無線區域網路時鐘同步化方法與媒體存取控制器的製作方法
2023-05-13 03:24:16
專利名稱：無線區域網路時鐘同步化方法與媒體存取控制器的製作方法
技術領域：
本發明為一種時鐘同步化方法與媒體存取控制器，尤指應用於一無線區域網路中兩節點間的時鐘同步化方法與媒體存取控制器。
請參考
圖1。圖1為一現有計算機10的功能方塊圖。計算機10中設有中央處理器CPU0、北橋電路NB0、南橋電路SB0、內存12、繪圖加速卡16、顯示器18、外圍裝置P0、儲存裝置M0。為了存取無線網絡22B，計算機10中可裝設無線網絡卡20B。中央處理器CPU0用來主控計算機10的操作；北橋電路NB0電連於中央處理器CPU0以及內存12、繪圖加速卡16之間，用來管理三者間的高速的信息往來傳輸。內存12用來以揮發性的方式儲存中央處理器CPU0運作時所需的信息或程序。中央處理器CPU0要顯示於使用者的圖形數據，會由繪圖加速卡16處理後傳輸至顯示器18，由顯示器18將其顯示出來。南橋電路SB0則連接於北橋電路NB0以及一總線24(像是PCI總線，peripheralcommunications interface總線)之間，而總線上則連接有外圍裝置P0(像鍵盤、滑鼠等輸入裝置，或是音效卡等等)，用來以非易失性的方式儲存信息的儲存裝置M0(像是硬碟、光碟機等等)以及無線網絡卡20B。南橋電路SB0用來管理總線24上各裝置與中央處理器CPU0間較低速的數據傳輸。
在計算機10的網絡存取裝置中，無線網絡卡20B則可以是遵循IEEE802.11無線區域網路(WLAN，wireless Local Area Network)的無線網絡電路，同樣也設有媒體存取控制器MAC以及物理層電路PHY。在開放系統互連(OSI，Open System Interconnection)的網絡架構下，媒體存取控制器MAC用來實現無線網絡中媒體存取控制層(MAC layer，Medium Access Control layer)的功能。當計算機10要存取網絡資源時，媒體存取控制器可由其相關的物理層電路取得數字型式的信息，予以處理並上傳至計算機主機；計算機10要傳輸至網絡的信息，會由媒體存取控制器加以封包、安排網絡存取的實體地址，並將封包後的數據傳輸至對應的物理層電路；同樣地，網絡通過對應物理層電路傳來的信息，也會由媒體存取控制器將其封包解開。
網絡卡中的物理層電路PHY則是用來實現網絡中的物理層(Physicallayer)功能，要傳輸至網絡的信息在經過媒體存取控制器的處理後，會傳輸至對應的物理層電路，由物理層電路將其編碼調變為適合傳輸的信號以傳輸出去；物理層電路也可接收網絡傳來的信號並將其解碼、解調，以將信號中的信息取出，回傳至對應的媒體存取控制器。無線網絡存取中的物理層電路PHY包括有基頻電路、射頻電路(未標)等等電路，基頻電路可將媒體存取控制器MAC傳來的信息進行基頻處理，再由射頻電路將其以無線電方式發射出去；無線網絡傳來的射頻無線電信號也會由射頻電路接收，由基頻電路將其解調後轉換為電子信息以回傳至媒體存取控制器MAC。
在計算機10要實際存取網絡資源時，無線網絡卡都會配合一加載至內存12的無線網絡驅動程序26B，來管理計算機10與網絡間往來的信息。其中，無線網絡驅動程序26B配合無線網絡卡20B建立數個描述符TxB(不同的描述符TxB分別標為TxB(1)至TxB(n2))及描述符RxB(不同的描述符RxB分別標為RxB(1)至RxB(m2))，分別用來指向存儲空間DTB及DRB。要傳輸至無線網絡22B的信息會存在描述符TxB所指向的存儲空間DTB中，由無線網絡22B接收到的信息則會存在描述符RxB所指向的存儲空間DRB中。利用描述符TxB及RxB，媒體存取控制器MAC以及中央處理器CPU0就能由內存12中取得要傳輸至無線網絡的信息以及由無線網絡傳來的信息，達到計算機10存取無線網絡22B的目的。
為了適應無線網絡的特殊需要，無線網絡存取的描述符還要另外指示無線網絡存取的特殊狀態。舉例來說，因為無線網絡22B和計算機10之間沒有實體網絡傳輸線連接，當計算機10要傳輸一筆無線通訊信息至無線網絡22B時，計算機10也無法確定該筆由無線網絡卡20B以無線方式傳輸出去的無線通訊信息是否已經被無線網絡22B另一端的終端機順利接收，此時中央處理器CPU0可要求無線網絡22B在接收到這筆無線網絡信息後，回傳一確認收悉的響應(acknowledge)信息至計算機10。在實際實施時，當中央處理器CPU0通過無線網絡驅動程序26B將該筆無線通訊信息儲存至一存儲空間DTB，會安排一描述符TxB來指向該存儲空間DTB時，並在該描述符TxB中特別指示要向無線網絡22B要求對該筆無線通訊信息的確認響應；當無線網絡卡20B中的媒體存取控制器MAC根據該描述符TxB來取得該筆無線通訊信息時，就會由該描述符TxB得知要對無線網絡要求響應。這樣一來，當媒體存取控制器MAC將該筆無線通訊信息封包時，就會在標頭處加上要求響應的相關信息，再將封包的後的無線通訊數據傳輸至物理層電路PHY，由物理層PHY將其以無線的方式傳輸至無線網絡22B。
事實上，在諸如IEEE 802.11的無線網絡架構下，除了上述的響應要求外，還有許多有別於有線網絡的設定。像是無線網絡是以無線的方式傳輸信息，除了收送信息的雙方外，任何能接收無線信號的第三方都能截獲無線傳輸的信息。為了確保信息內容不外洩，IEEE 802.11無線網絡架構下就訂定了基本的有線等效隱私(WEP，Wired-Equivalent Privacy)模式，讓收送信息的雙方將無線傳輸的信息加密，維持基本的信息隱私；而中央處理器CPU0也是以無線網絡驅動程序26B下的描述符TxB、RxB來控制媒體存取控制器MAC是否要以有線等效隱私的模式來存取無線網絡資源。
另外，為了要適應無線網絡架構下終端機(station)機動可攜的特性，在無線網絡架構下，各終端機以一存取站(access point，或稱基地臺)為網絡的中繼站。更明確地說，當一終端機(像是計算機10)要存取無線網絡22B的資源時，該終端機會以無線聯繫的方式加入一個由一存取站組織的基本服務集合(BSS，Basic Service Set)；同一基本服務集合下可有數個終端機，都以無線的方式與該基本服務集合的存取站聯繫，該存取站的無線網絡實體地址就可當作該基本服務集合的地址(BSSID，BSS identity)。當一隸屬於一第一基本服務集合的第一終端機要聯繫上屬於一第二基本服務集合的第二終端機時，第一終端機會先聯繫第一基本服務集合的存取站，由該存取站通過該無線網絡下的分布系統服務(DSS，Distribution System Service)聯繫第二基本服務集合的存取站，再由該第二基本服務集合的存取站聯繫至第二終端機，完成第一終端機與第二終端機間的聯繫。在上述的無線網絡聯繫過程中，各終端機要與各存取站取得聯繫，加入/退出一基本服務集合，通過存取站存取分布系統服務等等事項，都要通過終端機與存取站之間以特定管理(management)、控制(control)框架信息相互聯繫，像是數據傳輸時基本服務集合的地址、認知(acknowledge)、標誌(beacon)等等。
而由於終端機(station)與存取站(access point)間的工作時鐘必需達成同步方能正常運作，如何以最低電路複雜度與成本來有效同步化兩端點的時鐘，為發展本發明的主要目的。
本發明公開一種時鐘同步化方法，應用於一無線區域網路中的一第一節點與一第二節點之間，該方法包括該第一節點向該第二節點發出一請求信號；該第二節點響應該請求信號而發出一響應信號封包，該響應信號封包中包括有一時間標記值；當該第一節點收到該響應信號封包時，於該響應信號封包中附加一本地時間值；以及利用該第一節點的一控制程序來運算出該時間標記值與該本地時間值間的一差值T，該差值T可提供給該第一節點運用，以達成該第一節點與該第二節點間時鐘的同步化。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其中該第一節點與該第二節點分別為一終端機與一存取站。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其中該終端機向該存取站所發出的該請求信號為一探測請求信號(probe-request)。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其中該存取站響應該請求信號所發出的該響應信號封包為一探測響應信號封包(probe-response)。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其中該響應信號封包中所包括的該激活時間值為該存取站中一遠程計數器於該響應信號封包發出時的一遠程計數值C1。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其中該終端機附加於該響應信號封包中的該本地時間值為該終端機中一本地計數器於收到該響應信號封包時的一本地計數值C2。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其中該差值T＝C1-C2，且該差值T被存放於該終端機的一差值緩存器中。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其是將該差值T加上本地計數器的本地計數值來達成該終端機與該存取站間時鐘的同步化。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其中還包括下列步驟將已同步化的本地計數值與一標誌間隔進行運算後得到一下一目標標誌傳送時間並予以儲存；以及根據本地計數器所輸出的計數值、該差值T與下一目標標誌傳送時間緩存器中所存放的下一目標標誌傳送時間(Next TBTT)進行運算比較，進而決定正常狀態與睡眠狀態的切換時間。
根據上述構想，本發明所述的時鐘同步化方法，其中該第一節點與該第二節點分別為一第一終端機與一第二終端機。
本發明的另一方面為一種無線區域網路媒體存取控制器，設置於一無線區域網路中的一第一節點內，該無線區域網路還包括一第二節點，當該第一節點向該第二節點發出一請求信號，該第二節點響應該請求信號而發出一響應信號封包，該響應信號封包中包括有一時間標記值，而該控制器包括一本地時間值附加器，其繫於收到該響應信號封包時，於該響應信號封包中附加一本地時間值；以及一差值緩存器，將該時間標記值與該本地時間值間的一差值T予以儲存並提供給該第一節點運用，以達成該第一節點與該第二節點間時鐘的同步化。
根據上述構想，本發明所述的無線區域網路媒體存取控制器，其中該第一節點與該第二節點分別為一終端機與一存取站。
根據上述構想，本發明所述的無線區域網路媒體存取控制器，其中該終端機向該存取站所發出的該請求信號為一探測請求信號(probe-request)。
根據上述構想，本發明所述的無線區域網路媒體存取控制器，其中該存取站響應該請求信號所發出的該響應信號封包為一探測響應信號封包(probe-response)。
根據上述構想，本發明所述的無線區域網路媒體存取控制器，其中該響應信號封包中所包括的該激活時間值為該存取站中一遠程計數器於該響應信號封包發出時的一遠程計數值C1。
根據上述構想，本發明所述的無線區域網路媒體存取控制器，其中該終端機附加於該響應信號封包中的該本地時間值為該終端機中一本地計數器於收到該響應信號封包時的一本地計數值C2。
根據上述構想，本發明所述的無線區域網路媒體存取控制器，其中系將該差值T加上本地計數器的本地計數值來達成該終端機與該存取站間時鐘的同步化。
根據上述構想，本發明所述的無線區域網路媒體存取控制器，其中還包括一下一目標標誌傳送時間緩存器，其是將已同步化的本地計數值與一標誌間隔進行運算後所得到一下一目標標誌傳送時間予以儲存，進而使本控制器可根據本地計數器所輸出的計數值、該差值T與該下一目標標誌傳送時間(Next TBTT)進行運算比較，進而決定正常狀態與睡眠狀態的切換時間。
根據上述構想，本發明所述的無線區域網路媒體存取控制器，其中該第一節點與該第二節點分別為一第一終端機與一第二終端機。
TxB(1)-TxB(n2)、RxB(1)-RxB(m2)描述符差值緩存器41下一目標標誌傳送時間緩存器42
而該探測響應信號封包(probe-response)的格式則如圖3(a)中所示，其中主要包括一媒體存取控制器封包表頭(MAC Header)以及一數據下載(datapayload)區，而數據下載(data payload)區中包括有一時間標記值(Time Stamp)的信息，而該時間標記值(Time Stamp)為該存取站中一遠程計數器(通常為一64位的計數器)於發出該探測響應信號封包時所產生的一遠程計數值C1。
至於該探測響應信號封包被該終端機的無線網絡裝置中物理層電路(PHY)收到後，便上傳至媒體存取控制器(MAC)進行處理，而本發明媒體存取控制器(MAC)的硬體便將一本地時間值附加於該響應信號封包中，進而形成如圖3(b)中所示的格式後再向上傳送。而該本地時間值為該終端機中一本地計數器(通常也為一64位的計數器)於收到該響應信號封包時所產生的一本地計數值C2。
而本發明利用該終端機的控制程序(例如無線網絡卡的驅動程序)來運算出該時間標記值C1與該本地時間值C2間的一差值T(T＝C1-C2)且存放於該終端機的一差值緩存器41中(相關圖標請參見圖4所示的功能方塊示意圖)。如此一來，將該差值T加上本地計數器的本地計數值C2後，便可與遠程計數器達成同步(C1＝T+C2)，進而完成該終端機與該存取站間時鐘的同步化。而本發明利用軟體與硬體的搭配來達成同步化的工作，將有效降低無線網絡卡的電路複雜度與成本，進而解決習用手段的缺陷，達成發展本發明的主要目的。
另外，請參見圖2，其表示出於IEEE 802.11的基礎模式(infrastructuremode)中，存取站需每隔一標誌間隔(Beacon Interval)便發出一標誌(beacon)至終端機，而終端機則需回復一信號以表示該終端機仍然處於連結狀態，因此於協議中定義有一目標標誌傳送時間(Target Beacon Transmition Time，簡稱TBTT)，其符合下列算式mod(TBTT/Beacon Interval)＝0於是，當終端機中「預測下一目標標誌傳送時間」的功能被激活時，該終端機的控制程序(例如無線網絡卡的驅動程序)，便可根據收到該響應信號封包後完成同步的計數值T+C2＝C1與下列算式來運算出一下一目標標誌傳送時間(Next TBTT)並寫入一下一目標標誌傳送時間緩存器42中Next TBTT＝[round(C1/Beacon Interval)+1]*(Beacon Interval)，其中round代表取其整數的意綜上所述，本發明媒體存取控制器(MAC)可根據本地計數器所輸出的計數值、該差值T與下一目標標誌傳送時間緩存器中所存放的下一目標標誌傳送時間(Next TBTT)進行運算比較，而能預測出存取站何時會發出標誌。如此一來，即使在終端機進入一睡眠狀態時，只需持續激活「預測下一目標標誌傳送時間」的功能，便可於存取站發出標誌前實時回復至正常狀態以進行接收與回復動作，然後再次進入睡眠狀態以節省耗電量。
另外，上述方法同樣可運用在無存取站存在的獨立基本服務集合(IBSS，Independent Basic Service Set)點對點模式(ad-hoc)等其它模式中，其作法並無太大差異，故在此不予贅述。
權利要求
1.一種時鐘同步化方法，應用於一無線區域網路中的一第一節點與一第二節點之間，其特徵在於，該方法包括該第一節點向該第二節點發出一請求信號；該第二節點響應該請求信號而發出一響應信號封包，該響應信號封包中包括有一時間標記值；當該第一節點收到該響應信號封包時，於該響應信號封包中附加一本地時間值；以及利用該第一節點的一控制程序來運算出該時間標記值與該本地時間值間的一差值T，該差值T可提供給該第一節點運用，以達成該第一節點與該第二節點間時鐘的同步化。
2.如權利要求1所述的時鐘同步化方法，其特徵在於，該第一節點與該第二節點分別為一終端機與一存取站，而該終端機向該存取站所發出的該請求信號為一探測請求信號，至於該存取站響應該請求信號所發出的該響應信號封包為一探測響應信號封包。
3.如權利要求2所述的時鐘同步化方法，其特徵在於，該響應信號封包中所包括的該激活時間值為該存取站中一遠程計數器於該響應信號封包發出時的一遠程計數值C1，而該終端機附加於該響應信號封包中的該本地時間值為該終端機中一本地計數器於收到該響應信號封包時的一本地計數值C2，至於該差值T＝C1-C2，且該差值T被存放於該終端機的一差值緩存器中。
4.如權利要求3所述的時鐘同步化方法，其特徵在於，將該差值T加上本地計數器的本地計數值來達成該終端機與該存取站間時鐘的同步化。
5.如權利要求3所述的時鐘同步化方法，其特徵在於，還包括下列步驟將已同步化的本地計數值與一標誌間隔進行運算後得到一下一目標標誌傳送時間並予以儲存；以及根據本地計數器所輸出的計數值、該差值T與下一目標標誌傳送時間緩存器中所存放的下一目標標誌傳送時間(Next TBTT)進行運算比較，進而決定正常狀態與睡眠狀態的切換時間。
6.如權利要求1所述的時鐘同步化方法，其特徵在於，該第一節點與該第二節點分別為一第一終端機與一第二終端機。
7.一種無線區域網路媒體存取控制器，其特徵在於，設置於一無線區域網路中的一第一節點內，該無線區域網路還包括一第二節點，當該第一節點向該第二節點發出一請求信號，該第二節點響應該請求信號而發出一響應信號封包，該響應信號封包中包括有一時間標記值，而該控制器包括一本地時間值附加器，其於收到該響應信號封包時，於該響應信號封包中附加一本地時間值；以及一差值緩存器，將該時間標記值與該本地時間值間的一差值T予以儲存並提供給該第一節點運用，以達成該第一節點與該第二節點間時鐘的同步化。
8.如權利要求7所述的無線區域網路媒體存取控制器，其特徵在於，該第一節點與該第二節點分別為一終端機與一存取站，而該終端機向該存取站所發出的該請求信號為一探測請求信號，該存取站響應該請求信號所發出的該響應信號封包為一探測響應信號封包，至於該響應信號封包中所包括的該激活時間值為該存取站中一遠程計數器於該響應信號封包發出時的一遠程計數值C1，而該終端機附加於該響應信號封包中的該本地時間值為該終端機中一本地計數器於收到該響應信號封包時的一本地計數值C2。
9.如權利要求8所述的無線區域網路媒體存取控制器，其特徵在於，將該差值T加上本地計數器的本地計數值來達成該終端機與該存取站間時鐘的同步化。
10.如權利要求8所述的無線區域網路媒體存取控制器，其特徵在於，還包括一下一目標標誌傳送時間緩存器，其是將已同步化的本地計數值與一標誌間隔進行運算後所得到一下一目標標誌傳送時間予以儲存，進而使本控制器可根據本地計數器所輸出的計數值、該差值T與該下一目標標誌傳送時間進行運算比較，進而決定正常狀態與睡眠狀態的切換時間。
全文摘要
本發明涉及一種時鐘同步化方法與媒體存取控制器，應用於一無線區域網路中的一第一節點與一第二節點之間，該方法包括該第一節點向該第二節點發出一請求信號；該第二節點響應該請求信號而發出一響應信號封包，該響應信號封包中包括有一時間標記值；當該第一節點收到該響應信號封包時，於該響應信號封包中附加一本地時間值；以及利用該第一節點的一控制程序來運算出該時間標記值與該本地時間值間的一差值T，該差值T可提供給該第一節點運用，以達成該第一節點與該第二節點間時鐘的同步化，而該媒體存取控制器的特徵在於具有分別可儲存該差值T與下一目標標誌傳送時間值的差值緩存器與下一目標標誌傳送時間緩存器。
文檔編號H04L7/02GK1414741SQ0215042
公開日2003年4月30日 申請日期2002年11月12日 優先權日2002年11月12日
發明者陳建村, 康碧鳳 申請人:威盛電子股份有限公司