TWI398178B

TWI398178B - 一種無線多跳網抗干擾擴網容的方法與系統

Info

Publication number: TWI398178B
Application number: TW098132426A
Authority: TW
Inventors: Hong Helena Zheng; Hui Lu; Jack Han Chin Tai
Original assignee: Skyphy Networks Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2013-06-01
Also published as: TW201018277A; US8583048B2; US20100087220A1

Description

一種無線多跳網抗干擾擴網容的方法與系統

本發明係關於一種無線通訊方法與系統，具體地說，是一種無線多跳網抗干擾擴網容的方法與系統，屬於無線通訊技術領域。

不同於一跳共用的無線網路，多跳無線網路的無線通訊通道是共用的廣播通道。在一多跳無線網路中，只有在一個節點之覆蓋範圍內的節點(稱為鄰居節點)才能夠收到其所發送的分組資訊，而覆蓋範圍外的節點則無法感測到任何通訊的存在。這恰恰也是多跳無線網路的優勢所在，即發送節點覆蓋範圍外的節點不受發送節點的影響，而可以同時發送分組。

現有技術中，多跳共用廣播通道帶來的直接影響就是分組衝突與節點所處的位置相關。在一跳共用的廣播通道中，分組衝突是個全局事件。換句話說，若所有節點沒有收到正確的分組，即會感測到分組衝突。但多跳網路是採用CSMA/CA(載波監聽多路訪問/衝突檢測方法)，分組衝突只是局部事件，即網路中的其他節點不一定能收到一個節點所發出的分組，從而會出現「隱藏節點」問題。

圖1是本發明之一實施例中無線通訊網路內各節點的天線覆蓋範圍的範例。如圖1所示，當節點C發出分組資訊時，由於節點A不在節點C的天線覆蓋範圍之內，因此節點A即成為不能收到分組資訊的「隱藏節點」。

已知解決「隱藏節點」的一種方法，是利用一發送節點在發送資料前，先與一接收節點進行一次短控制消息握手。舉例而言，請求發送及允許發送信號(RTS/CTS即Request to Send/Clear to Send)的傳輸即為實施短控制消息握手的方法之一。

然而，請求發送/允許發送的引入，會對整個系統的網容產生影響。若允許發送信號(CTS即Clear to Send)的發送功率太大，則會誤通知一些無關節點，使無關節點出現不必要的「等候」，降低了整個系統的網容。但另一方面，若允許發送信號(CTS即Clear to Send)的發送功率太小，則達不到通知相鄰其他節點的作用。資料包相互碰撞，同樣會導致降低整個系統的網容。因此，此技術需要在溝通信號(舉例而言，允許發送信號)的發送功率與網容間找到一個合理的平衡值。

本發明之一面向，係提供一種降低一無線網路中之通訊干擾的方法，其特徵在於，所述方法包含：辨識一中心節點的多個鄰居節點；發送一第一溝通信號給所述多個鄰居節點，其中所述第一溝通信號僅發送給所述無線網路中被所述中心節點視為所述多個鄰居節點的節點；以及根據所述第一溝通信號，當所述中心節點與所述多個鄰居節點中的一節點進行資料傳輸時，所述多個鄰居節點中的其他節點不在一同一通道中發送一資料，進而降低所述無線網路中的通訊干擾。

本發明之另一面向，係提供一種降低一無線網路中的通訊干擾的系統，其特徵在於，所述系統包含：一接收節點，可辨識多個鄰居節點，以發送一第一溝通信號給所述多個鄰居節點，其中所述第一溝通信號僅發送給所述無線網路中被所述接收節點視為所述多個鄰居節點的節點，根據所述第一溝通信號，當所述接收節點與所述多個鄰居節點中的一節點進行資料傳輸時，所述多個鄰居節點中的其他節點不在一同一通道中發送一資料，進而降低所述無線網路中的通訊干擾。

本發明的一目的，在於克服現有技術中的不足，而提供一種可極大地提高整個網路的網容的有效解決方案。本發明的方法與系統可利用調控發送溝通信號的一參數，來減少干擾並提高網容。

本發明係揭露一種無線多跳網抗干擾擴網容的方法與系統。在本發明的一實施例中，本方法與系統得以利用發送一溝通信號，而降低相鄰其他節點所可能產生的干擾，並在一發送節點與一接收節點傳輸資料分組的時間段內，避免相鄰其他節點在同一通道發送資料分組，進而降低發生干擾碰撞的方法與系統。

在本發明的一實施例中，此溝通信號可以傳送例如RTS/CTS(Request to Send/Clear to Send)信號的方式實施。舉例而言，發送節點(亦可稱為一本節點)在發送資料前，先發送如請求發送(RTS即Request to Send)信號之一溝通信號給接收節點(亦可稱為一中心節點)，以短消息的方式通知接收節點其欲進行資料傳輸，而接收節點亦可以短消息的方式，例如發送允許發送(CTS即Clear to Send)信號的一溝通信號，告知發送節點可進行資料傳輸，並進一步以短消息的方式，例如發送允許發送(CTS即Clear to Send)信號的一溝通信號，告知鄰居節點它即將進行接收，藉此避免發生不必要的資料碰撞。本發明有關辨識鄰居節點之方法將伴隨圖3隨後描述如下。

根據本發明，中心節點發出的如允許發送(CTS即Clear to Send)信號之溝通信號的一參數，例如一發送速率和一發送功率，可被有效的選擇和控制，使得整個網路既能達到有效地消除鄰居節點間的干擾，亦可極大地提高整個網路系統的容量，從而使其無線多跳網網路吞吐量、抗干擾性都得到大幅度的提高。

有關本發明對發送一溝通信號的參數，例如對允許發送(CTS即Clear to Send)信號的一發送速率和一發送功率，採用有效的機制進行選擇和控制，而達到圍繞降低干擾，並擴大網容的細節，詳述如下。

圖4是本發明的一實施例中溝通信號的傳送的範例。如圖4所示，在本發明的一實施例中，節點A(即發送節點或本節點)需要與節點O(即接收節點或中心節點)通訊，節點A可在例如一探測通道，先發送一個溝通信號，例如一請求發送(RTS即Request to Send)信號，若節點O有空閒通道，則節點O在探測通道發送一個對應的溝通信號，例如一允許發送(CTS即Clear to Send)信號，以通知節點A可以進行資料傳輸。

在本發明之一較佳實施例中，節點O(即中心節點)更可同時通知周圍相鄰的節點B、C、D(即鄰居節點)，在節點A與節點O資料傳輸期間，不要在同一通道發送資料，以免發生碰撞。

根據本發明，降低干擾並擴大網容係可利用發送調控溝通信號的一參數實施。在本發明的一實施例中，發送溝通信號的一參數可為一發送速率。圖2是本發明的正確範圍與干擾範圍的一範例。如圖2所示，溝通信號的發送範圍可包含一正確接受範圍與一干擾範圍。在一實施例中，正確接受範圍可定義為信噪比(SNR即signal-to-noise ratio)大於正確解調需要的限值，而干擾範圍可定義為信號大於雜訊但小於正確解調需要的限值。

根據本發明，在干擾範圍最小化的前提下，提高溝通信號 (例如允許發送信號)的發送速率，即可以增加單跳的吞吐量。這是因為速率調高，傳輸時間短，因此，在一單位時間內，網路利用率即提高。但是，速率高的同時，信噪比(SNR即signal-to-noise ratio)亦會變大，因此，要達到同樣的傳輸範圍，發送功率也會相應提高，進而導致干擾範圍變大。

舉例而言，在密集的小型無線網路裏，其中所有節點皆可互見，即均在同一傳輸範圍之內，因此，在速率高的情況下，產生大干擾範圍對其影響不大，所以，密集的小型無線網路適合調高發送速率，以提高本地的網路容量。

舉另一範例，在大型的無線網路裏，所有節點不在同一傳輸範圍內，因此，在速率高的情況下，產生大干擾範圍對其影響很大，調低溝通信號的發送速率，可以降低整體的干擾。所以，大型的無線網路適合調低發送速率，以提高整個無線網路的系統吞吐量。

在本發明的另一實施例中，發送此溝通信號的一參數可為一發送功率。本發明調控溝通信號的發送功率的關鍵，是在發生干擾碰撞以及系統網容間取得平衡。當發送功率太大時，溝通信號會誤通知一些無關節點，使得本節點發送資料分組的時間段內，其他節點因避免發生干擾碰撞，而停止發送資料分組，反而導致無關節點出現不必要的「等候」，進而降低了整個系統的網容。

另一方面，當發送功率太小，溝通信號達不到通知相鄰其他節點的作用，資料包相互碰撞，同樣會導致降低整個系統的網容。由於發送功率的大小會干擾到鄰近本節點的其他節點，且與網路的拓撲結構有關，而多跳網路的拓撲結構又非常複雜，因此，每個節點本身都需要具備智慧控制的機制，根據其個別所屬的環境與狀態隨機改變其發送功率。

根據本發明，發送溝通信號(例如允許發送信號)的發送功率可被調控，以通知一切會干擾到發送該溝通信號的節點的其他節點。為了降低干擾，各個節點可自行調控其發送功率，以能夠達到目標節點的最小發送功率來發送信號。換句話說，各個節點能夠達到所有目標節點的最小發送功率，會決定該節點對其他節點產生干擾的範圍。

參照圖3，係本發明的一實施例中傳送信號封包的範例。在本發明的一實施例中，中心節點(即節點O)透過鄰居節點(即節點A、B、C、D、E)對其發出的一封包，例如一協議包(Signal Packet)，來辨識所有會干擾到中心節點的其他節點。因此，發送協議包的功率將決定中心節點對其鄰居節點的辨識。

在本發明的一實施例中，無線網路中的各節點自行調控其發送功率的一方法，是先設定該節點進行發送的一最大發送功率，即P，此最大發送功率可根據能達到所有目標節點的最小發送功率而定。

接著，無線網路中的各節點可通過週期性地發送一封包給中心節點，例如一協議包(Signal Packet)，使中心節點得以辨識其周圍的鄰居節點為何。根據本發明，協議包的功率可以下列公式算出：協議包功率(SP Power)=最大發送功率(P)+信噪比(SNR)。

其中，由於協議包需要能夠被所有會收到干擾的其他節點解調，因此，協議包的發送功率可設定為該節點發送的最大發送功率，即P，而信噪比(SNR即Signal-to-noise ratio)可為允許發送(CTS即Clear to Send)信號的發送速率的信噪比。

在本發明的一較佳實施例中，由於各節點裝置的具體應用環境，包括氣候，天氣，地形等的不同，會導致各個裝置個體的細小差異，因此，本發明引入環境變數(margin)對系統進行具體的修正。也就是說，上述協議包的發送功率，可設定為節點發送的最大發送功率，即P，與其信噪比(signal-to-noise ratio)及一環境變數(margin)的和值，亦即，協議包功率(SP Power)=最大發送功率(P)+信噪比(SNR)+環境變數(margin)。

其中，信噪比(SNR)是例如允許發送信號的溝通信號的發送速率的信噪比(SNR)，而環境變數可為一探測變數，由RNC(RTS no CTS)來計算，其具體計算方式，可參照共同申請人其律師登錄號為SKYF-1US之，標題為「單天線多通道的無線通訊方法及裝置」的申請中專利案。

在一較佳實施例中，本發明更可延長各節點發送協議包的週期與/或減少協議包的大小，以減少協議包對整個系統網路資源的消耗。

根據本發明，當中心節點收到一個或多個協議包之後，即可利用此協議包的資訊，計算需要發送的溝通信號的發送功率，例如允許發送信號的發送功率。在本發明的一實施例中，溝通信號的發送功率通過以下公式得到：溝通信號發送功率=最大損耗值Max(loss)+信噪比(SNR)。

其中，最大損耗值可在各鄰居節點中，以查表方式取得，而信噪比為例如允許發送信號的溝通信號的發送速率的信噪比。

在本發明的一較佳實施例中，由於各節點的具體應用環境，包括氣候，天氣，地形等的不同，會導致各個裝置個體的細小差異，因此，本發明引入環境變數(margin)對系統進行具體的修正。也就是說，上述溝通信號的發送功率，可設定為最大損耗值，即Max(loss)，與其信噪比(signal-to-noise ratio)及一環境變數(margin)的和值，亦即，溝通信號發送功率=最大損耗值Max(loss)+信噪比(SNR)+環境變數(margin)。

其中，最大損耗值可在各鄰居節點中，以查表方式取得，而信噪比為例如允許發送信號的溝通信號的發送速率的信噪比，而環境變數可為一探測變數，由RNC(RTS no CTS)來計算，其具體計算方式，可參照共同申請人其律師登錄號為SKYF-1US之，標題為「單天線多通道的無線通訊方法及裝置」的申請中專利案，已如上述。

在本發明的另一較佳實施例中，溝通信號的發送功率更可引入一底噪(noise floor)值對系統進行具體的修正。也就是說，上述溝通信號的發送功率，可設定為最大損耗值，即Max(loss)，與其信噪比(signal-to-noise ratio)與環境變數(margin)以及一底噪值的和值，亦即，溝通信號發送功率=最大損耗值Max(loss)+信噪比(SNR)+環境變數(margin)+底噪值(NF)。

其中，最大損耗值可在各鄰居節點中，以查表方式取得，而信噪比為例如允許發送信號的溝通信號的發送速率的信噪比，而環境變數可為一探測變數，由RNC(RTS no CTS)來計算，其具體計算方式，可參照共同申請人其律師登錄號為SKYF-1US之，標題為「單天線多通道的無線通訊方法及裝置」的申請中專利案，已如上述，而底噪可為除了信號之外所有雜訊的總合。

如圖3所示，節點O收到鄰居節點A、B、C、D、E各自發送過來的協議包後，會統計出其資料分組傳送過程中，對其分組傳送可能會產生干擾的相鄰節點，即節點A、B、C、D、E點。節點O查表得到節點A、B、C、D、E與其之間的損耗(loss) 值，取其最大即Max(loss)。並可通過上述公式取得例如允許發送信號的溝通信號的發送功率。

在本發明的又一實施例中，降低干擾並擴大網容更可透過調控溝通信號的發送速率與發送功率實施，其細節已描述如上，不再贅述。

藉此，本發明的有益效果是：1、抗干擾性得到了質的提高；2、大大提高了無線網路的網容；3、價格低，維護方便，使用壽命長；4、方法簡單，實現容易，適用範圍廣。

本發明已通過以上具體實施例作一詳細說明，惟以上所述者，僅用以說明本發明的較佳實施例而已，並不能限定本發明的實施範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明專利涵蓋範圍內。

A、B、C、D、E‧‧‧鄰居節點

O‧‧‧中心節點

圖1是本發明之一實施例中無線通訊網路內各節點的天線覆蓋範圍的範例。

圖2是本發明的正確範圍與干擾範圍的一範例。

圖3是本發明的一實施例中傳送信號封包的範例。

圖4是本發明的一實施例中傳送溝通信號的一範例。

A、B、C、D、E‧‧‧鄰居節點

O‧‧‧中心節點

Claims

一種降低一無線網路中之通訊干擾的方法，該方法包含：辨識一中心節點的多個鄰居節點；發送一第一溝通信號給該多個鄰居節點，其中該第一溝通信號僅發送給該無線網路中被該中心節點視為該多個鄰居節點的節點；根據該第一溝通信號，當該中心節點與該多個鄰居節點中的一節點進行資料傳輸時，該多個鄰居節點中的其他節點不在一同一通道中發送一資料，進而降低該無線網路中的通訊干擾；以及調整該中心節點發送該第一溝通信號的一功率，其中該功率是該中心節點與該鄰居節點間的一最大損耗值以及一信噪比的一和值。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該辨識步驟包含：檢測一信號封包，以將發送該信號封包給該中心節點的一節點視為該中心節點的該鄰居節點。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第一溝通信號是一允許發送信號。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該功率更包含一環境變數。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該功率更包含一底噪值，是該無線網路中所有雜訊的一總合。
如申請專利範圍第2項所述的方法，其中發送該信號封包的一功率，是該節點所發送的一最大功率與一信噪比的一和值。
如申請專利範圍第6項所述的方法，該功率更包含一環境變數。
如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該節點週期性地發送該信號封包給該中心節點。
如申請專利範圍第1項所述的方法，更包含根據該無線網路的一大小，調整發送該第一溝通信號的一速率。
如申請專利範圍第1項所述的方法，更包含發送一第二溝通信號，其中該第二溝通信號係可優先於該第一溝通信號被發出，使該中心節點根據該第二溝通信號，進而發送該第一溝通信號給該多個鄰居節點。
如申請專利範圍第10項所述的方法，該第二溝通信號是一請求發送信號。
如申請專利範圍第2項所述的方法，該信號封包是一協議包。
如申請專利範圍第8項所述的方法，該節點是可調整發送該信號封包給該中心節點的一週期或改變該信號封包的一大小。
一種降低一無線網路中的通訊干擾的系統，該系統包含：一接收節點，可辨識多個鄰居節點，以發送一第一溝通信號給該多個鄰居節點，其中該第一溝通信號僅發送給該無線網路中被該接收節點視為該多個鄰居節點的節點，根據該第一溝通信號，當該接收節點與該多個鄰居節點中的一節點進行資料傳輸時，該多個鄰居節點中的其他節點不在一同一通道中發送一資料，進而降低該無線網路中的通訊干擾，其中該接收節點是可調整發送該第一溝通信號的一功率，以及其中該功率是該接收節點與該鄰居節點間的一最大損耗值以及一信噪比的一和值。
如申請專利範圍第14項所述的系統，其中該接收節點將發送一信號封包給該接收節點的一節點視為該鄰居節點。
如申請專利範圍第14項所述的系統，該第一溝通信號是一允許發送信號。
如申請專利範圍第14項所述的系統，其中該功率更包含一環境變數。
如申請專利範圍第14項所述的系統，其中該功率更包含一底噪值，是該無線網路中所有雜訊的一總合。
如申請專利範圍第15項所述的系統，其中該鄰居節點所發送的該信號封包的一功率，是該鄰居節點所發送的一最大功率與一信噪比的一和值。
如申請專利範圍第19項所述的系統，其中該功率更包含一環境變數。
如申請專利範圍第15項所述的系統，其中該鄰居節點週期性地發送該信號封包給該接收節點。
如申請專利範圍第14項所述的系統，其中該接收節點可根據該無線網路的一大小，調整發送該第一溝通信號的一速率。
如申請專利範圍第14項所述的系統，該系統更包含一發送節點，供發送一第二溝通信號給該接收節點，該第二溝通信號可優先於該第一溝通信號被發出，使該接收節點根據該第二溝通信號，進而發送該第一溝通信號給該多個鄰居節點。
如申請專利範圍第23項所述的系統，其中該第二溝通信號是一請求發送信號。
如申請專利範圍第15項所述的系統，其中該信號封包是一協議包。
如申請專利範圍第21項所述的系統，其中該鄰居節點可調整發送該信號封包給該接收節點的一週期或改變該信號封包的一大小。