用於無線網孔狀網絡準許加入節點的加入過程方法
2023-05-22 05:37:21 5
專利名稱：用於無線網孔狀網絡準許加入節點的加入過程方法
技術領域：
本發明通常涉及聯網領域，特別是涉及無線網孔狀網絡領域，其中空間分散的無線節點利用一自動加入過程方法準許加入到網孔狀網絡中，該自動加入過程方法合併了邀請網孔狀網絡節點的時間、頻率和空間安排和同步。
背景技術：
無線網通常通過合併彼此連接的多個點到點(PP)無線鏈路來設計，因此利用固定無線鏈路來連接到網絡和希望的位置。另一種普遍使用的網絡結構利用例如點到多點(PMP)拓撲的網孔網絡拓撲或基於蜂窩的拓撲。這種網絡中的每個節點都包括一個無線和相關的天線。在PMP拓撲中，該網絡從一個集中的位置，例如基站來控制。
在包括多個獨立的點到點鏈路的網絡中，一個新的網絡節點添加到該網絡是通過添加一條新的點到點無線鏈路來人工進行。這稱為準許加入或允許加入過程，其中該新的網絡節點添加到網絡中並開始與網絡中的其它組件進行可靠的無線通信。在傳統的準許加入過程中，該無線鏈路天線人工或機械地彼此校準，直到實現高質量的接收。在PMP網絡的情況下，基站通常位於網絡的中心附近，一新的用戶無線站通過與該基站或多個已知的基站通信來加入網絡。
存在兩種允許新節點加入到網絡的通常情況。在第一種情況下，用戶具有全向天線。一個例子是移動通信系統中的手機。在這種情況下，用戶收到特定控制信道上的邀請，並被覆蓋他小區位置的基站邀請。在第二種情況下，用戶無線站包括一定向天線。例子包括衛星TV廣播網或PMP無線接入網。機械校準過程在用戶端單獨進行，從而用戶天線校準到基站以實現最佳的無線頻率(RF)信號接收。在上述的現有網絡中，一新的網絡節點利用機械校準加入到網絡中以實現最佳的接收。
點到多點校準過程在圖1中描述。圖1說明了現有技術中點到多點無線網絡10的一部分。網絡10包括基站11和收發信機節點12、19。基站11具有一個或多個天線和相關的收發信機，用於分別在軸17a和17b定義的四個90度扇區13、14、15、16中通信。扇區13、14、15、16相對於基站11固定。這些收發信機被分配固定的頻率用於在其相關的扇區內通信。
每個收發信機節點12、19相應於一個用戶無線站。收發信機節點12包括具有單個波瓣或射束18的天線。射束18通過將在收發信機節點12的天線水平或豎直地調整朝向基站11的位置，直到收發信機節點12的波束18從與扇區13有關的收發信機接收到最大的信號強度來進行機械校準。與扇區13有關的基站收發信機在其固定頻率傳送數據和邀請信號。收發信機節點12經其波瓣或波束18接收該頻率，一信號強度指示器指示方向最大接收信號強度。這使安裝人員或機動天線驅動器能夠調整天線的角度位置用於最大接收。
收發信機節點19的校準也在圖1中描述。通過將收發信機天線旋轉朝向基站11，正確的校準可以利用與扇區14有關的基站收發信機和天線實現。通過人工定向天線波束或波瓣來優化信號接收來再一次機械校準。
在點到多點通信的例子中，校準在遠程用戶單元進行，不必改變基站波束的位置，該過程通過機械校準來完成。儘管具有強壯性，但該準許加入過程依靠昂貴的人力行為。如果網絡拓撲改變，則必須重複的操作來重新校準用戶無線站或收發信機節點朝向新的基站位置並將頻率變成新分配的扇區頻率。
相應的，通常需要一種改進的方法用於準許新節點加入到網絡。特別是在無線網孔狀拓撲網絡中，網絡有機地增長，加入到網絡的新節點必須經過許多已經存在的網絡節點的其中一個加入。一個自動過程是對機械校準技術的重要改進，該自動過程在特定的時間和頻率電校準加入節點接收波束的方向與其中一個邀請網絡節點的發射波束。
發明內容
通過介紹，本實施例提供一種用於無線網孔狀拓撲網的加入過程，其中網絡節點具有多個空間覆蓋子扇區，這些子扇區一起覆蓋較大的扇區角度，一個節點可以與位於其子扇區所覆蓋方向上的其他節點建立連接。該加入過程為該網絡添加一加入節點，並包括在該加入節點在預定時間內在一特定的接收頻率收聽其子扇區。此後，該加入節點根據預定的時刻和順序改變其子扇區和接收頻率。工作的網絡節點根據現有內部網絡通信已經使用的子扇區推導出的相對位置和相對角度方向在預定的扇區、頻率和時刻傳送有組織的邀請數據分組。這降低了頻率幹擾和降低了加入過程所需的時間。
本實施例還提供一種用於準許加入節點加入到無線網孔狀網絡的方法，該方法包括在同步、排定的發射時刻和整個預定空間方向的排定發射方向，從一個或多個無線網孔狀網絡的工作節點發射邀請分組。在延遲時間以後，在預定空間方向從加入節點檢測到發射的響應。
本實施例還提供一種將加入節點添加到無線網孔狀網絡的方法，該方法包括至少一個第一網絡節點和第二網絡節點。在一個實施例中，該方法包括接收該加入節點的位置信息和指定至少一個網絡節點開始與該加入節點通信。該方法還包括在至少一個網絡節點沿朝向加入節點預計位置的方向發射邀請分組和在網絡節點接收響應於邀請分組的應答。
本實施例還提供一種將加入節點添加到包括一個或多個網絡節點的無線網孔狀網絡的方法。在一個實施例中，該方法包括指定至少一個網絡節點開始與加入節點通信，在至少一個網絡節點，開始與加入節點通信，掃描加入節點最大概率所處的第一扇區。隨後，該方法包括掃描加入節點較低概率所處的扇區和在網絡節點接收響應於邀請分組的應答。
本實施例還提供一種準許一個或多個加入節點加入到無線網孔狀網絡的方法。該方法的一個實施例包括安排數據分組的發射，通過邀請在預定頻率信道和預定方向的網絡節點創建頻譜行為，用於檢測一個或多個加入節點頻譜行為的方向。在一個或多個加入節點的一個加入節點，該方法包括在預定頻率信道掃描頻譜和不同的空間方向來識別邀請網絡節點的無線頻率行為、識別朝向邀請網絡節點的空間方向和調諧到已識別空間方向中的預定頻率信道來接收數據分組之間由邀請網絡節點發射的邀請分組。
上述優選實施例的討論只是通過介紹提供的。這一部分的內容不應當用作對下面限定本發明範圍的權利要求書的限制。
圖1表示現有技術基於點到多點無線網的圖；圖2表示無線網孔狀網絡的圖；圖3表示在新節點加入到網絡以後的圖2的無線網；圖4是基於網孔狀無線網的備選實施例的圖；圖5是說明圖2無線網的網絡節點操作的流程圖；圖6是說明圖2無線網的加入節點操作的流程圖；和圖7是說明圖2無線網的控制節點操作的流程圖；具體實施方式
本實施例描述了一種新穎的自動加入過程方法和裝置，設計用來利用邀請網絡節點和加入節點的時間、頻率和空間同步算法準許空間分散的無線節點加入到無線網。新的自動普遍加入算法過程設計來準許加入包括空間分集天線的無線網絡節點。新的網絡節點添加到包括其它無線節點的無線網絡，每個無線節點也包括空間分集天線。在此新穎的網絡拓撲中，必須同時調整加入節點方向上的邀請網絡節點的波束瓣，同時同步發射和接收時間和頻率，對網絡現有的通信業務具有最小的中斷和最小的開銷。
所說明的方法對於不同類型的波束調整技術是通用的。例子包括用相位陣列天線、基於單個天線的電波束轉換或波束調整、或覆蓋不同空間扇區的多個天線之間的電波束轉換所實現的波束調整。
當前的實施例描述這樣一種網絡，其中新加入節點的空間波束分集通過使收發信機能夠將其波束瓣從一個角度方向轉換到另一個以便使其接收和發射波瓣指向現有相鄰網絡節點來實現。同時安排通信的其它相鄰網絡節點將其發射/接收波束瓣分別調整到不同的方向以便將邀請分組發射到新加入的節點。網絡中邀請節點的波束和搜索邀請分組以便準許加入到網絡的加入節點的波束之間的人工校準過程，設計用來在特定的時間、空間和頻率信道同步兩個調整的波束。
這裡所述的實施例可結合無線MESH拓撲網使用，這類拓撲網在J.Berger和I.Aaronson於1998年11月5日提交的美國專利申請09/187,665，「寬帶無線網孔狀拓撲網(Broadband Wireless MeshTopology Networks)」中描述，和包括已轉換多波束天線設計的網絡節點，類似於J.Berger等人提交的美國專利申請09/433,452，「用於無線數據分組的空間轉換路由器(Spatially Switched Router forWireless Data Packets)」所述的設計，申請09/187,665和申請09/433,452都併入這裡作為參考。
現在參見圖2，它表示無線網孔狀拓撲網20。圖2的無線網20包括三個工作節點，包括節點21、節點22和節點24，尋求加入網絡的加入節點23。在一個實施例中，節點21、22、23、24從與一個或多個節點無線通信的一個或多個用戶無線站傳送用戶數據。該無線網孔狀拓撲在始發數據的裝置和數據最終目的地之間提供多個連接。
無線網20的組織只是示範性的。其它的實施例將包括定向到不同方向的其它數量的網絡節點。例如，在一個實施例中，網絡20還包括提供網絡20控制功能的控制節點。該控制節點可以是傳送用戶數據的無線網絡節點21、22、23、24的其中一個，或者可以是專用於網絡20控制功能並與網絡20節點無線或有線通信的單獨節點。
網絡節點21、22、23、24可能全都大致相同或者可能設計不同。但是，每個網絡節點21、22、23、24配置成與一個或多個位於遠處的無線裝置，例如其它網絡節點進行雙向無線通信。
每個網絡節點21、22、23、24包括具有電波束調整能力的天線。每個網絡節點21、22、23、24的天線覆蓋大約120度的大扇區(或任何其它的覆蓋扇區大小)。因此，網絡節點21包括覆蓋扇區202的天線；網絡節點22包括覆蓋扇區204的天線；網絡節點23包括覆蓋扇區206的天線；網絡節點24包括覆蓋扇區208的天線。每個扇區202、204、206、208包括十六個扇區，也稱為子扇區。每個子扇區覆蓋7.5度。每個子扇區可以任何適當的方式識別。在一個例子中，這十六個子扇區分別識別為子扇區(0)到子扇區(15)。
在圖2的無線網20中，網絡中的每個節點通過該節點和相鄰節點之間建立的無線鏈路與相鄰節點傳送數據。因此，網絡節點21和22經已建立的無線鏈路26通信、節點21和節點24經無線鏈路25通信和節點22和節點24經無線鏈路28通信。
如圖2所示，新的或加入節點23正加入網絡20。加入節點23的初始位置允許創建與節點21的鏈路27和與節點23的鏈路29。但是，如圖2所示，與節點22有關的扇區204和與節點23有關的扇區206不重疊。在節點22、23的定向天線之間沒有直線的視線路徑。由於這些非重疊扇區204、206，節點22和節點23不能直接通信。
圖3說明在將節點23添加到網絡20的加入過程完成以後圖2的無線網孔狀拓撲網20。在圖3中，無線鏈路27已經在加入節點23和工作節點24之間建立。無線鏈路29已經在加入節點23和工作節點21之間建立。加入節點23現在是網絡20的工作節點。
圖3說明一些與網絡20的節點21、22、23、24有關的扇區202、204、206、208的各個子扇區。在所說明的實施例中，加入節點23選擇也識別為子扇區(14)的扇區31與也描述為子扇區(6)的節點22的扇區46通信。此外，加入節點23選擇相應於子扇區(6)的扇區39與也識別為節點24扇區13的節點24扇區47通信。
圖4說明包括所說明實施例網絡節點48、49、50、51的無線網孔狀拓撲網40的備選實施例。在網絡40中，節點48可以經無線鏈路54與節點51通信。同樣，節點51經無線鏈路53與節點50通信，節點50經無線鏈路52與節點49通信。但是，節點48的扇區覆蓋不與節點49的扇區覆蓋或節點50的扇區覆蓋重疊。同樣，節點49的扇區覆蓋不與節點48的扇區覆蓋或節點51的扇區覆蓋重疊。
在圖4網絡40的安排中，節點48、49、50、51的相互空間位置和扇區覆蓋定向可用於安排或調整邀請過程，通過該邀請過程發射邀請分組由加入節點接收。在圖4的特定實施例中，節點48不被節點49和50邀請。也就是說，節點48不接收節點49或50發射的邀請分組。同樣，節點49可由節點50邀請加入網絡40，但沒有被節點48或節點51邀請。由於節點48和49的非重疊扇區，節點50和51可以在相同的時間和頻率邀請它們。
優選地，工作和加入節點的物理位置以及工作和加入節點扇區覆蓋的方向性在開始加入過程之前考慮。通過利用此信息，加入過程可以通過減少完成加入過程和將一個或多個新的加入節點添加到網絡40所需的時間量和邀請傳輸量來優化。
圖5是說明圖2網絡20的網絡節點操作的流程圖。圖5所說明的方法可以作為將加入節點添加到已建立工作節點的網絡的加入過程的一部分來執行。該方法在方框500開始。
在選擇方框502，該網絡節點接收關於網絡中工作節點的位置和關於加入節點位置的信息。關於新節點拓撲位置的信息通過使用與加入節點或安裝人員有關的GPS裝置、通過計算機化地圖或通過其它計算機輸入的人工或自動裝置為網絡及其節點所知。此信息傳送到該節點用於處理。
方框502和附圖中用虛線示出的其它方框表示可以有選擇地包括此方框。應當理解附圖中所示的行為是示範性的，可以任何適當的方式刪除、補充或重新調整。
在方框504，網絡節點確定當前時間是否滿足將邀請發射到加入節點的發射時間。發射邀請這樣來安排，以使每次只有一個網絡節點或一組網絡節點朝向特定方向和在特定的頻率信道發射。所有其它的節點具有時間幀，它包含邀請加上最大傳播延遲的長度，在傳播延遲中它們是寂靜的並在收聽。可能每次有一個以上的節點發射，如果在任何收聽節點不可能彼此幹擾的話。例如，在圖4的實施例中，節點48和49可以在相同的時間和相同頻率發射邀請。這是因為加入節點不可能同時處於節點48和49的覆蓋區內。
在圖5的可選擇方框506，該網絡節點選擇一子扇區用於發射邀請。此行為特別適用於圖3的實施例中，其中每個節點包括能夠在較大扇區內較窄定義的子扇區發射和接收的高度定向天線。當覆蓋角度或扇區細分為較小的扇區或子扇區時，則邀請每次在不同的子扇區以這種方式發送，即在整個預定時間量使用所有的扇區。例如，如果扇區的天線覆蓋角度是120度，但是此角度細分為每個7.5度的16個子扇區，邀請分組通過一個扇區在排定的時間發送，因此在16次發射以後整個天線覆蓋角度都已使用。可以執行根據加入節點大致位置的現有知識的不同掃描，同時減少加入時間。
此外，除了扇區以外，在方框506，可以選擇或分配一頻率用於發射邀請。當發射在多個頻率信道都可能時，使用扇區和信道的多個組合。例如，在2個不同頻率操作的網絡中，節點的16扇區天線將利用頻率和扇區的分配組合預定32次(2×16＝32次)的發射邀請分組。在此例中，如果邀請每100毫秒發送一次，這在3.2秒的持續時間內將覆蓋所有可能的組合。
在方框508，邀請從該節點發射由加入節點接收。該邀請優選地具有加入節點期望和可識別的預定格式。發射可以具有任何適於執行這裡所述加入過程的格式和內容。在方框510，在發送發射以後，網絡的節點收聽加入節點在收到邀請以後發射的響應或應答。收聽在所說明的實施例中通過激活節點的接收機電路和利用網絡節點的定向天線掃描一個或多個預定扇區或頻率來實現。例如在簡單的時分雙工情況下，接收機調諧到所發射邀請的相同頻率和相同的波束方向。
在方框512，節點確定它是否已收到應答。如果否，在方框514，選擇下一個頻率和天線波束或扇區用於發射另一個邀請。然後控制返回到方框504。如果在方框512收到應答，則在方框516加入過程繼續。已建立的網絡節點與加入節點交換信息，包括定義可用於與加入節點進行無線通信的其它相鄰節點的位置的信息。
圖6是說明加入節點加入圖2無線網孔狀網絡20操作的流程圖。圖6說明用於實現加入節點被準許加入網絡的加入過程的方法。
通常，根據所說明的實施例，網絡中已經存在的每個工作節點在預先排定的時間發送分組。此分組稱為邀請分組。當加入節點從它以前未連接的網絡節點收到邀請，和它們都屬於同一網絡和有權在它們之間創建鏈路(「加入」)時，加入節點在預定延遲以後應答。此預定延遲作為邀請分組的一部分發射。邀請網絡節點知道它需要在當時收聽應答和傳播延遲的不確定性。授權的應答或加入請求將開始要結束整個加入的過程。
該方法在方框600開始。在選擇方框602，加入節點接收執行加入過程所使用的掃描信息。例如，掃描信息可以告知加入節點何時掃描、在什麼頻率掃描和在什麼方向掃描。加入節點可以任何方便的方式，例如無線傳輸、有線通信或安裝者的人工通信接收該掃描信息。
在方框604，加入節點選擇掃描順序。該掃描順序可以定義特定的頻率或方向掃描和掃描的相對順序。掃描順序選擇可以響應於在方框602收到的掃描信息進行。在方框606，加入節點選擇用於掃描邀請的定向天線的扇區。該扇區選擇可以響應於在方框602收到的掃描信息進行。在方框610，加入節點選擇掃描頻率。該頻率選擇可以響應於在方框602收到的掃描信息進行。
在方框612，加入節點收聽已發射邀請。該邀請具有加入節點期望的預定格式。收聽通過激活加入節點的接收機電路和檢測、解調和解碼已接收發射來實現。
如果在方框614沒有邀請收到和被識別，控制進行到方框616，在此確定用於加入節點的掃描時間是否已經過去。如果否，這控制返回到方框612來繼續收聽邀請。如果掃描時間已經過去，控制返回到方框604，在此確定新的掃描順序。新的掃描順序可以使用不同的方向、不同的頻率或其它的變化來定位邀請發射。
如果在方框614，邀請收到並被識別，則控制進行到方框618。在方框618，收到邀請。在等待預定的延遲時間周期後，方框620，加入節點發射應答。應答可以具有任何適當的格式或內容。優選地，該應答最好具有一個或多個網絡節點接收和識別的預定時刻和格式。
在所說明的實施例中，每個加入節點一次只在一個特定的頻率收聽一個扇區。加入節點將繼續收聽該扇區必要多的排定邀請發射，以保證邀請節點在所有可能允許的頻帶和所有可能的扇區發送邀請。在前一個例子中，邀請每100毫秒發送32次，該節點將在給定扇區等待並調諧在預定頻帶在3.3秒加上邀請分組的持續時間內接收信號。這是最差情形的時間用於在上述給定條件下接收邀請。
在備選實施例中，優選地顛倒邀請節點和收聽節點的角色，以使邀請節點在一個扇區足夠多次的發送邀請以便確保收聽節點在所有可能的覆蓋角度和頻率信道搜索信號。該過程在預定的時間量內掃描所有允許的扇區和頻率組合。
如果兩個加入節點同時應答來自同一網絡節點的同一邀請，這它們的傳輸會存在碰撞。當發生碰撞時，網絡節點只檢測到噪聲，就像沒有收到任何應答。通過使收聽節點每次以不同的順序和從相鄰節點以不同的順序掃描扇區或頻帶可以解決碰撞。這樣，下一次在同一扇區從同一邀請網絡節點具有邀請，已經碰撞的兩個原始的加入節點不會同時或在同一頻率看到邀請節點，減少或消除碰撞的可能性。
圖7是說明圖2無線網孔狀拓撲網20的控制節點操作的流程圖。如前所述，控制節點或網絡計算機伺服器可以包含在網絡中來提供控制或監督功能。控制節點或計算機伺服器可以通過無線或有線鏈路連接到一個或多個網絡的工作節點。
上述完全自動的加入過程可以通過使控制節點或中央計算機伺服器或其中一個節點只授權特定的網絡節點、扇區和頻率組合發出邀請來縮短。例如，在圖2中，如果節點23是新安裝的，則有可能不讓節點22參與加入過程，如果已知節點23和22之間不可能存在連接的話。無連接可能是由於缺乏視線或由於節點22覆蓋角度與節點23的覆蓋角度不重疊。在這種情況下，減少可能的節點會減少它自動連結新加入節點與網絡節點21和24所用的時間。
根據各種現有網絡節點的位置和相對角度定向，本方法能夠排列加入過程的優先級來縮短加入過程的持續時間。例如，根據已經用於在圖3網絡20中的現有網絡節點之間通信的扇區，假設已經知道節點22大致的拓撲位置為止，網絡計算節點24經扇區47可與節點23建立鏈路29。加入過程將排列系統的優先級以使下一次邀請在選定的節點、選定的扇區和預先選定的頻率開始。加入節點通過將其接收機調諧到可能允許的頻率來掃描扇區。這樣可以最小化允許新的加入節點加入網絡所需的時間。該方法開方框700開始。
在方框702，位置信息在控制節點或計算機化伺服器接收。關於新節點拓撲位置的信息通過使用與加入節點或安裝者有關的GPS裝置、通過計算機化地圖或通過其它計算輸入的人工或自動裝置為網絡所知。該網絡伺服器可以根據地理資料庫和網絡拓撲選擇一組可能的鏈路、限制只對可能的鏈路自動建立新鏈路和排列邀請的優先級，節省時間。一旦與新節點建立鏈路，這建立加入節點方位角定向的知識。此角度定向從例如得知圖3中節點23扇區39和節點24扇區47之間的鏈路29的扇區數目推導出來。此信息用來產生更精確的位置估計來識別可以與加入節點最有可能建立的其它鏈路，例如圖3中節點23扇區31和節點21扇區46之間的鏈路27。這進一步排列加入過程的優先級並最小化加入時間過程。
在方框704，根據已接收的位置信息，控制節點選擇一個或多個工作節點作為邀請節點。如所述，此選擇可用於最小化加入時間或優化任何其他參數來進行。在方框706，控制節點分配用於選定邀請節點天線波束的方向和頻率。此選擇可再次根據已接收的位置信息或任何其他優選標準來進行。在方框708，控制節點開始發射。在一個實施例中，這例如包括將波束方向和頻率信息，以及定義發射何時應當開始的時間指示發射到選定節點。
在方框710，控制節點選擇下一組邀請節點。一旦覆蓋所有相關的組合，另一組節點變成邀請節點。下一組可以隨機地選擇、從中央計算機化伺服器預先編程選擇、或採用任何其它的技術，例如基於找到最有可能覆蓋加入節點位置的最近網絡節點的方法選擇。這組邀請節點的成員優選地是預定的從而減少或最小化新加入節點同時位於一個以上網絡節點覆蓋角度的可能性。
在方框712，控制節點確定加入過程是否完成。這例如通過監視確定加入過程的網絡節點之間的通信或通過從加入節點或另一個工作節點接收確認通信來實現。如果加入過程沒有完成，則控制返回到方框704來選擇節點作為邀請節點。如果加入過程結束，則該方法在方框714結束。
現在將通過多個實施的例子描述所公開的實施例。首先，在圖3的無線網孔狀拓撲網20中，節點21、22和24是通過虛線25、26和28表示的無線連接連結的網絡節點。節點23是網絡20新安裝的節點，能夠經與節點21的無線鏈路27和與節點24的鏈路29加入網絡。每個節點21、22、24具有一個扇區，分別包括扇區202、204、208，表示用於無線通信並通過具有可以轉換到每一個子扇區方向波束的掃描定向天線提供業務。如圖3所示，與每個節點有關的子扇區通過順時針方向編號來表示，從扇區(0)開始到扇區(15)結束。
在新節點23加入到網絡之前，它用可能的一列網絡操作頻率{f1，f2，f3，f4}預編程。這種編程可以通過安裝者或其它人員的無線或有線編程來實現。這列頻率和其它的編程信息存儲在加入節點23。
作為加入過程的一部分，節點21和24被命令尋找新節點23並與加入節點23建立無線鏈路。這些命令和相關的控制信息可以在與網絡20有關的控制節點、計算機化伺服器產生，或者可以利用網絡20的通信節點21、22、24的其中之一產生。或者，該信息可以由安裝加入節點23所涉及的安裝人員提供。也可以使用其它來源的控制和定位信息。
在一個實施例中，關於新節點23的位置不知道任何信息，這要進行完整的扇區掃描以便定位節點23。在根據此例的備選實施例中，關於加入節點23大致位置的信息已知，邀請限於從和到節點21、24通信。
為了開始加入過程的通信，節點21和24通過掃描任何適當數目的特定扇區開始發送邀請分組。對於此例，節點21和24開始在總共16個可用子扇區的9個選定子扇區上發射。這9個選定子扇區優選地集中在加入節點23的預計方向。節點21被命令在頻率f1掃描，節點24被命令在不同的頻率f2掃描。節點21、24同時開始掃描，因為它們在不同的頻率，因此不會引起對接收節點23的幹擾。在另一個實施例中，兩個節點21、24可以利用相同的頻率掃描。利用不同的頻率會減少在新節點23碰撞的機會。通過掃描，意味著節點21、24在與節點21、24有關的扇區202、208的預定子扇區上在預定時間和預定頻率發射預定的邀請分組。
在上述的例子中，節點21將在扇區(2)到(10)發送邀請分組。它將從扇區(6)開始，因為此扇區在正確方向上被分配最高開始概率。然後通過掃描扇區(5)、(7)、(4)、(8)、(3)、(9)、(2)、(10)的順序掃描較低概率的扇區。換句話說，節點21首先掃描最高概率的子扇區，子扇區(6)，其中最高概率的子扇區是根據網絡收到的位置信息加入節點最高概率所處的方向。隨後，連續掃描在最高概率扇區(6)第一側並緊鄰最高概率扇區(6)的第一扇區，扇區(5)和掃描在最高概率扇區(6)第二側並緊鄰最高概率扇區(6)的第二扇區，扇區(7)。掃描從最高概率扇區(6)以扇區為單位散開，掃描最高概率扇區(6)每一側的一個扇區，然後跳到緊鄰最高概率扇區(6)另一側已經掃描扇區的扇區。
另一種可能的掃描是通過一次跳至少兩個扇區，然後覆蓋中間的扇區，例如首先掃描扇區(6)、(4)、(8)，然後掃描扇區(2)、(10)、(5)、(7)、(3)、(9)。換句話說，在此實施例中，節點21首先掃描最高概率子扇區，扇區(6)，其中最高概率子扇區是根據網絡收到的位置信息加入節點最高概率所處的方向。隨後，掃描在最高概率扇區(6)第一側但不緊鄰最高概率扇區(6)的第一扇區，扇區(4)。跳過緊鄰扇區(6)的扇區，扇區(5)。在掃描扇區(4)以後，掃描在最高概率扇區(6)第二側的第二扇區，扇區(8)。
第二種掃描順序開始就覆蓋更大的範圍，因此會更快地準許加入節點。最後兩種掃描都完全覆蓋扇區中的每一個。第二種掃描過程可以實現更早的與加入節點的通信，即使它們處於相鄰扇區的方向，經天線側瓣接收信號。也就是說，因為天線扇區的邊界不是突然定義的，在相鄰扇區發射的能量可以在當前正在掃描的扇區接收。跳過與剛掃描扇區相鄰的扇區利用此現象來減少定位加入節點所需的時間。在定位來自加入節點23的發射之後，節點21經相互的波瓣校準來精調與加入節點23的通信以實現最佳接收。利用相鄰扇區建立通信可以通過使加入過程最初使用較低的調製比率和因此更高的系統增益來實現，以便克服潛在更高的鏈路衰減，即在不存在精確校準時在-3dB到-14dB之間。
在節點21以f1掃描期間，節點24還被命令用頻率f2掃描，其最可能的方向是子扇區(13)。在一個實施例中，節點24將以下面的扇區順序掃描(13)、(11)、(15)、(9)、(12)、(14)、(10)。這覆蓋了遠離較高概率扇區(13)+/-4扇區或更少的所有扇區。該掃描從最高概率扇區開始，在最低概率扇區結束，根據起始扇區，在偶數扇區結束之後重複奇數扇區或相反。這裡，奇數扇區是最高概率扇區一側的第一、第三、第五等扇區。偶數扇區是最高概率扇區一側的第二、第四、第六等扇區。其它的掃描格式也是可能的，而且當沒有現有信息可用時掃描更大的範圍或當可以獲得精確的方向信息時掃描更小的範圍都是可能的。
最初加入節點23沒有連接到網絡，如圖2所示。它將自動利用第一頻率f1在預定時間內收聽子扇區(0)。這個預定時間優選地足以覆蓋邀請節點在給定頻率的至少一個完整的掃描。然後，它將利用頻率f1收聽扇區(2)。這裡，該節點會再次跳過一個扇區，掃描不緊鄰第一個掃描扇區的扇區。這是有利的，如果最初掃描的扇區因為天線側瓣格式收到在相鄰子扇區發射的邀請分組，可能的邀請信號檢測，同時通過加入過程在更高的鏈路增益操作。
在子扇區(2)收聽以後，加入節點23將跳到子扇區(4)並隨後繼續偶數子扇區。如果沒有定位到邀請分組，則節點23收聽奇數扇區。在一些實施例中，奇數扇區掃描可以利用第二頻率f2。如果邀請在任何扇區都是以頻率f1發射，則節點23有可能只利用偶數扇區就能檢測到發射。然後節點23利用第三頻率f3掃描奇數或偶數扇區，然後再利用第四頻率f4掃描。然後節點23重複此循環，當前一次掃描在掃描偶數扇區的頻率時在奇數扇區收聽，或相反。此掃描過程繼續直到收到加入網孔狀網絡的邀請。其它的掃描模式，例如從扇區(0)到(15)的依次掃描或從中央扇區(6)到使用偶數扇區然後奇數扇區的第一側和第二側也可由加入節點使用。
在一個例子中，第一個邀請由加入節點23在扇區5(圖3)利用第二頻率f2收到。該邀請由節點24在其扇區(24)而不是更精確的扇區(13)發送。注意在加入節點的接收扇區或在已建立網絡節點的發射扇區需要與在無線鏈路另一端的節點正確校準。只有一個扇區是相鄰扇區，如果確保成功的話。
在收到邀請分組以後，節點23停止掃描並停止尋找進一步的加入分組。節點23優化與節點24扇區(13)和扇區(6)的通信方向。節點23初始化和同步加入網絡20所必須的所有過程，並被準許加入網絡20。
信息由網絡20收集，因此網絡20知道節點21、23和24，和現有鏈路25、27、28、29可以維持最佳通信的扇區的大致位置。網絡20計算它將在節點23和21之間得到最佳通信的正確扇區。因為節點23已經被準許加入網絡並可以與網絡通信，所以網絡調整用於在加入節點23和網絡另一個已建立節點(圖3中未示出)之間建立下一條鏈路的時間和頻率。
在此例中，節點21在頻率f1發送邀請分組到節點23，掃描其扇區(6)、(5)、(7)。在邀請分組中，節點23被邀請在其扇區(14)、扇區(15)和扇區(13)以相同的頻率收聽加入分組。然後節點21將加入分組發射到其各自的扇區，在一個實施例中，重複總共三個發射的發射。可以應用其它數目的發射。或者，捕獲也可以經側瓣在加入節點23通過收聽扇區(15)和(13)來實現。因為側瓣的影響，通信的建立在3次嘗試內是非常可能的。此後，網絡節點21和加入節點23通過搜索最大的鏈路增益，並在節點21扇區(6)和節點23扇區(14)之間的校準結束來優化校準。
另一個例子是結合了搜索加入過程窄和寬的視野。這個例子併入了朝向加入節點的大致估計或已知方向的一個子組扇區的快速掃描和覆蓋所有視野以接近預先不知道其位置的節點的慢速掃描。這種組合的窄寬視野搜索加入過程適合位置隨機、不確定或最初的位置坐標不精確的加入節點。該過程還適合位置預先為網絡工作節點已知的新的加入節點。
當一些加入節點一起響應邀請時，收到這些響應的網絡節點無法解碼此信號。結果導致沒有響應送回到加入節點。在此例中，加入節點將啟動指數後退(back off)過程來增加避免將來碰撞的可能性。指數後退算法在IEEE 802.3 MAC協議中用於解決碰撞。還可以參見A.S.Tanenbaum，計算機網絡，第三版，Prentice-Hall，Upper SaddleRiver，NJ，1996。
根據該指數後退過程，如果加入節點沒有從邀請網絡節點收到對其邀請的響應(由於碰撞或其它原因)，則下一次加入節點收到邀請時，因為以前收到的邀請分組，它們只響應所到達邀請分組的一半。這降低了與其它同時加入分組碰撞和幹擾的概率。一些隨後收到的邀請分組將被忽略，一些響應的一個或多個節點可以隨機或偽隨機或以任何適當的方式選擇以降低隨後碰撞的概率。
在另一個例子中，為了加速加入過程，加入節點可以利用快速頻譜行為映射來識別網絡節點正在操作的頻率信道。在此過程中，網絡節點可以調諧到在工作頻率信道收聽邀請。該加入節點在不同的空間方向掃描頻譜以便在預定的頻率信道識別邀請網絡節點的無線頻率行為。然後該加入節點利用檢測到的頻譜行為識別朝向邀請網絡節點的空間方向，然後調諧到預定方向上一個或多個預定頻率信道來定位邀請節點發射的邀請分組。利用此技術，加入節點可以將在每個單獨的方向所有可能的頻率掃描的頻率數目減少到它監視頻譜行為的頻率數目。在此過程中，加入節點併入能夠同時激活天線所有扇區或任何一部分扇區的轉換陣列天線。這種節點的一個例子在與本申請具有共同受讓人的J.Berger等人的專利申請09/433,542，「用於無線數據分組的空間轉換路由器(Spatially Switched Router for Wireless DataPackets)」中進行了詳細描述。該節點可以轉換單個或多個扇區以便在特定的頻率信道檢測頻譜行為程度。
在一個實施例中，一個或多個已建立的網絡節點產生用於被加入節點檢測的頻譜行為。該網絡節點在預定的頻率信道和在一個或多個預定空間方向發射無線頻率行為信息脈衝串。該頻譜行為由加入節點用於識別加入過程期間可使用的工作頻率信道和空間扇區。該信息脈衝串可以比標準的邀請分組短得多，因為它只是設計用來識別行為。
在一個實施例中，如果特定扇區在所有搜索的頻率信道都沒有展示任何頻譜行為，則它們在隨後搜索期間被分配加入任何搜索的低優先級或者簡單地跳過。扇區缺少頻譜行為的一個原因可能是節點附近的環境。例如，節點的一個或多個扇區可能與阻隔的障礙校準，例如牆壁，這防止了與遠程無線站的視線通信或與另一個網絡節點的連接。利用頻譜行為的指示，網絡可以映射節點潛在可用於扇區的連接。對於將來加入過程邀請發射，網絡可以避免在受阻的方向發送邀請。
全球定位系統(GPS)接收機可以與節點整體或在節點的外部用於識別節點的準確位置。假設最初網絡節點在網絡的位置允許網絡同步節點相對於彼此和新加入節點的位置。在第一個節點位置提供給網絡的情況下，新安裝節點的位置可以通過用GPS裝置確定位置來報告給網絡。在新節點同一位置的GPS接收機提供表示新節點位置的數據。該數據傳送給網絡並被存儲以後使用。
該網絡將識別新節點的位置並命令附近的節點沿新位置的方向發射邀請分組。作為加入過程的一部分，選擇加入節點和網絡節點的扇區用於提供與加入節點位置最佳通信的最佳校準。一旦加入過程完成，獲得最佳校準的相對扇區與網絡通信。該網絡可以相對於彼此和地圖位置定向節點扇區。當安裝下一個節點和其坐標報告給網絡時，網絡可以識別用於發送邀請的已經工作節點的精確扇區。這減少了邀請過程的時間和處理負荷。
如果新節點的位置不可用於網絡，則網絡可以在第一網絡節點利用調諧扇區的近似方向和範圍以及範圍測量建立連接以後估計位置。該範圍測量通過發送數據分組和測量響應時間直到返回分組到達來進行，從而校準任何內部延遲。
如此，網絡可以映射相對的角度校準和網絡節點相對於加入節點的範圍。此信息可由加入節點用於適應附近網絡節點將邀請分組發射到加入節點。這通過限制網絡節點只搜索加入節點的大致方向來減少加入過程。
這裡所述的加入過程還可用於具有多波束掃描天線的網絡節點和具有單個波束天線的其它節點之間傳送邀請。在這種情況下，單個波束節點可以機械校準到其他網絡節點的方向，同時它在其單個扇區接收信號並為邀請分組掃描不同的頻率。
從上文中，可以看出本實施例總體上提供了一種將加入節點添加到無線網，特別是無線網孔狀網絡的改進加入過程。網絡節點具有可調整的波束天線並與其它附近的節點精確通信和自動校準加入節點。位置信息可用於加速該校準過程。位置信息可以由網絡在加入過程之前接收以便初始定位加入節點。另外，位置信息可以從加入節點和網絡節點之間的初始鏈路確定，以後用於完成與網絡其它附近節點的鏈路。
雖然已經表示和描述了本發明的特定實施例，但可以做修改。因此相應的所附權利要求書將覆蓋落入本發明真實精髓和範圍的這種改變和修改。
權利要求
1.一種用於無線網孔狀拓撲網的加入過程，其中網絡節點具有多個空間覆蓋子扇區，這些子扇區一起覆蓋較大的扇區角度，其中一個節點可以與位於其子扇區所覆蓋方向上的其他節點建立連接，該加入過程為該網絡添加一加入節點，包括該加入節點在預定時間內在特定的接收頻率收聽其子扇區，此後根據預定的時刻和順序改變其子扇區和接收頻率；和工作網絡節點根據現有內部網絡通信已經使用的子扇區推導出的相對位置和相對角度方向在預定的扇區、頻率和時刻傳送有組織的邀請數據分組，因此降低了頻率幹擾和降低了加入過程所需的時間。
2.權利要求1的加入過程，其特徵在於，還包括一個工作網絡節點將有組織的邀請數據分組安排分發給其它工作網絡節點。
3.權利要求1的加入過程，其特徵在於，還包括外部計算機，將有組織的邀請數據分組安排分發給網絡節點。
4. 權利要求1的加入過程，其特徵在於，還包括只利用單個扇區從具有單個空間覆蓋子扇區的一個工作網絡節點通信，該單個扇區覆蓋單個空間扇區。
5.一種用於準許加入節點加入到無線網孔狀網絡的方法，該方法包括在同步排定的發射時刻、頻率和整個預定空間方向的排定發射方向從一個或多個無線網孔狀網絡的工作節點發射邀請分組，和在延遲時間以後，在預定空間方向從加入節點檢測發射的響應。
6.權利要求5的方法，其特徵在於，發射邀請包括發射關於加入節點發射響應所用的預定延遲時間的數據。
7.權利要求5的方法，其特徵在於，發射包括掃描最初的方向；和隨後，以預定的順序掃描第一其它的方向，同時跳過第二其它的方向以便減少加入節點的定位時間。
8.權利要求5的方法，其特徵在於，發射包括將多個邀請發射到無線網孔狀網絡的一個節點覆蓋空間的各個部分。
9.權利要求8的方法，其特徵在於，發射還包括在各個天線波束上發射多個邀請。
10.權利要求8的方法，其特徵在於，發射還包括在各個頻率發射多個邀請。
11.權利要求5的方法，其特徵在於，發射包括從無線網孔狀網絡的兩個或多個節點發射非重疊的邀請。
12.權利要求11的方法，其特徵在於，還包括在無線網孔狀網絡的非發射節點，中止在發射非重疊邀請期間會干擾非重疊邀請的發射。
13.權利要求5的方法，其特徵在於，發射包括在第一邀請期間從第一組邀請節點發射邀請；和在第二邀請期間從第二組邀請節點發射邀請。
14.權利要求13的方法，其特徵在於，還包括根據預定的安排標準選擇第一組邀請節點和第二組邀請節點。
15.權利要求14的方法，其特徵在於，還包括選擇每組邀請節點的成員，以便降低加入節點在無線網孔狀網絡一個以上的工作節點的相同覆蓋區的方向大致同時檢測的可能性。
16.權利要求5的方法，其特徵在於，檢測已發射響應包括配置一個或多個節點用於檢測已發射的響應。
17.權利要求5的方法，其特徵在於，檢測已發射響應包括配置網絡節點用於在收聽時間期間檢測已發射的響應。
18.權利要求17的方法，其特徵在於，配置包括指定多個節點用於檢測已發射的響應；和掃描無線網孔狀網絡覆蓋空間的非重疊部分。
19.權利要求18的方法，其特徵在於，掃描包括在每個節點，掃描至少一個通信扇區和頻率以便在無線網孔狀網絡覆蓋空間的唯一位置檢測加入節點發射的應答。
20.權利要求5的方法，其特徵在於，還包括在控制位置，只授權一個或多個節點來發射邀請。
21.權利要求5的方法，其特徵在於，還包括根據無線網孔狀網絡節點的各個覆蓋空間指定一個或多個節點。
22.權利要求21的方法，其特徵在於，指定包括根據各個節點的地理覆蓋空間指定一個或多個節點。
23.權利要求21的方法，其特徵在於，指定包括根據各個節點的頻率覆蓋空間指定一個或多個節點。
24.權利要求21的方法，其特徵在於，還包括接收關於加入節點位置的信息；和使加入節點的位置和無線網孔狀網絡節點的覆蓋空間相關。
25.權利要求24的方法，其特徵在於，還包括排列無線網孔狀網絡覆蓋空間的一個或多個部分的優先級，用於根據關於加入節點位置的信息發射邀請。
26.權利要求5的方法，其特徵在於，還包括根據已發射響應確定加入節點的位置信息。
27.權利要求24的方法，其特徵在於，還包括在無線網孔狀網絡的一個節點接收應答中的無線鏈路定向信息；和從無線鏈路定向信息和節點的位置，確定加入節點的位置信息。
28.權利要求5的方法，其特徵在於，還包括利用在加入節點的指數後退過程解決兩個或多個加入節點大致同時響應的碰撞。
29.一種將加入節點添加到無線網孔狀網絡的方法，該網絡包括至少一個第一網絡節點和第二網絡節點，該方法包括接收該加入節點的位置信息；指定至少一個網絡節點開始與該加入節點通信；在至少一個網絡節點沿朝向加入節點預計位置的方向發射邀請分組；和在網絡節點接收響應於邀請分組的應答。
30.權利要求29的方法，其特徵在於，還包括網絡節點和加入節點之間的通信，用於選擇最佳通信的天線空間子扇區。
31.權利要求29的方法，其特徵在於，發射包括在第一網絡節點以第一頻率發射邀請分組；和大致同時地在第二網絡節點以第二頻率發射邀請分組。
32.權利要求29的方法，其特徵在於，發射包括在第一網絡節點，根據第一順序掃描扇區；和在第二網絡節點，根據第二順序掃描扇區以避免接受應答時的碰撞。
33.權利要求32的方法，其特徵在於，第一順序和第二順序在每次掃描時改變。
34.權利要求32的方法，其特徵在於，如果第一網絡節點和第二網絡節點相鄰，則第一順序和第二順序不同。
35.權利要求29的方法，其特徵在於，接收位置信息包括從位於加入節點附近的全球定位系統(GPS)接收機接收坐標數據。
36.權利要求35的方法，其特徵在於，接收坐標數據包括從集成到加入節點的GPS接收機接收坐標數據。
37.一種將加入節點添加到包括一個或多個網絡節點的無線網孔狀網絡的方法，該方法包括指定至少一個網絡節點開始與加入節點通信；在至少一個網絡節點，開始與加入節點通信，掃描加入節點最大概率所處的第一扇區；隨後掃描加入節點較低概率所處的扇區；和在網絡節點接收響應於邀請分組的應答。
38.權利要求37的方法，其特徵在於，隨後掃描包括掃描緊鄰第一扇區的扇區；和隨後掃描與緊鄰第一扇區的扇區緊鄰的扇區。
39.權利要求37的方法，其特徵在於，隨後掃描包括跳過掃描緊鄰已掃描扇區的扇區；和隨後掃描緊鄰已跳過扇區的扇區。
40.權利要求37的方法，其特徵在於，還包括接收關於加入節點的位置信息；根據關於加入節點的位置信息，識別加入節點最大概率所處的第一扇區。
41.權利要求37的方法，其特徵在於，還包括接收關於加入節點的位置信息；根據關於加入節點的位置信息，識別加入節點最大概率所處的網絡節點；和使每個已識別的網絡節點在加入節點位置的方向發射。
42.權利要求37的方法，其特徵在於，還包括從至少一個網絡節點發射邀請發射；和同步該至少一個網絡節點的邀請發射的至少一個時間、方向和頻率以避免加入節點的幹擾。
43.一種準許一個或多個加入節點加入到無線網孔狀網絡的方法，該方法包括安排數據分組的發射，通過邀請在預定頻率信道和預定方向的網絡節點創建頻譜行為，用於檢測一個或多個加入節點頻譜行為的方向；和在一個或多個加入節點的一個加入節點，掃描預定頻率信道和在不同的空間方向來識別預定頻率信道上邀請網絡節點的無線頻率行為、識別朝向邀請網絡節點的空間方向、和調諧到已識別空間方向中的預定頻率信道來接收數據分組之間由邀請網絡節點發射的邀請分組。
44.權利要求43的方法，其特徵在於，發射數據分組包括在預定頻率信道和一個或多個預定空間方向發射無線頻率行為信息脈衝串。
45.權利要求43的方法，其特徵在於，數據分組包括短數據脈衝串，具有比邀請分組更短的持續時間，而且比邀請分組更頻繁地發射。
全文摘要
本發明公開了一種用於無線網孔狀拓撲網的加入過程。在該網絡中，節點具有多個空間覆蓋子扇區，這些子扇區一起覆蓋較大的扇區角度，一個節點可以與位於其子扇區所覆蓋方向上的其他節點建立連接。該加入過程為該網絡添加一加入節點，並包括使該加入節點在預定時間內在一特定的接收頻率收聽子扇區。此後，該網絡節點根據預定的時刻和順序改變其子扇區和接收頻率。工作的網絡節點根據現有內部網絡通信已經使用的子扇區推導出的相對位置和相對角度方向在預定的扇區、頻率和時刻傳送有組織的邀請數據分組。這降低了網絡中的頻率幹擾和降低了加入過程所需的時間。
文檔編號H04L12/56GK1557070SQ01821463
公開日2004年12月22日 申請日期2001年10月25日 優先權日2000年10月30日
發明者依斯海·卡幹, 約瑟夫·伯傑, 派屈克·沃爾夫克, 伯傑, 依斯海 卡幹, 克 沃爾夫克 申請人:輻射網絡公司