专利名称：无线网络接入系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线数据通信；更具体地讲，本发明涉及无线数据通信中采用的网络接入协议。
本申请涉及(i)与本申请同日受理的序号为08/543101的待审专利申请，此待审专利申请是由Weijia Wang等人提出的，名称为“无线个人移动终端”并且也转让给通用无线通信公司(General Wireless CommunicationCorperation)，其代理案号为M-3458-US，和(ii)与本申请同日受理的序号为08/542860的待审专利申请，此待审专利申请是由Weijia Wang提出的，名称为“双向无线数据网络”，并且也转让给通用无线通信，其代理案号为M-3455-US。在此一并作为参考。
在无线通信网络中，信道中的所有参与者共享作为网络资源的无线电信道。为了具有高的利用率，并保证给予所有参与者平等的信道接入机会，已经开发了多种网络接入协议。典型情况是，信道接入协议越复杂，可以实现的信道利用率越高。但是，信道接入协议越复杂，为实施此协议所需的收发机和软件就越复杂。结果，信道接入协议的合理选择包括使有限的资源相对于一定的造价限制最佳化。
在无线信道接入协议中，ALOHA协议是其中最简单的。在ALOHA协议下，每一参与者一旦具有要发送的消息就可在信道上发送。消息的接收者在成功接收到所发射的信息时发送一个确认收到消息。第一消息的发送者等待这个确认收到信息，如果在预定时间周期之后未接收到这个确认消息，发送者就假定第一个信息没有被成功接收，并且会重发第一消息。因为每一参与按其意志发射，所以当两个或多个参与者同时想要发射时，就会发生冲突。因此，在ALOHA协议下，对于大量的信道参与者而言，期望的最大信道利用率为18％。
通过冲突防止措施可以实现较高的信道利用率。使用冲突防止措施的一个信道接入协议是载波检测多址访问(CSMA)协议。在基本的CSMA协议下，具有要在公用信道上发送的信息的发射台首先“收听”信道上的活动，如果检测到活动(即另一个参与者正在发射)，那么在再次要发射之前，发射台“退避(back off)”一定时间周期。基本CSMA协议的主要优点是降低了重发的需要，因为冲突的情况很少。CSMA允许信道利用率达到50％。但是，尽管CSMA实现了较高的信道利用率，CSMA需要更复杂的硬件来实施。
在无线数据网络中的网络接入协议可以决定无线数据网络的总带宽。例如，在蜂窝式数字包数据(CDPD)系统中，大量的蜂窝化基站分布于全部服务区域中。使服务区域蜂窝化提供了两个优点(i)允许移动单元和基站以较高的数据速率和较低的功率发射，因为移动基站和附近的基站之间的期望距离是短的；和(ii)提供了较大的容量，因为以足够大的距离分开设置的基站可以采用相同的无线电信道。这种系统由此提供了很高的容量、低的响应延迟，并且允许移动单元以较高的数据速率发射。在这种系统中，也可以提供双向对称的和可靠的数据链路。但是，这种系统是昂贵和复杂的。
在CDPD系统中，由于是在数据通信会话的整个时间段内维持的，为允许多个会话同时维持，必需提供多个信道。为了确定信息的接收方移动单元的位置，网络从服务区域中的所有基站播发接收方移动单元的地址，直到接收单元响应为止。因此，大量的网络资源用于定位移动单元。另外，为维持连续的连通性并允许实时运行，当会话建立时，CDPD单元和与其通信的基站相联系。此外，由于移动基站可以期望用于移动的车辆中，在会话的时间段中，移动单元移出最初联系的基站的服务范围并移入一个或多个这种基站的服务范围是可能的。这样就必需采取措施使其脱离联系的基站并在会话期间接通另外的一个或多个基站(“脱手”)。用于维持包括典型的任务“连通性管理”和“移动性管理”的CDPD会话的控制机构包含复杂的算法，这些算法需要高性能计算机来处理会话的建立、会话的维持、以及对通信移动单元当其在蜂窝式基站的服务区域之间移动时进行跟踪。该系统的复杂性要求大量投资于昂贵的设备。通常，这些控制机构是集中的，即，设有一个大的网络交换或控制中心来处理一个给定的服务区域内的移动单元，这样，在有大量数据话务量的时候，网络控制中心可能成为瓶颈，将不需要的等待时间(latency)引入系统。
CDPD系统的另一主要缺点是，为接收信息，它要求移动单元的接收机必须始终处于开启状态以接收消息。结果，就目前而言，这种移动单元需要相对于移动应用来说不希望的过于笨重的电池，在这种移动单元中要提供节能特性也是极其困难的。与仅监视一个寻呼信道的寻呼机不同，CDPD系统的移动单元在其位于不同的小区时必须监视不同的无线电信道。另外，控制信息(例如定时信息和接收方地址)由基站在专用控制信道中播发。尽管寻呼机可以被分配周期性发生的时隙，在此时隙中它“醒来”，以核查消息，但CDPD系统的移动单元中的相似方案要求所有蜂窝基站中的定时同步。不能使所有基站同步可以导致移动单元在错误的时隙中核查其地址的播发。
本发明的目的在于提供一种无线网络接入系统，其可以提高信道利用率。
根据本发明，提供了一种网络接入系统，此系统通过利用FM(调频)截获效应，为无线数据网络提供了在ALOHA协议下的高信道利用率，最终的网络接入方案允许一个移动发射机与其它发射机同时向一蜂窝式基站发射一个消息，而如果此消息以比其它发射的强度足够大的强度到达接收机时，就不需要重发。在一个实施例中，多个发射机和多个接收机分布于一个地理区域上，它们共享相同的频道。在此实施例中，FM截获允许多个信息同时截获多个接收机，由此提高了在ALOHA协议下的信道利用率。由基站拾取的消息或者由有线链路或者由无线链路引向网络控制中心，以便进行传送或处理。各基站根据期望的无线终端的密度和本地地域的物理特性分布于大的服务区域中。
根据本发明的另一方面，一种网络接入系统是将载波检测多址访问(CSMA)协议的高信道利用率与FM截获效应相结合，以期提供更高的信道利用率。最终的网络接入协议(“CSMA/AT”)提供了一个自适应阈值。RF(射频)发射机采用此自适应阈值确定是否发射其消息。如果检测到的信道中的其它发射的功率，即接收信号强度指示(RSSI)低于自适应阈值，发射机发射；否则，发射机退避(back off)。根据本发明，自适应阈值是根据信道中预定时间周期内的平均RSSI调整的。
在本发明的CSMA/AT协议下，当自适应阈值接近本底热噪声时，此网络接入协议与单纯的CSMA类似。但是，如果自适应阈值高于可能的最高RSSI，此协议与单纯的ALOHA类似。自适应阈值允许信道接入协议不间断地适应连续变化的影响信号传输的环境条件，例如气候条件、随机无线电干扰、活动发射单元的数量和话务量情况。
参考以下的详细说明和附图，能够更好地理解本发明。
图1示出一种无线数据网络，其中实现了本发明的一个实施例。
图2提供了在无线数据网络100中基站分布的一种理想模式。
图3示出为实现本发明的网络接入协议提供的通信控制机制的两个概念性分层。
图4示出本发明的一个实施例中采用的数据包的格式。
图5a、5b和5c分别示出在本发明的一个实施例中，用于在无线终端和基站中实现ALOHA、CSMA/FT(固定阈值)和CSMA/AT(自适应阈值)协议的信道状态机500a、500b和500c。
图6a示出在本发明的一个实施例中，在无线终端中使用的LLC(逻辑链路控制)发射(TX)状态机600a。
图6b示出在本发明的一个实施例中，在基站中使用的LLC发射(TX)状态机600b。
图7a示出在本发明的一个实施例中，在无线终端中使用的LLC接收RX状态机700a。
图7b示出在本发明的一个实施例中，在基站中使用的LLC接收RX状态机700b。
图8a示出在本发明的一个实施例中，在无线终端中使用的MAC(媒介访问控制)TX状态机800a。
图8b示出在本发明的一个实施例中，在基站中使用的MAC TX状态机800b。
图9示出在本发明的一个实施例中，在基站中或无线终端中使用的MACRX状态机900。
本发明提供了一种与无线数据网络联合使用的信道接入协议，在此网络中，移动的无线终端是由分布于一个服务区域中的蜂窝化基站提供服务的。与蜂窝式电话网络不同，包数据网络以短和突发式的信息包为特征。因此在包数据网络中，连续的连通性是不必要的。所以，蜂窝式电话业务中执行的连通性和移动性管理任务在用于包数据网络时，就不必太复杂。实际上，在本发明的无线数据网络中，相同频道可以由每一小区(在本说明书中，小区定义为基站的本地服务区域)共享。因此，在本发明的无线数据网络中，天线空间分集是一个固有的优点。即，当无线终端发射时，在一基站处可能相长或相消干涉的多径信号可以由一个以上的基站接收。
在下面描述的网络接入协议下，无线终端不需要为通信而与一个基站相联系。即，无线终端不识别其将消息发往的基站，也不被告知发来消息的基站。因此，在本发明的协议下，不需要执行连通性或移动性管理任务。此外，本发明的信道接入协议允许添加另外的基站，因此也就是另外的带宽，而不增加相邻各基站的频率分配调整的复杂性。
在图1所示的数据网络中提供了本发明的一个实施例。如图1所示，数据网络100包括(i)大量的无线终端，它们在图1中由无线终端101表示；(ii)较少量的基站，它们在图1中由基站102表示，并且分布于无线数据网络100的整个服务区域中，每一基站服务于与其靠近的无线数据网络100的服务区域的一个较小部分和(iii)一个网络控制中心103，它通过公用分组交换网104和公用电话网105耦合至信息或通信应用系统。信息或通信应用系统表示信息源或信息接收者，诸如新闻、股市行情和天气情况的提供系统、信用认证所或存货控制系统。当然，虽然所示的网络控制中心103仅仅是通过两种公用数据网络(即，分组交换网络和公用电话网络)耦合的，但是，这些公用数据网络仅仅是作为用于描绘本发明的例子。很清楚，网络控制中心103可以耦合至任何数据网络。
无线数据网络100的一种应用是双向寻呼系统，它是在现有的单向寻呼系统的基础上建立的。这种应用在上述名称为“双向无线数据网络”的待审专利申请中作了详细讨论，此专利申请是由Weijia Wang提出的，在此引作参考。在这种应用中，无线终端101可以由个人移动终端实现，例如，在名称为“无线个人移动终端”的待审专利申请中公开的那种终端，此专利申请是由Weijia Wang提出的，也在此引作参考。在双向寻呼应用中，对于无线终端101的寻呼消息主要是从大功率发射机接收的，该发射机在无线数据网络100的整个服务区域内播发消息。在这个实施例中，无线终端101是与现有的单向寻呼服务兼容的，它可以接收这种现有的服务的消息。因此，双向寻呼机101可以从中接收消息的大功率发射机可以是现有的单向寻呼服务的发射机。无线终端101可以发射指定其它无线终端的消息。这种消息是由无线终端101在信道109上发射的，信道109与单向寻呼服务的大功率发射机的信道不同。从双向寻呼机101发射的该消息在其附近的最近基站上被接收，在图1中此基站由基站102表示。如上所述，无线终端101不知道多个基站中的哪一个处理其发射信息。实际上，可以接收无线终端101的发射的基站多于一个。但是，因为无线终端101仅需要有到达本地基站的功率，因此无线终端101可以做得具有较低的功率消耗，这对于移动应用例如寻呼来说是非常需要的。
确认收到信息随后由基站102在信道109上发射，此基站还将所接收的信息在另一信道110上发送至网络控制中心103。在一个实施例中，网络控制中心103和基站之间的通信链路110采用TCP/IP(传输控制协议和内部协议)协议。由于通信链路110不是“本地的”，在通信链路110上来自于基站的发射功率必需高于信道109上的发射功率。如上所述，由于多基站接收同一消息是可能的，因此每一基站选择一随机延迟来确认收到了该消息。或者，延迟也可以根据接收信息的功率来选择，即，较短的延迟被选择为对应于在较高功率下接收的信息，它表明发射信息的无线终端101可能在近处。由于从基站发射确认消息的功率高于无线终端101发射其消息的功率，这个确认收到消息会由接收无线终端101的消息的所有其它基站接收。当接收这个确认消息时，所有其它基站中止对无线终端101的消息的进一步处理，包括其本身的确认收到消息，因为无线终端101的信息已经由第一基站处理来确认收到。
由于确认消息与无线终端101的消息在同一信道上发射，当瞬时的信道利用率高时，确认信息可能与此信道上的其它业务相冲突。本实施例提供了通过确认话务量的拥塞控制机制。即，由冲突的确认消息导致的退避周期遵循指数的二进制退避算法，也就是，确认信息包的每一次连续的重发按照两倍于最紧在前的延迟的时间来延迟。
如上面所讨论的，为覆盖例如1Km半径的本地区域，无线终端101和基站102之间的通信链路109仅需要是一个低功率基站(例如100mW)。另一方面，基站102和网络控制中心103之间的链路110需要具有较高的功率(例如3瓦特)，以便能达到网络控制中心103，网络控制中心103可以认为是在几公里之外。当从基站102接收这个消息时，网络控制中心103通过寻呼接收方无线终端将此消息通知接收方无线终端，其方式与单向寻呼服务的网络控制中心发射在电话网络上接收的寻呼信息基本相同。接收方无线终端随后响应此寻呼，通过在与通信链路109相似的一个通信链路上发射请求，来请求来自于无线终端101的消息。正如无线终端101的消息那样，一个基站在与通信链路110相似的一个通信链路上发送此消息请求。当接收这个消息请求时，网络控制中心103查明接收方的无线终端的位置(即，相对于这个接收方无线终端最近的基站)，并且通过这个最近的基站，在两个通信链路109和110上发送无线终端101的消息。按此方式，无线终端101的消息不受单向寻呼服务的格式和带宽限制的制约，并且由此实现的双向寻呼应用不需要网络控制站对无线终端101的消息的接收执行复杂的搜索。如果已要求这种复杂的搜索，就不得不采用象上述的CDPD中采用的算法那样的复杂算法。
无线数据网络100中的基站是根据预期的利用率、附近预期的用户数量和无线终端的预期发射功率分布的。由于一个基站的本地服务区域是小的，以其本地服务区域不重叠的距离分离开的两个基站可以同时处理由在其相应的本地服务区域中的无线终端发射的消息。同时，由于一个以上的基站可以拾取来自于无线终端的消息，因此发射信息的无线终端可以被认为是与接收此消息的多个基站相联系。本发明以被称为“FM截获”的频率调制现象为基础，并结合ALOHA协议、CSMA(载波检测多址访问)协议或相似的信道接入协议，提出了一种网络接入协议，以实现高的信道利用率。FM截获是FM接收机的一种特性，它允许FM接收机锁定在多个同时发射的相同载波频率的信号中的最强的信号上。最强的信号被说成是“截获”接收机。术语“FM截获率”表示最强信号即截获接收机的信号的功率与现存的所有其它信号的总功率的最小比率。采用典型的FM接收机可以实现的FM截获率在3-6分贝(dB)量级。本发明的最终的信道接入协议允许多个具有重叠的本地服务区域的基站处理来自于此多个基站的重叠的本地服务区域中的不同无线终端的信息，从而进一步增大了无线数据网络的有效带宽。
图2提供了无线网络100中基站分布的理想模式。如图2所示，基站102-1至102-20在矩形网络中按均匀间隔布置。当然，任何实际的实施方式总会偏离这种理想的分布结构。图2示出了本发明的原理，这些原理同样适用于任何实际的实施方式，虽然所述实施方式可能偏离图2所示的分布结构。在本实施例中，应当理解，无线数据网络的基站实际上最初是均匀分布的。
业已知道，在陆地上传播的无线电信号的强度是以比相对于发射源的距离的平方更高的速率衰减的。在RF能量通常具有高的衰减的市区，这种信号的强度可能实际上是按所述距离的四次方衰减。因此，参照图2，一个位置稍微偏离与基站102-1至102-4等距离的位置“a”的双向寻呼机将会导致在基站102-1至102-4中的两个基站处接收的信号的强度有显著的区别。这种效应与FM截获效应相结合，允许彼此位于较短间距(例如，小于一个基站的本地服务区域的半径)的两个无线终端的信息由具有重叠的本地服务区域的两个基站处理。
由于上面讨论的FM截获现象，在同一无线电信道上的两个或多个消息的同时发射可能会导致这些基站由附近的不同基站接收，这样所有(或者即使是部分)这种消息的重发就不需要了。例如，在两个消息从两个不同的无线终端同时发射的情况下，如果消息靠近一个基站而足以截获此基站，两个消息的重发可能就不再需要。实际上，如果发生多个信息各自截获一个不同的基站的情况，即使这些基站具有重叠的本地服务区域，也没有一个信息需要重发。因此，由于结合采用FM截获效应和信道接入协议而产生的这种对重发的最低需要，可以增大预期的信道利用率。采用FM截获效应在市区环境中尤为有效，因为在这种环境中RF信号的功率按距离的四次方快速衰减。
因此，根据本发明，通过采用FM截获效应，实现了一种网络接入协议，这种协议增强了在诸如ALOHA协议的信道接入协议下的信道利周率。最终的网络接入协议允许一发射机与其它发射机同时向一个接收机发射其消息，而不需要重发，如果该消息以足够高于其它发射的强度到达该接收机的话。当多个发射机和多个接收机分布于一地理区域时，FM截获允许多个消息同时截获多个接收机，由此提高在诸如ALOHA的信道接入协议下的信道利用率。
或者，CSMA的高信道利用率还可以与FM截获效应结合，以提供更高的预期信道利用率。最终的网络接入协议(“CSMA/AT”)提供了一个自适应阈值，此阈值可由RF发射机采用来确定是否发射其信息。如果检测的信道中的其它发射的功率(“接收信号强度指示”或RSSI)小于自适应阈值，发射机发射信息，否则，发射机退避。在本实施例中，RSSI是通过对RF接收机的模/数(A/D)转换器的输出值按预定时间间隔取样获得的。如此检测的RSSI被存储于一个寄存器(“RSSI寄存器”)中，以便于信道接入协议软件参考。根据本发明，该自适应阈值周期性调整，以跟随检测的RSSI。
在本发明的CSMA/AT协议下，当自适应阈值设定为接近本底热噪声时，网络接入协议的特性就象单纯的CSMA。但是，如果自适应阈值设定为高于可能的最高RSSI，协议的特征则象单纯的ALOHA。
在本实施例中，无线数据网络100的无线终端101根据带有固定阈值的CSMA(CSMA/FT)、CSMA/AT或ALOHA，向附近的基站102发射信息。基站103采用与无线终端101发射其信息时相同的方法返回一确认收到消息。为实现这种网络接入协议，采用了通信控制机制的两个概念性层，如图3所示。图3示出，当例如由应用程序301-a表示的应用程序要发射一个消息时，此消息被分解成固定大小的数据包，这些包被逐个包地提供给逻辑链路控制层302-a。(在第一实施方式中，每一消息被完全包含于一个包内，这样术语“包”和“消息”可以在本说明书中互换使用。)逻辑链路控制(LLC)层302-a又将每一数据包一个字节一个字节地提供给媒介访问控制(MAC)层303-a。MAC层303-a控制用于使字节串接成比特流的通用非同步接收机/发射机(UART)电路，并且将每一比特顺序传输至RF收发机。RF收发机根据接收的信道调制方法对每一比特进行编码并发送至信道304。当此比特到达基站102时，要采取相反的路径，即，RF接收机对所接收的每一比特进行解码，并将此比特传输至由MAC层303b控制的UART电路。采用UART电路，MAC层303b将所接收的比特重组为字节，这些字节随后被逐字节地传输至LLC层302-b，在此这些字节被重组为数据包。LLC层302-b随后将这些数据包逐个包地传输至应用程序301-b，此应用程序301-b对由应用程序301-a发射的信息进行重构。在此实施例中，每一数据包由一个确认包单独地确认。
因此，在一个实施例中，管理在一公用无线电信道上的传输的信道接入协议在每一无线终端或基站中是由五种状态机(state machine)控制的1)信道状态机；2)MAC发射(TX)状态机；3)MAC接收(RX)状态机；4)LLC TX状态机和5)LLCRX状态机。在此实施例中，信道状态机可以是分别执行ALOHA、CSMA/FT和CSMA/FT协议的三种状态机之一。
图4示出本实施例中采用的数据包400的格式。如图4所示，每一数据包包括三字节的报头，它总体上由参考数字401a和401b表示。报头中的比特模式允许UART电路数据包中的比特在字节边界处对齐。由于在RF链路中可靠性的固有缺乏，采用了较长的三字节报头。紧随报头的是二字节的“帧标记”，在图4中它总体上由参考数字402a和402b表示，它是一个预定的图形，用于指示帧的开始。另外，由于RF链路的固有的不可靠性，采用了较长的二字节帧标记。随后设有一字节的消息长度字段403。消息长度字段403指示数据包400中消息长度字段之后的剩余部分的字节数。(应当注意的是，在此实施例中，为与由传统的单向寻呼服务采用的格式一致，从单向寻呼服务接收的数据包的消息长度限制为128字节。)在信息长度字段403之后是这样一个字节，它包括(i)从消息长度字段403的值中分离出的4比特校验和字段404(在此实施例中，校验和字段404的值是通过采取消息长度字段403的值的较高的半字节和较低的半字节的和(带进位)的补码形成的)；(ii)2比特的版本号405，它允许在一定时间后(over time)采用另外的数据包格式；和(iii)2比特的帧类型值406，它可以由应用系统采用来区别各种数据格式，如果消息长度字段403和校验和字段406的值是一致的，就认为检查到了数据包的开始位置。此后设有4比特的半字节407，它包括(i)一个扰码(scramble)比特，它表示数据包404是被扰码的；(ii)一个b/p比特，它表示此包是来源于无线终端还是基站；(iii)一个s/lID比特，它表示此后的ID字段(即后面的ID字段409)是按短格式(4字节)设置的还是按长格式(6字节)设置的；和(iv)一个帧误差码(FEC)比特，它表示在数据包400的端部是否设有帧误差校正码。其后的4比特形成逻辑链路控制信息字段408，它用于提供链路控制信息。链路控制信息字段408可以用于表示此数据包是否是一个确认收到消息、一个要求确认收到的数据包或一个不要求确认收到的数据包。
用于识别数据包的发送者的ID字段409(在图4中总体示为字段409a、409b和409c)位于链路控制信息字段408之后。根据上述的字段407的s/l比特，ID字段409可以是4字节或6字节。4字节ID是在发送者的6字节识别码具有两个前导的零字节时使用的。跟随于ID字段409之后的是10比特的基站ID410和6比特的网络控制中心ID411。基站ID410和网络控制中心ID411分别识别发送数据包400的基站(如果发射者不是一个基站，这个字段为零)和数据包400要发往的信息控制中心。以下的两个字节分别为一字节的顺序号码字段412和应用字段413，前者专门用于识别数据包400在多包消息中的位置，后者用于表示与数据包相应的应用程序。然后是可变长度(0-247字节)的用户数据字段415。再后面是循环冗余校验和(字段416)，它用于使接收者确定所接收的数据包400的完整性。如果在半字节407中设有FEC(前向误差控制)比特，则随后还有固定数目的FEC字节，以允许校正误差。
图5a、5b和5c分别示出用于实施ALOHA、CSMA/FT和CSMA/FT协议的信道状态机500a、500b和500c。如图5a所示，在ALOHA协议下，信道状态机500a具有通电(power-up)状态501和信道畅通(channel-clear)状态502。ALOHA协议具有最简单的状态机。当通电时，进入通电状态501。当初始化时，进入信道畅通状态502，数据包从此开始发送和接收。诸如重发的误差校正或NAck包(例如要求重发的包)在逻辑链路控制层中处理。
图5b示出用于CSMA/FT协议的信道状态机500b。用于CSMA/FT协议的信道状态机500b工作于三种状态通电状态511、信道忙(channel-busy)状态512和信道畅通状态513。当通电时，信道状态机500a处于通电状态511。当初始化时，固定阈值(“FT”)被加载至寄存器(“阈值寄存器”)，信道状态机500b进入信道忙状态512。通过对RF收发机的RSSI输出进行取样，RSSI寄存器被周期性地更新。在处于表示信道不能使用的信道忙状态时，RSSI寄存器中的更新的RSSI值与阈值寄存器中的FT进行比较。如果RSSI≥(事件514)，信道状态机500b维持在信道忙状态512中。否则，即，RSSI＜FT(事件515)，信道状态机进入信道畅通状态513，它表示信道可用于包传输。当处于信道畅通状态513时，RSSI寄存器中的RSSI值周期性地与阈值寄存器中的FT比较。如果RSSI≥FT(事件516)，信道状态机返回信道忙状态512。
图5c示出用于CSMA/AT协议的信道状态机500c，它包括通电状态521、信道忙状态522和信道畅通状态523。当通电时，信道状态机500c处于通电状态521。在这种状态机中，设置有两个计时器“畅通”计时器和“忙”计时器，以规定阈值寄存器中的值(即自适应阈值或“AT”)的更新时间。在通电状态521中，当初始化时，忙计时器被设定，并且AT的初始值被加载至阈值寄存器，在此实施例中，AT的初始值被选择为最大可允许的RSSI值(RSSIMAX)或RSSI寄存器中的当前RSSI值加上一个余量(“STD”)的和中的较小的一个值。在此实施例中，STD是通过取RSSI寄存器的二十次读数的标准偏差得到的。然后进入信道占用状态522。
在信道忙状态522时，RSSI值周期性地与AT进行比较。如果RSSI≥AT(情况524)，信道状态机维持信道状态522。每当忙计时器到时间，AT便由RSSIMAX或RSSI寄存器中当前的RSSI值与STD之和中的较小的值更新。忙计时器随后被设定，以规定AT的下次更新时间。当RSSI＜AT时(事件526)，进入信道畅通状态。畅通计时器被设定以规定AT的更新时间。
在信道畅通状态523中，数据包可以被发送。只要RSSI＜AT(事件529)，信道状态机500c就维持信道畅通状态523。在信道畅通状态523中，当畅通计时器超时间时，AT的值递减1，并且畅通计时器重新设定，以规定AT的下次更新时间。当RSSI≥AT时(事件527)，进入信道忙状态。然后，在信道忙状态中，忙计时器设定AT的第一次更新时间。
图6a示出用于无线终端的LLCTX状态机600a。LLCTX状态机600a具有两个状态空闲状态605和等待确认(wait-ack)状态651，空闲状态650表示逻辑链路正在等待数据包，等待确认状态651表示一个包被发送，并且LLC TX状态机600a正等待一个确认收到的包。当接收到一个包发送请求，而此包具有非零的顺序号码(事件652)或零顺序号码(事件653)时，离开空闲状态650。在事件653下，即，如果顺序号码为零，包开始一个新的顺序，并且被分配一个顺序变量(“V(s)”)。在事件652下，即，如果顺序号码不是零，V(s)已经配置，那么V(s)被更新而采取该顺序号码值。在脱离空闲状态之前，发送请求的数据包被发送，变量“再试(retry)”被置零，并且确认计时器被设定，以防止无限地在等待确认状态下等待。再试变量保持对再发送一个包的尝试次数的跟踪。
在等待确认状态651中，如果接收到确认收到包，将确认包上的顺序号码与V(s)的当前值相比较。如果确认包上的顺序号码与V(S)的值相匹配(事件654)，就会接收到期望的确认信息，而且LLCTX状态机600a使V(s)增大并返回等待(IDLE)状态650。但是，如果确认包上的顺序号码与V(s)的值不匹配(事件655)，则确认包或者是有问题，或者与一个老的包相对应，则LLCTX状态机600a维持等待确认状态651。当确认计时器到时间时，则被视作一个发送错误。如果再试次数未用尽(即，再试变量的值小于预定的限制量)，即在事件656下，重新发送带有待确认信息的包，再试变量被更新，并且确认计时器被重新设定，以规定下次再试的时间。确认计时器被赋予一个随机值，作为防止冲突措施。但是，如果再试次数已达到预定限制量，通过在数据包的网络控制中心ID字段411中设置一个新值，LLCTX状态机600a尝试向另一其它信息控制中心重新发送此包(情况657)。如果没有其它网络控制中心可用。则必须由应用级软件进行错误校正。由此，LLCTX状态机600a删除V(s)并返回空闲状态650。
图6b示出用于一个基站的LLC TX状态机600b。与上述的用于无线终端的LLCTX状态机600a相同，用于此基站的LLC TX状态机600b具有两种状态空闲状态620和等待确认状态(wait-ack)621，空闲状态620表示逻辑链路正在等待数据包，等待确认状态621表示一个包被发送，并且LLCTX状态机600b正等待一个确认收到的包。当接收到一个包发送请求，而此包具有非零的顺序号码(事件622)或零顺序号码(事件623)时，离开空闲状态620。在事件623下，即，如果顺序号码为零，包开始一个新的顺序，并且被分配一个顺序变量V(s)。同时，用于V(s)的寿命(life time)计时器(Vs计时器)被设定，以限定对此顺序中的其它包的等待。在空闲状态620中，如果Vs计时器到时间，Vs则被删除。在事件622下，即，如果顺序号码不是零，V(s)已经配置，那么V(s)被更新而取该顺序号码值。在脱离空闲状态620之前，发送请求的数据包被发送，变量“再试(retry)”被置零，并且确认计时器被设定，以防止无限地在等待确认状态621下等待。再试变量保持对再发送一个包的尝试次数的跟踪。
在等待确认状态621中，如果接收到确认包，将确认包上的顺序号码与V(s)的当前值相比较。如果确认包上的顺序号码与V(s)的值相匹配(事件625)，就会接收到期望的确认信息，而且LLC TX状态机600b使V(s)增大、重新设定Vs计时器、并返回等待状态620。但是，如果确认包上的顺序号码与V(s)的值不匹配(事件626)，确认包或者是有问题，或者与一个老的包相对应，LLC TX状态机600b维持等待确认状态621。当确认计时器到时时，则被视作一个发送错误。如果再试次数未用尽(即，再试变量的值小于预定的限制量)，即在事件627上，重新发送带有待确认信息的包，再试变量被更新，并且确认计时器被重新设定，以规定下次再试的时间。但是，如果再试次数已达到预定限制量，LLC TX状态机600b返回空闲状态620。
图7a示出用于无线终端的LLC RX状态机700a。LLC RX状态机700a具有单一状态就绪状态750。在就绪状态750中，如果一个数据包到达并具有零顺序号码(事件753)，就被认为一个新的顺序开始了，并且LLCRX状态机700a(i)对这个接收的数据包发送一个确认收到的包，(ii)重新设定MACRX状态机，(iii)配置顺序变量(“V(r)”)，(iv)设定变量寿命(life-time)计时器(“Vr计时器”)，它限定顺序变量的寿命，和(v)将所接收的包传输至应用软件。当Vr计时器到时间时，即，事件757，V(r)被删除。如果此包具有非零的顺序号码并且V(r)已经配置，所接收的数据包的顺序号码与V(r)相比较。如果接收的数据包的顺序号码与V(r)相匹配，即事件752，此数据包就是先前接收的数据包的重发。当在先的确认包没有被发送者接收到时，就会产生事件752。因此，LLC RX状态机700a向所接收的数据包发送一个确认包，并且重新设定MAC RX状态机900a(将在下面说明)。但是，如果接收的数据包的顺序号码与V(r)不匹配，即事件751，LLC RX状态机(i)向所接收的这个数据包发送一个确认包，(ii)用当前的顺序号码更新V(r)，(iii)重新设定VR计时器，并且(iv)将所接收的包传输至应用软件。
如果接收到一个确认包或一个否定性确认(“NAck”)包，LLC RX状态机700a检查此确认信息是否是从一个基站发送的(即基站ID字段410不是零)。如果是，即事件754、755和757，信息控制中心字段411被记录(由LLC TX状态机600a在等待确认状态中采用)，进一步，如果确认包的目的地址为无线终端的地址(即事件754)，所接收的确认包被传输至LLC TX状态机600a。
图7b示出用于一个基站的LLC RX状态机700b，它也具有单一状态就绪状态701。在就绪状态701中，如果一具有零顺序号码的数据包到达并且在网络控制中心ID字段411中指定与这个基站相关的网络控制中心(事件704)，就被认为一个新的顺序开始了，并且LLC RX状态机700b(i)为这个接收的顺序包准备一个确认收到的包，(ii)设定确认计时器(Ack-计时器)，(iii)配置V(r)，(iv)设定Vr计时器，和(v)将所接收的包传输至应用软件。确认计时器被提供了一个确认包的发送时间的0-7倍的随机延迟。当确认计时器到时间时(情况709)，此确认包或任一由这个LLC RX状态机准备的包被实际发送。当Vr计时器到时间时，即事件710，V(r)被删除。如果此包具有非零的顺序号码并且V(r)已经配置，所接收的数据包的顺序号码与V(r)相比较。如果接收的数据包的顺序号码与V(r)相匹配，即事件703，此数据包就是先前接收的数据包的重发。当在先的确认包没有被发送者接收到时，会产生这种情况。因此，LLC RX状态机为所接收的数据包准备一个确认包，并且重新设定确认计时器。但是，如果接收的数据包的顺序号码与V(r)不匹配，即事件702，LLC RX状态机700b(i)对所接收的这个数据包发送一个确认收到包，(ii)用当前的顺序号码更新V(r)，(iii)重新设定VR计时器，并且(iv)将所接收的包传输至应用软件。
如果所接收的数据包在网络控制中心ID字段411中指定一个与这个基站不相关联的网络控制中心(事件705)，LLC RX状态机700b准备一个报告这种错误的NAck包，并且设定确认计时器。
如果接收到一个确认包或一个NAck包，LLC RX状态机700b检查此确认信息是否是从一个基站发送的(即基站ID字段410是非零)。如果是，即，事件706、707和708，LLC RX状态机700b取消与这个确认包或NAck包相匹配的待确认或否定性确认的入口。进一步，如果确认包的目的地址为无线终端的地址(即事件707)，所接收的确认包被传输至LLC TX状态机600b。
图8a示出用于无线终端的MAC TX状态机800a。如图8a所示，MACTX状态机800a包括四个状态(i)空闲状态851，在这个状态中，MAC TX状态机等待数据包发送，(ii)等待畅通(wait-clear)状态853，在这个状态中，MAC TX状态机800a等待忙信道变畅通，(iii)等待时隙(wait-slot)状态852，在这个状态中，MAC TX状态机800a等待分配的时隙，和(iv)发送状态854，在这个状态中，MAC TX状态机800a发送数据包。在空闲状态851中，如果接收到发送请求，且信道是畅通的，即事件862，MAC TX状态机800a被重新设定，并且该发送请求由进入发送状态854的MAC TX状态机800a实现。(信道是否畅通取决于MAC TX状态机800a是否处于信道忙状态512或522或者信道畅通状态502、513或523)。或者是，如果发送请求在信道忙时到达，即事件855，MAC TX状态机800a进入等待畅通状态853。在等待畅通状态853中，为防止在信道变成畅通状态时发生冲突，选择了一个随机时隙数(0-10)，并且根据选择的时隙数设定一个时隙计时器。如果信道在时隙计时器到时之前变成畅通状态，MAC TX状态机800a进入等待时隙状态。在等待时隙状态852中，如果信道再次变成忙状态(事件858)，MACTX状态机800a返回等待畅通状态853；否则，当时隙计时器到时间时，即事件860，MAC TX状态机800a进入发送状态854，以发送请求发送的包。在发送状态854中，在发送结束时，即当到达包的末端时，MAC TX状态机800a向LLC TX状态机600a报告此成功的发送，并返回空闲状态851，以等待下一个发送请求。
图8b示出用于基站的MAC TX状态机800b。用于基站和无线终端的MAC TX状态机800a和800b基本上是相同的。如图8b所示，MAC TX状态机800b包括四个状态(i)空闲状态801，在这个状态中，MAC TX状态机800b等待数据包发送，(ii)等待畅通状态803，在这个状态中，MAC TX状态机800b等待忙信道畅通，(iii)等待时隙状态802，在这个状态中，MACTX状态机800b等待分配的时隙，和(iv)发送状态，在这个状态中，MAC TX状态机800b发送数据包。在空闲状态801中，如果接收到发送请求，且信道是畅通的，即事件812，MAC TX状态机800b被重新设定，并且发送请求由进入发送状态804的MAC TX状态机800b实现。(信道是否畅通取决于MAC TX状态机800b是否处于信道忙状态512或522或者信道畅通状态502、513或523)。或者，如果发送请求在信道忙时到达，即事件805，MACTX状态机800b进入等待畅通状态803。在等待畅通状态803中，为防止在信道变成畅通状态时冲突，选择了一个随机时隙数(0-10)，并且根据选择的时隙数设定一个时隙计时器。如果信道在时隙计时器到时之前变成畅通状态，MAC TX状态机800b进入等待畅通状态802。在等待畅通状态802中，如果信道再次变成忙状态(事件808)，MAC TX状态机800b返回等待畅通状态803；否则，当时隙计时器到时间时，即事件810，MAC TX状态机800b进入发送状态804，以发送请求发送的包。在发送状态804中，在发送结束时，即当到达包的末端时，MAC TX状态机800b向LLC TX状态机报告此成功的发送，并返回空闲状态801，以等待下一个发送请求。
图9示出一个MAC RX状态机900，它是在无线终端和基站中均使用的同一状态机。MAC RX状态机900仅具有两种状态(i)帧状态901，在此状态中，帧字节402b和消息长度字段403均被识别出，和(ii)数据状态902，在此状态中包的其余部分被处理。MAC RX状态机90维持于帧状态901，直至帧字节402b和消息长度字段403均被识别出(事件905)。此时，MAC RX状态机900将标识字节设置于包缓冲区进入数据状态902。
在数据状态902中，所接收的字节被集中于包缓冲区，同时帧字节402b对可能的FM截获效应被连续地搜寻(即事件906)。如果帧字节402b和下一个字节(即消息长度字段403)被识别出，接收机的一次FM截获已发生，MACRX状态机900清仓(flush)包缓冲区，将帧字节402b和消息长度字段403中的包长度拷贝至包缓冲区中，并且为这个新的包排列输入的字节。另外，当积聚于包缓冲区中的字节达到包长度时，当前包被视为成功接收。MAC RX状态机900将包缓冲区传输至LLC RX状态机700a或LLC RX状态机700b，并且返回帧状态901。
上述详细说明是用于描绘本发明的特定实施例，并不是用于限制本发明。在本发明的范围内，许多修改和变换是可能的。本发明范围由其权利要求限定。
权利要求
1.一种无线数据网络，包括多个移动无线终端，每一无线终端能够在预定范围内发射具有预定频率的FM调制无线电信号；和多个基站，每一基站包括一个无线电信号收发机，所述基站分布在预定的服务区域内，服务于小于所述预定范围的本地服务区域，以便当所述无线终端中的两个同时在所述基站之一的本地服务区域内发射时，以这种方式形成FM截获效应，使所述的两个无线终端中更靠近所述基站的一个无线终端的无线电信号由所述基站接收。
2.根据权利要求1的无线数据网络，其中每一所述移动无线终端是根据ALOHA协议发射所述FM调制无线电信号的。
3.根据权利要求1的无线数据网络，其中每一所述移动无线终端是根据载波检测多址访问(CSMA)协议发射所述FM调制无线电信号的。
4.根据权利要求3的无线数据网络，其中每一所述无线终端包括一个用于感测接收到的以所述预定频率的无线电发射信号的强度的电路，所述CSMA协议包括一个功率阈值，以便当所述无线终端之一的所述电路感测到的接收信号强度高于所述功率阈值时，该无线终端抑止发射。
5.根据权利要求4的无线数据网络，其中所述功率阈值经过一定时间后自适应调整。
6.根据权利要求4的无线数据网络，其中所述功率阈值根据所述无线终端附近的总体本底噪声水平自适应调整。
7.根据权利要求4的无线数据网络，其中所述功率阈值根据所述无线终端附近的话务量自适应调整。
8.根据权利要求1的无线数据网络，其中所述服务区域中的所述基站从所述无线终端接收经调制的无线电信号，以按相同频道进行发射。
9.根据权利要求1的无线数据网络，其中所述各移动无线终端发射所述FM调制无线电信号，而且不指定接收的基站。
10.根据权利要求1的无线数据网络，其中所述FM调制无线电信号是由一个以上的基站接收的。
11.根据权利要求1的无线数据网络，其中所述无线数据网络包括作为一种应用的双向寻呼系统。
12.根据权利要求1的无线数据网络，其中当所述基站之一从所述无线终端之一接收到一个在所述FM调制无线电信号中编码的数据包时，该基站在一定延迟后发送一个确认收到的包。
13.根据权利要求12的无线数据网络，其中所述基站从其它基站接收包，当所述基站在所述延迟结束之前接收到一个控制包，而此控制包为用于确认收到所述数据包的确认包时，所述基站中止发送所述确认包。
14.根据权利要求12的无线数据网络，其中所述延迟是随机选择的。
15.根据权利要求12的无线数据网络，其中所述延迟是根据所述FM调制无线电信号的信号强度计算的。
16.根据权利要求12的无线数据网络，其中所述延迟是根据二进制指数退避算法计算的。
17.根据权利要求1的无线数据网络，还包括一个耦合至每一所述基站的网络控制中心，所述无线数据网络允许数据包在两个所述的无线终端之间发送，以便当所述数据包发送时，所述数据包首先由所述基站之一在一个数据链路上中继发送至所述网络控制中心。
18.根据权利要求17的无线数据网络，其中所述数据链路包括一个无线数据链路。
19.根据权利要求17的无线数据网络，其中所述数据链路包括一个有线数据链路。
20.根据权利要求1的无线数据网络，其中每一基站包括一个数据缓冲器；一个截获缓冲器；用于对所述FM调制信号进行解码以提供一个比特流的装置；耦合来接收所述比特流的装置，用于将所述比特流中的比特积聚于所述数据缓冲器中；耦合来接收所述比特流的装置，用于检测所述比特流中的报头，并且当所述检测装置检测所述比特流中的所述报头时，将所述比特流中的比特积聚于所述截获缓冲器中；和耦合至所述数据缓冲器的装置，用于在所述数据缓冲器中的所述积聚的比特填入一个数据包时，核实所述数据包被正确接收；并且用于在所述数据包被核实为不是正确接收时，将所述截获缓冲器中积聚的所述比特拷贝至所述数据缓冲器。
21.一种在无线数据网络中采用的方法，包括以下步骤提供多个移动无线终端，每一无线终端能够在预定范围内发射具有预定频率的FM调制无线电信号；和在预定的服务区域内布置多个基站，每一基站包括一个无线电信号收发机，每一基站适于服务于小于所述预定范围的本地服务区域，以便当所述无线终端中的两个同时在所述基站之一的本地服务区域内发射时，以这种方式形成FM截获效应，所述的两个无线终端中更靠近所述基站的一个无线终端的无线电信号由所述基站接收。
22.根据权利要求21的方法，还包括请求所述各无线终端根据ALOHA协议发射所述FM调制无线电信号的步骤。
23.根据权利要求21的方法，还包括请求所述各无线终端根据载波检测多址访问(CSMA)协议发射所述FM调制无线电信号的步骤。
24.根据权利要求23的方法，其中每一所述无线终端感测接收到的以所述预定频率的无线电发射信号的强度，所述CSMA协议包括一个功率阈值，以便当所述无线终端之一的所述电路感测到的接收信号强度高于所述功率阈值时，所述无线终端抑止发射。
25.根据权利要求24的方法，还包括经过一定时间后自适应调整所述功率阈值的步骤。
26.根据权利要求24的方法，还包括根据所述无线终端附近的总体本底噪声水平自适应调整所述功率阈值的步骤。
27.根据权利要求24的方法，还包括根据所述无线终端附近的话务量自适应调整所述功率阈值的步骤。
28.根据权利要求21的方法，其中所述服务区域中的所述基站和所述无线终端的无线电信号采用一个公用的频道进行通信。
29.根据权利要求21的方法，其中所述移动无线终端发射所述FM调制无线电信号，而且不指定接收方基站。
30.根据权利要求21的方法，其中所述FM调制无线电信号是由一个以上的基站接收的。
31.根据权利要求21的方法，其中所述无线数据网络包括作为一种应用的双向寻呼系统。
32.根据权利要求21的方法，还包括当所述基站之一从所述无线终端之一接收到一数据包时，该基站在一定延迟后发送一个确认收到包的步骤。
33.根据权利要求21的方法，其中所述基站从其它基站接收包，当所述基站在所述延迟结束之前接收一个控制包，而此控制包为用于确认收到所述数据包的确认包时，该基站中止发送所述确认包。
34.根据权利要求32的方法，其中所述延迟是随机选择的。
35.根据权利要求32的方法，其中所述延迟是根据所述FM调制无线电信号的信号强度计算的。
36.根据权利要求32的方法，其中所述延迟是根据二进制指数退避算法计算的。
37.根据权利要求21的方法，还包括提供一个网络控制中心的步骤，此网络控制中心耦合至每一所述基站，所述无线数据网络允许数据包在两个所述的无线终端之间发送，以便当所述数据包发送时，所述数据包首先由所述基站之一在一个数据链路上中继传送至所述网络控制中心。
38.根据权利要求37的方法，其中所述数据链路包括一个无线数据链路。
39.根据权利要求37的方法，其中所述数据链路包括一个有线数据链路。
40.根据权利要求21的方法，其中每一基站包括以下步骤对所述FM调制信号进行解码，以提供一个比特流；将所述比特流中的比特积聚于一个数据缓冲器中；检测所述比特流中的报头，并且当检测到所述比特流中的所述报头时，将所述比特流中的比特积聚于一个截获缓中器中；和在所述数据缓冲器中的所述积聚的比特填入一个数据包时，核实所述数据包被正确接收，并且在所述数据包被核实为不正确接收时，将所述截获缓冲器中积聚的所述比特拷贝至所述数据缓冲器。
全文摘要
一种网络接入系统，利用FM截获效应提高了在ALOHA协议下信道的利用率。允许一个发射机与其它发射机同时向接收机发射消息，其强度高时无需重发，可用于双向寻呼应用；或者是将CSMA协议的高信道利用率与FM截获效应相结合，采用提供自适应阈值的CSMA/AT协议，如测到信道中其它发射(RSSI)功率低于此阈值，RF发射机发射消息；否则即退避。
文档编号H04L12/413GK1154636SQ9612118
公开日1997年7月16日 申请日期1996年10月13日 优先权日1995年10月13日
发明者王维嘉, 李宗基 申请人:美国通用无线公司