此之后，切换装置20构成的存取点AP便回复CTS控制讯框给传送端工作站(STA-A)要求它直接传送资料给存取点AP，如IEEE所订原始模式；(e)、当传送端工作站(STA-A)收到M-CTS，即表示与接收端工作站(STA-B)之间已经互握(hand-shaking)成功并于切换装置20设定的时间切换至其它指定资料频道(data channel)传送数据。
较佳者，于切换装置20所构成的存取点AP内设定一所有站共享频道(common channel)，供无线网络内的无线工作站间作竞争取得传送权的用，然后以多频道模式(multi-channel mode)于所设定的时间切换至其它指定资料频道(data channel)进行无线传输数据，或当传送端与接收端间无法直接传送时，可改采单频道模式作固定单一频道数据传输的控制中心。
较佳者，其中当所有工作站间有障碍物时，M-RTS1是自传送端工作站(STA-A)传送至切换装置20，并且利用运算装置24将的与存储装置23的传输模式表比对，借以决定是否可以多频道模式(multi-channel mode)运作；若其结果是能以多频道模式运作时，则以无线网络接口22同时送出M-RTS2至所有工作站；否则，送出IEEE原始所订的CTS控制讯框至传送端工作站(STA-A)，使恢复为传统资料传送模式。
较佳者，其中当两个工作站间有障碍物存在时，则令接收端工作站(STA-B)送出标准传输确认控制讯框(CTS)切换装置20，并回送至传送端工作站(STA-A)，这时传送工作站(STA-A)须回到单频道模式(single-channel mode)运作，其资料将经由切换装置20所构成的存取点AP转送至接收端工作站(STA-B)。
当然，若两工作站间有其它无法直接传送的状况发生时，亦可以周期更新该智能型存取点AP的内建工作站间传送模式表，进而重新尝试以多频道模式运作以提升网络效能。因此，本案所提的方法与装置，适用于IEEE 802.11基础式无线网络的双方交握(适用于无障碍与干扰环境下)与三方交握(适用于有障碍或干扰环境下)无线切换MAC通信模式。
请同时参考图4及图5，由此两图可以了解本案发明在传送端工作站、接收端工作站与智能型存取点AP间在无障碍干扰(使用双方交握方式)与存在障碍干扰(使用三方交握方式)的情况下无线网络内部多频道传输的MAC协议方法。
综合以上说明，可知本案发明是一种符合IEEE 802.11无线网络规格定义的有基础式无线局域网络的无线切换MAC协议方法，亦即一种在该WSMP架构下可有效倍增频宽、节省数据传输时间及产生更大的并行传输量的方法。
权利要求
1.一种无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换方法，其步骤包括(a)设置一智能型存取点AP于若干无线工作站之间；(b)内建一频道使用的状态表于该智能型存取点AP；(c)内建一可判别工作站间多频道传输模式的状态表(即纪录任两部工作站间是否互为隐藏(hidden)工作站)于该智能型存取点AP；(d)选择在一双方交握式的无线切换协议中，于一传送端工作站传送一多频道的要求传送控制的讯框(M-RTS)予该智能型存取点AP，并于该智能型存取点AP的频道使用表中找到最佳的频道与使用时间并利用广播传送讯框(M-CTS)至所有工作站；或(e)选择在一三方交握式的无线切换协议中，于一传送端工作站传送一第一种型别的第一种型别的多频道的要求传送控制讯框(M-RTS1)子该智能型存取点AP，并于该智能型存取点AP的工作站间多频道传输模式表中决定是否使用多频道模式传送；若可行，再从频道使用表中找到最佳的频道与使用时间并传送一第二种型别的多频道的要求传送控制讯框(M-RTS2)至所有工作站，当接收端工作站接收到该智能型存取点AP所传送的该M-RTS2时则回传一多频道的允许传送控制讯框(M-CTS)至该传送端工作站予以确认；(f)如传送端工作站及接收端工作站互握(hand-shaking)成功则于设定时间切换至其它指定频道传送资料。
2.根据权利要求1所述的无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换方法，其中该智能型存取点AP是与一有线网络连接，并且为于该无线网络内部所有无线工作站间作多信道无线传输的控制中心。
3.根据权利要求1所述的无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换方法，其中该无线工作站间多信道传输模式表是为内建于该智能型存取点AP，并是用以记录任意两部工作站(STAs)之间是否可进行多频道模式传输。
4.根据权利要求1所述的无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换方法，其中该频道使用状态表是为内建于该智能型存取点AP，并用以记录所有频道的使用情形及频道释放时间。
5.根据权利要求1所述的无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换方法，其中该多频道要求传送控制讯框(M-RTS)是自该传送端工作站传送至该智能型存取点AP，并又经由该存取点AP决定使用的频道与时间后，传送该多频道的允许传送控制讯框(M-CTS)通知传送端与接收端工作站。
6.根据权利要求1所述的无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换方法，其中该第一种型别的多频道的要求传送控制讯框(M-RTS1)是自该传送端工作站传送至该智能型存取点AP，并经由该智能型存取点AP查询内建工作站间多信道传输模式表以决定是否可以多频道模式(multi-channel mode)运作与决定使用的频道与时间，如该智能型存取点AP判断出可以多频道模式进行则送出该第二种型别的多频道的要求传送控制讯框(M-RTS2)至所有工作站；当该接收端工作站接收到M-RTS2后回传该多频道的允许传送控制讯框(M-CTS)，借此通知该传送端工作站进行切换频道与数据传输。
7.根据权利要求1所述的无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换方法，其中该多频道传输确认控制讯框(M-CTS)是用以确认任意两工作站间是否可以多频道模式(multi-channel mode)运作，若为肯定的确认结果，即表示相关的工作站之间可于设定时间自共享频道切换至其它指定频道进行资料并行传输。
8.一种无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换装置，至少包括一有线网络接口装置，供该切换装置与一有线网络进行信号或讯框的交换；一无线网络接口装置，供该切换装置与外界其它无线网路工作站以无线通信的方式交换信号或讯框；一存储装置，是内建一频道使用状态表及一可判别该其它无线网络工作站之间的多频道传输模式的状态表(即纪录任两部工作站间是否互为隐藏(hidden)工作站)于该智能型存取点AP；及一运算装置，用以比对该多频道传输模式的状态表，借以确认任意两工作站间是否可以多频道模式(multi-channel mode)运作，而透过该无线网络接口装置对外发出相对的信号或讯框。
9.根据权利要求8所述的无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换装置，是于一电脑内建该频道使用状态表及该多频道传输模式的状态表所构成。
10.根据权利要求8所述的无线网络媒体存取控制(MAC)协议的切换装置，是由一单芯片(Single Chip)内建该频道使用状态表及该多频道传输模式的状态表所构成。
全文摘要
一种无线局域网络媒体存取控制MAC(Media Access Control)协议的切换装置，包括一有线网络接口、一无线网络接口、一存储元件及一运算单元，利用有线网络接口与一有线网络交换信号，同时利用无线网络接口与外界其它无线网络工作站以无线通信的方式交换信号，借此使切换装置成为一有线网络与无线网络工作站之间的存取点(Access Point，AP)；其特点在存储元件中设置一频道使用状态表及一多频道传输模式状态表，以记录所有无线网络工作站之间的传输状态与所有频道使用及频道释放时间，并提供相关工作站控制封包而使其能于设定的时间内自一共享频道切换至一指定的数据频道(data channel)上进行资料并行传输，借此，可倍增所有无线网络工作站之间可使用的无线频宽、节省数据传输时间及产生更大的并行传输量。
文档编号H04L12/28GK1525695SQ0310533
公开日2004年9月1日 申请日期2003年2月24日 优先权日2003年2月24日
发明者许献聪 申请人:许献聪, 威播科技股份有限公司