评估无线电传输信道质量的方法及使用该方法的住宅网关

技术领域

本发明涉及无线数据传输网络中对传输信道质量进行评估的方法。

背景技术

在IEEE标准802.11中，定义了一种这样的广泛使用的网络。在这种类 型的网络中，站支持多个传输信道，在网络启动时必须选择它们中的一个用 于站之间的通信。由于各种原因每个信道可得到的传输质量都不相同。例如， 信道可能已被另一个网络的站占用、它可能携带来自非网络来源的噪声、由 于多条传播路径的破坏性干扰引起信号衰减可能较高等等。常规地，站基于 检测所有支持的信道的能量级的扫描来确定适合用于网络通信的信道。如果 某个信道上来自其他来源的噪声水平低于预定的阈值，或者如果它低于其他 信道的噪声水平，那么可以认为该信道适合用于网络通信。

这种方法可以被快速简单地实施，但并不总是令人满意，因为并不总是 有足够多的无噪声的信道可用，并且信道中噪声最小的那个也不总是提供最 佳通信质量的信道。为了允许在多个或多或少有些噪音的信道之间做出选择， 有人建议检测信道中噪声的某些频谱特征，并基于所述特征判定噪声是否或 者在何种程度上可能会损害网络通信。实施这种方法往往代价高昂，因为检 测频谱特征需要专用电路，这将增加执行这种方法的站的成本。此外，目前 似乎也没有这样的频谱特征或特征集可用，可以通过这样的频谱特征或特征 集可靠地判断信道上存在的某种形式的噪声是否或在何种程度上会损害网络 通信。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种评估无线网络中传输信道的质量的方法， 该方法容易实施，并且如果有需要，只需要使用最少的专用硬件。

通过包括下列步骤的方法实现该目的：

a）第一站通过待评估的传输信道发送第一单播消息到第二站；

b）如果从第二站未接收到对第一单播消息的确认，那么第一站以更高的 功率级发送另外的单播消息，以及

c）如果从第二站接收到对第一或任何另外的单播消息的确认，那么基于 触发所述确认所需的功率级或重新发送的次数评估传输信道的质量。

由于该方法使用网络消息评估信道质量，因此评估结果并非只与该信道 中存在的噪声的功率级有关，而是由噪声和网络消息的相容度自动加权，而 不需要确定噪声的哪个频谱特征可能与它的相容性相关，也不需要提供用于 检测这些频谱特征的专用硬件。第一站对执行本发明的方法来说必须的并且 一旦选择了某个信道对网络通信可能不是需要的唯一的技术特征是修改发送 第一单播消息的功率级。

本发明的方法理想地适用于IEEE802.11类型的无线网络。

在这种网络中，第一单播消息可能是探测响应消息，如通常由IEEE 802.11网络的第一站在它接收到来自第二站的探测请求消息时发送。探测请 求消息通常由第二站在被称为主动扫描的过程中发送，其被希望连接到IEEE 802.11网络的第二站用于识别现有的网络并找出该网络正在使用可用传输信 道中的哪一个。

由于第一站只有在存在希望连接的第二站时才需要对传输信道的质量进 行评估，因此上述方法的步骤a）可以由第二站发送探测请求消息来触发。

在步骤b）中，具体地，如果在第一单播消息的发送预定延迟内未接收 到来自第二站的确认，那么会实施重新发送。

优选地，第一站是IEEE802.11网络的接入点。由于一个接入点可能与若 干个第二站相关联，因此所有的这些第一和第二站都可以受益于本发明的方 法，尽管只有一个站适于执行该方法。这使得本发明的方法能够很方便且经 济地实施。

当已经成功地对多个信道进行如上所述的质量评估时，应该在进一步的 方法步骤d）中识别获得最佳质量的信道，并且该信道应该被用于随后的步 骤e）从所述第一站向所述第二站发送消息，如果信道是双向的，那么也从第 二站向第一站发送消息。

为了可靠地评估传输质量，在步骤a）中发送单播消息的功率级应该小于 稍后在步骤e）中发送消息的功率级。传输信道的质量只有在它们中的至少一 个中观察到至少一个传输错误时才可以进行比较，通过以较低功率级发送单 播消息，可以将传输错误的概率提高到甚至是在单个短消息中可能发生错误 的程度。

甚至在步骤e）中在一段时间中已经选择并使用了最佳信道来发送消息， 重复上述方法可能也是合适的，以便为了应对在此期间可能发生的传输质量 的变化。这种重复可以以规则的间隔进行，或者可以由试图关联到网络的第 二站发送探测请求来触发。

在IEEE802.11网络中，探测请求和探测响应包括发送它的站所特有的站 标识符信息。如果第一站将它的标准站标识符信息（也称为SSID）包括在步 骤a）和b）中发送的探测响应消息中，那么与该第一站的网络相关联的第二 站可能从接收这些消息时的低功率得出信道质量已经恶化的结论，并且可能 因此不必要地尝试关联到在其附近的另一个网络。为了避免这一点，第一站 应该优选地将别名(alias)站标识符信息包括在它在步骤a）和b）中发送的消 息中，别名站标识符信息不同于在步骤e）中发送的消息中包括的标准站标识 符信息。

尽管如此，从第一站接收到包括别名站标识符信息的消息也可能触发来 自第二站的关联请求。第一站应该拒绝这种请求，因为当它已经完成评估给 定信道的质量时，它会停止使用别名站标识符信息，使得如果第二站试图将 有效载荷消息发送到别名站标识符信息识别的站，这些信息将会丢失。

如果网络包括多个第二站，那么分别对每个第二站和每个传输信道执行 上述步骤a）至c）是合适的。如果为每个传输信道建立了与第一站通信的第 二站的数目，那么可以改善由此获得的每个传输信道的质量评估，并且如果 存在并非所有的第二站都能够在上面进行通信的信道，那么所评估的传输信 道的质量会相应地降低。

附图说明

下面将参考示意性附图通过举例更加详细地说明本发明的优选实施例， 图中：

图1是实施本发明的无线传输系统以及它的工作环境的框图；

图2是图1中网络的各站之间交换的消息的图；

图3是评估图1中网络的两个站之间传输信道的质量的方法的流程图； 以及

图4是基于使用图3的方法收集的数据选择传输信道的方法的流程图。

具体实施方式

图1是实施本发明的IEEE802.11无线网络的相当简略的示意图。在图1 中，网络包括单一接入点1（例如住宅网关）和多个客户站2a至2d。接入点 1和客户站2a至2d支持多个无线通信信道，接入点1正在使用这些信道之一 和与它相关联的客户站进行通信。因此，接入点1为与之相关联的客户站提 供对有线网络6（如互联网）的接入，并管理这些客户站之间的通信。给定 的客户站只有在它位于接入点1的无线电传输范围3（在图1中用虚线圆表 示）之内时才能够与无线网络相关联。

在IEEE802.11类型的无线网络中，许多客户站是可移动的，在客户站移 动时任何一个客户站和它相关联的接入点之间的传输质量可能会发生变化。 例如在图1中，客户站2a不仅在接入点1的范围3内，而且在另一接入点4 的范围内，使得在图1所示的位置处，客户站2a可以选择是与接入点1的网 络相关联还是与接入点4的网络相关联。如果站2a已经从范围3以外的位置 移动到它当前的位置，如箭头5所示，那么可能的情况是，站2a当前与接入 点4相关联，由于它正在靠近接入点4的范围的边界，因此与接入点4通信 的质量正在恶化。

在这种情况下，为了识别可以通过它保持与有线网络6的连接的另一个 接入点，站2a需要找出在它的传输范围内是否存在其可能相关联的任何其他 的接入点。为达到此目的，根据IEEE802.11，有两种方法是可用的。

根据被称为被动扫描的第一种方法，客户站2a调谐到感兴趣的信道，并 侦听一段时间，看它是否接收到信标信号。在IEEE802.11下，接入点在提供 服务的那些信道上周期性发送信标信号。由于站2a在每个信道上需要花费的 等待时间必须至少和信标信号的周期一样长，因此这种方法往往相当缓慢。

因此，根据被称为主动扫描的第二种方法，站2a发送广播探测请求，并 等待比信标信号的周期更短的时间，看是否接收到来自任何接入点（即1或 4）的探测响应。探测响应通常包括其源自的接入点的站标识符信息SSID， 使得当客户站2a接收到来自给定接入点的探测响应时，它可以使用在探测响 应中接收到的SSID将单播消息寻址到请求关联到该接入点网络的接入点。

被动和主动扫描都要求接入点正在工作并且已经选择至少在上面发送信 标信号并最终发送探测响应消息的信道。然而，当接入点1在其他接入点（例 如4）已经在工作并占用至少一些IEEE802.11下可用的传输信道而且可能存 在无线电噪声的其它来源的环境中启动时，接入点1需要判定哪个可用信道 提供最佳通信质量。下面将对做出这种判定的方法进行说明。

该方法依赖于接入点1和它范围3内的任何客户站2之间的消息交换， 如图2示意性所示。接入点1已经调谐到它支持的各个信道中的一个给定信 道，并正在侦听该信道。在主动扫描的过程中，客户站（例如，站2a）在该 相同的信道上发送探测请求消息，标记为“请求”。在正确建立网络之后，接 入点1接收该消息，并以显著低于它稍后用来与它的范围3之内的客户站通 信的功率级的功率级发送探测响应消息“响应1”。如果执行主动扫描的站2a 不是非常接近接入点1，那么它不会收到“响应1”。如果接入点1在规定的 时间间隔内未接收到来自站2a的任何响应，那么在接入点1中产生超时，并 且接入点1以高于“响应1”的功率级的预定功率级发送探测响应消息“响 应2”。在图2的示例中，“响应2”的功率级仍然不够到达站2a。因此站2a 未接收到任何响应，具体是在规定的时间间隔内不会对来自接入点1的“响 应2”进行确认。在进一步的步骤中，接入点1然后以更高的功率级发送“响 应3”的消息，最终该消息足以被客户站2a接收到，并使得客户站2a发送确 认给接入点1。接入点1在接收到确认之前发送的响应的数量直接代表该活 跃信道（active channel）的传输质量。

图3是结合图2所示的消息交换在接入点1内执行的处理步骤的流程图。 在第一处理步骤S1中，接入点1选择质量待评估的信道。在步骤S2中，它 等待所选信道上的探测请求。如果在预定的等待时间内未接收到任何探测请 求，那么该过程可能中止，并选择另一个信道。当在步骤S2中接收到探测请 求时，在步骤S3中将重复计数器n置为1，在步骤S4中，较低功率级的探 测响应被发送到发出探测请求的客户站（例如，站2a）。然后，接入点1等待 来自请求的客户站2a的确认。如果接入点1在规定的时间间隔内未接收到来 自站2a的确认，那么在步骤S5中产生超时，在步骤S6中接入点1检查重复 计数器n是否已经达到预定的最大计数值nmax。如果未达到，那么重复计数 器n递增，并增加发送功率，步骤S7。在进一步的步骤中，该方法返回到S4， 以增加的功率级发送另一个探测响应。如果此功率级足够触发来自客户站2a 的确认，那么在步骤S8中将重复计数器的值n与客户站2a的标识符信息i 相关联地存储。

如果接入点1未接收到确认，并且如果重复计数器已经达到nmax，在步 骤S6，这可能反映了已经以接入点1能够提供的最高功率发送最新近的探测 响应的事实，那么在步骤S9接入点存储数据对i，n+x。为了使得区分其中至 少nmax次尝试后才接收到确认的情况和其中未接收到的情况，x的值优选地 应该至少为1。为了防止接入点1在与客户站之一的通信已经失败的信道上 开始网络操作，x的值大于1是有益的。

当对接入点1支持的每个信道和接入点1的范围3内的每个客户站2a至 2d都已经执行过图3的方法时，在接入点1上存储与每个信道相关联的、指 示对每个客户站i在所述信道上发送的探测响应的数量n的数据对（i，n）的 列表。这种数据对的数目在每个信道之间可能各不相同，因为一个信道可能 会被严重地干扰以至于尽管客户站可能正在该信道上广播探测请求但是接入 点1接收不到它们。在参照图4描述的信道选择方法的第一阶段考虑了这一 事实。在该方法的初始步骤S11中，客户站计数值ns被置零。接着，在步骤 S12中，接入点1选择它支持的传输信道中的一个，在步骤S13中获取与该 信道相关联的数据对（i，n）的列表，并确定列表中这种数据对的数目np。 在步骤S14中，如果np高于ns，那么ns被设置为等于np，否则保持ns不 变。在S15中，如果存在未被选择的信道，那么过程返回到S12。因此，当 对所有的信道都已经执行过步骤S13和S14时，ns是接入点1在任何给定的 信道上可以与之通信的客户站的最大数目，并且理论上其应该等于范围3内 客户站2a-2d的数目。

在步骤S16中，接入点再次选择信道，并在步骤S17中比较与该信道相 关联的数据对的数目np和数目ns。如果np<ns时，那么在步骤S18中舍弃该 信道，即它被标记为不够资格用于网络操作，因为存在至少一个不能使用该 信道进行通信的客户站。只要还没有以这种方式检查过所有的信道，该过程 就会从S19返回到S16；否则它继续前进到S20再次选择一个信道。步骤S21 计算所选信道的所有客户站i上的重复计数n的总和Q。再次，重复步骤S20 和S21直到对所有的信道都已经执行过这两个步骤。最后，在步骤S23中选 择具有最低Q值的信道以用于操作网络。

显而易见地，通过将x设置为较大的正值，可以产生较强的偏置以防止 选择在其上向客户站发送探测响应已经失败的信道。

改变接入点1与其相关联的客户站2a至2d通信所使用的信道的需求也 可能在它们的网络正在工作时出现，例如由于客户站的位移，或者由于来自 其他来源的噪声水平的变化。在原理上，上面描述的方法在这种情况下也是 适用的：用于找出是否存在可以提供比网络当前正在使用的信道更好的传输 质量的信道。如果在这种情况下接入点1使用较低功率级的并且包括接入点 1的SSID的探测响应来响应来自客户站的探测请求，那么执行主动扫描的客 户站检测到该消息将会导致该客户站认为与接入点1通信的条件较差，并可 能引导它关联到另一个接入点（例如，图1的接入点4），尽管该客户站实际 上较之接入点4更接近接入点1。

为了避免出现这样的后果，根据本发明的优选实施例，接入点1使用两 个身份，标准SSID和别名SSID。标准SSID用于接入点1发送的所有消息， 除了那些在图3的步骤S4中以低于接入点1的最大额定发送功率的功率级发 送的探测响应。这样，任何正在执行主动扫描的站都将从接入点1接收到包 括其最大额定功率的标准SSID的消息（因此具有接入点1可以提供的最佳信 噪比），而包含别名SSID的探测响应消息将以较低质量接收。因此，基于它 接收到的信号电平，客户站会得出这样的结论：由标准SSID识别的接入点具 有较强的信号，值得与之相关联，而使用别名SSID的接入点具有一般的信号 质量，不应该与之相关联。

然而，不能完全排除客户站会发出与别名SSID相关联的请求。虽然接入 点1将会接收到这样的请求，但是，由于它不能指向正确的SSID，因此接入 点1不会同意关联，这样在进一步的尝试中客户站将发送关联请求到标准 SSID，然后该请求可能会被同意。

本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下使用本发明的其他 实施例。无线网络具体是根据IEEE802.11标准之一的网络，而且任何其他的 无线网络也可以使用本发明的方法进行测试。因此，本发明在于所附的权利 要求中。