Способ управления доступом к совместно используемой среде связи
METHOD OF CONTROLLING ACCESS TO SHARED COMMUNICATION ENVIRONMENT

Данное изобретение относится к области способов управления доступом к среде связи, совместно используемой множеством устройств радиосвязи.
Изобретение изложено в контексте систем радиосвязи на основе множественного доступа с временным разделением (Time Division Multiple Access, TDMA).
Система является системой с TDMA в том отношении, что время разделяется на кадры, используемые для связи. Для связи каждый кадр разделяется на элементарные временные интервалы, называемые временными слотами (time slot). Эта связь является также многочастотной, это означает, что система может осуществлять связь на множестве частот. Таким образом, канал передачи может рассматриваться как схема размещения с двумя измерениями, временным измерением и частотным измерением, которая определяет элементарные блоки связи (слоты), соответствующие паре временного слота и частоты, позволяющих осуществлять связь.
За редким исключением система является полудуплексной в том смысле, что связь от базы до телефона, называемая связью по нисходящей линии, и связь от телефона до базы, называемая связью по восходящей линии, не являются одновременными, а распределяются по разным временным слотам. Как правило, кадр разделяется на две части: одну часть, выделенную для трафика нисходящей линии, и другую часть, выделенную для трафика восходящей линии.
На фиг. 1 показана структура кадра в примере осуществления изобретения. Кадр 1.1 разделен на первую часть 1.2, выделенную на трафик нисходящей линии, передаваемый от базы к телефонам, и вторую часть 1.3, выделенную на трафик восходящей линии от телефонов к базе. Это изображено по оси времени 1.4 и частотной оси 1.5. Это определяет элементарные блоки связи 1.6, определяемые заданной частотой, и с длительностью, равной элементарному временному слоту. Длительность кадра в примере осуществления изобретения составляет приблизительно 10 мс, разделенных на дважды по 12 элементарных временных слотов. Этот кадр периодически повторяется.
Система связи, которая является контекстом изобретения, имеет также широковещательный канал. Этот широковещательный канал представляет собой среду связи, совместно используемую множеством терминалов связи. Каждому терминалу позволяется передавать по этому совместно используемому каналу сообщения или данные, предназначенные для всех терминалов, получающих доступ к широковещательному каналу. Этот широковещательный канал реализован в виде по меньшей мере одного элементарного блока связи 1.7 в кадре. В некоторых вариантах осуществления изобретения широковещательный канал состоит из пары соответствующих элементарных блоков связи 1.7 и 1.8 в каждой половине кадра. В этом случае один из блоков используется терминалом для передачи данных, а другой используется для приема согласно схеме кадра. Если необходимо, канал может состоять также из множества блоков.
Так как широковещательный канал используется терминалами совместно, может случиться, что несколько терминалов решат передавать по этому каналу одновременно и возникнут конфликты, препятствующие приему данных. Поэтому необходимо обеспечить способ устранения конфликтов в этой системе.
Целью изобретения является решение вышеупомянутых проблем посредством способа получения доступа к среде радиосвязи, совместно используемой множеством терминалов связи. Этот способ основан на варианте протокола множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD). Этот способ основан на прослушивании среды и передаче маркера для запроса разрешения на передачу. Терминалы, которые принимают этот маркер, затем передают подтверждение, ориентированное на разрешение занятия среды, или сообщение о конфликте, если они принимают несколько маркеров одновременно. В последнем случае отправитель откладывает свою попытку занять среду.
Изобретение касается способа получения доступа к среде радиосвязи, совместно используемой множеством терминалов связи, который включает следующие шаги, выполняемые терминалом, желающим отправить данные, предназначенные для других терминалов: шаг прослушивания среды; если среда свободна, шаг передачи маркера по среде; шаг приема ответа, переданного приемниками, которые приняли этот маркер; шаг ожидания и прослушивания среды, если ответом является сообщение о конфликте, указывающее, что несколько терминалов передали маркер, и шаг передачи данных, если принимаемым ответом является подтверждение.
Согласно одному варианту осуществления изобретения упомянутая среда определяется выделенным частотно-временным пространством в кадре TDMA, шаг прослушивания среды выполняется в течение первого временного слота; если среда свободна в течение этого первого временного слота, то шаг передачи маркера по среде выполняется в течение второго временного слота; шаг приема ответа, переданного приемниками, которые приняли этот маркер, выполняется в течение следующего временного слота.
Согласно другому варианту осуществления изобретения шаг передачи данных выполняют также в отсутствие приема ответа тем терминалом, который передал маркер.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения широковещательный канал разделяют на сегменты, связанные с каждым типом сообщения, шаг передачи или приема сообщения выполняется в соответствующем сегменте.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения сообщения, которыми обмениваются, образованы чистой синусоидой.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения способ дополнительно включает: шаг объединения в пары последовательных временных слотов, составляющих широковещательную среду; шаг разбиения всех терминалов на два подмножества: первое подмножество терминалов, называемых встречаемыми, в котором в объединенных в пару последовательных слотах первый предназначен для передачи, и второе подмножество терминалов, называемых встречающими, в котором в объединенных в пару последовательных слотах первый предназначен для приема, и шаг, на котором перед передачей данных встречающим терминалом, встречающий терминал и все встречаемые терминалы переключаются и изменяют состояние встречающий-встречаемый.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения шаг передачи данных распространяется на несколько временных слотов.
Изобретение касается также терминала, осуществляющего доступ к среде радиосвязи, совместно используемой множеством терминалов связи, которые желают отправить данные, предназначенные для других терминалов, при этом терминал содержит: средства для прослушивания среды; средства для передачи маркера по этой среде, если среда свободна; средства для приема ответа, переданного приемниками, которые приняли этот маркер; средства для ожидания и прослушивания среды, если ответом является сообщение о конфликте, указывающее, что несколько терминалов передали маркер, и средства для передачи данных, если принимаемым ответом является подтверждение.
Вышеупомянутые, а также другие особенности изобретения, станут более понятными после прочтения нижеследующего описания вариантов осуществления изобретения; упомянутое описание дается в соответствии с прилагаемыми чертежами, на которых:
На фиг. 1 показана структура кадра TDMA в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 2 показан общий алгоритм варианта осуществления способа получения доступа к широковещательной среде.
На фиг. 3 показано разделение широковещательного канала в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 4 показана структура маркера в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 5 показано объединение в пары временных слотов, составляющих широковещательный канал.
На фиг. 6 показано занятие широковещательного канала встречающим терминалом в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 7 показано занятие широковещательного канала встречающим терминалом в соответствии с вариантом осуществления изобретения с предшествующим конфликтом.
Ряд терминалов совместно использует кадр TDMA, как описано во вводной части. Поэтому эти терминалы используют совместный доступ к широковещательному каналу, к которому они подключены. Этот широковещательный канал характеризуется временным и частотным слотом, который может использоваться всеми терминалами для передачи данных на все другие терминалы. Когда терминал не имеет данных для передачи по этому каналу, он прослушивает его, чтобы иметь возможность принять данные, переданные другими терминалами по этому каналу. Обычно системы согласно изобретению не позволяют осуществлять передачу данных и одновременное прослушивание одним и тем же терминалом в течение одного и того же временного слота.
Если несколько терминалов одновременно передают данные по широковещательному каналу, то эти передачи взаимно мешают друг другу, и поэтому не могут быть приняты корректно различными пунктами назначения.
Например, известно использование алгоритмов типа CSMA/CD в широковещательных средах типа Ethernet. В отличие от предлагаемых систем, системы, осуществляющие способы типа CSMA/CD имеют широковещательную среду, доступную в течение какого-то времени, и терминалы, используя эту среду, могут самостоятельно обнаруживать появление конфликтов при передаче данных. Обычно эти системы постоянно прослушивают среду и решают передавать данные, когда среда была свободна в течение заданного времени. Если конфликт возникает в течение этой передачи, отправитель чувствует это, так как он не принимает данные, которые сам передал. В этом случае он ожидает в течение заданного времени и предпринимает следующую попытку передачи.
Этот способ не может использоваться в контексте систем, соответствующих настоящему изобретению. Во-первых, невозможно прослушивать и передавать одновременно, и таким образом обнаруживать тот факт, что одна передача вступила в конфликт с другой. Во-вторых, среда доступна не непрерывно, а только в течение определенного временного слота во временном кадре, воспроизводимом периодически.
Согласно изобретению, все терминалы прослушивают широковещательный канал. Когда терминал желает отправить данные, он поступает согласно способу, показанному на фиг. 2. В течение первого шага 2.1 он прослушивает среду в течение временного слота, подобно всем терминалам. На шаге 2.2 он определяет, свободна ли среда, или передал ли другой терминал данные в течение этого временного слота. Если среда не свободна, он откладывает передачу и остается в состоянии прослушивания среды 2.1. Предпочтительно он готовится прослушивать данные, переданные другим терминалом, который опередил его. "Следующий временной слот" означает временной слот, соответствующий широковещательному каналу для следующего кадра или для следующей половины кадра, если широковещательный канал реализован временным слотом в течение каждой половины кадра. Если среда свободна, то в течение следующего временного слота терминал передает маркер для запроса доступа к широковещательному каналу; это шаг 2.3.
В течение временного слота, следующего за передачей маркера, терминал еще раз прослушивает среду; это шаг 2.4. Это необходимо фактически для того, чтобы определить, действительно ли его маркер передан на другие терминалы без конфликта. 3атем он определяет, принимает ли он ответ на маркер, который он передал; это шаг 2.5. В случае если ответ не получен, делается вывод, что априорно терминалов нет в радиусе доступа, а, следовательно, и в положении для приема переданных данных. При этом все еще есть возможность выбрать, передавать данные или нет; это является произвольным выбором реализации. Согласно примеру осуществления изобретения на фиг. 2, данные затем передаются в течение шага 2.7.
В случае, когда получен по меньшей мере один ответ, необходимо определить, был ли конфликт во время передачи маркера. С этой целью терминалы, которые принимают маркер, отвечают согласно числу маркеров, которые они приняли. В случае, когда они приняли только один маркер, они отвечает подтверждением. В случае, когда они принимают несколько маркеров, даже если они не имеют возможность сосчитать принимаемые маркеры и определить их точное число, они отвечают сообщением о конфликте. Соответственно, терминал, который передал маркер, в течение шага 2.6 анализирует принимаемые ответы, чтобы определить, был ли конфликт. Если он принял по меньшей мере одно сообщение о конфликте, то он ожидает в течение заданного времени, чтобы сделать следующую попытку; поэтому он снова переходит к шагу 2.1. Если принимаются только подтверждения, терминал может затем передать свои данные в течение шага 2.7.
Предпочтительно среда связана с широковещательным каналом, который задан частотно-временным пространством и разделяется на сегменты, связанные с каждым типом сообщения, которым обмениваются. Этот разделение может быть сделано по времени, по частоте или их комбинации. На фиг. 3 показан пример такого разделения. Согласно этому примеру среда, связанная с широковещательным каналом, имеет длительность по времени Т и полосу частот В. Эта среда разделяется на четыре сегмента 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4. Сегмент 3.1 ([0, Т/2], [0, В/2]) служит для передачи маркеров. Сегмент 3.2 ([0, Т/2], [-В/2, 0]) служит для передачи подтверждений. Сегмент 3.3 ([Т/2, Т], [0, В/2]) служит для передачи сообщений о конфликте. Сегмент 3.4 ([Т/2, Т], [-В/2, 0]) служит для передачи подтверждений для трафика данных. Сообщения с данными, в свою очередь, используют всю среду. Должно быть понятно, что это распределение является неограничивающим приме ром и что распределение может быть другим. Такое разделение широковещательной среды на сегменты облегчает распознавание различных видов сообщения.
Маркер может состоять из модулированных двоичных последовательностей, имеющих, например, ту же самую спектральную ширину, что и речевые пакеты или пакеты данных, которыми обмениваются.
Предпочтительно сигналы образованы чистой синусоидой, длительность которой меньше чем Т/2, где Т - длительность временного слота, связанного с широковещательной средой. Частота этой синусоиды выбирается в частотном слоте, образующем широковещательную среду. Предпочтительно эта частота включена в полосу, определяющую сегмент, когда среда разделяется.
На фиг. 4а показана такая синусоида 4.1, используемая как сигнал, например как маркер. На фиг. 4b показан набор таких маркеров, который принимается терминалом и представлен в частотной области. Видно, что каждая синусоида, являющаяся чистой синусоидой, представляется пиком 4.2 в частотной области. Эти пики немного смещены один от другого из-за уходов частоты, естественно влияющих на радиостанции различных узлов в сети.
Использование таких чистых синусоид в качестве сигнала выгодно в нескольких отношениях.
Это обеспечивает увеличение дальности распространения сигнала, потому что спектральная плотность мощности высока в чрезвычайно малой частотной области. Эти сигналы принимаются с высоким отношением сигнал/шум, и таким образом облегчается их обнаружение.
Эти синусоиды могут приниматься по той же самой среде, не мешая друг другу из-за ухода частоты, естественно влияющей на средства радиосвязи различных узлов в сети. Таким образом, они могут помогать при захвате и поддержании синхронизации приемников.
Кроме того, если терминалы являются неподвижными или перемещающимися с низкой скоростью, канал распространения не влияет на характеристики синусоидальных маркеров, за исключением их амплитуды, так что не требуется выравнивать их во время их обработки.
Предпочтительно их можно подсчитывать. Таким образом, отправитель маркера будет иметь возможность подсчитывать сообщения, принимаемые в ответ, и оценивать размер сети. Знание, по меньшей мере приблизительно, числа терминалов в сети может позволять ему, например, определять размер окна конкурентного доступа. Чем больше число терминалов, тем больше размер окна конкурентного доступа. Это окно является окном, в котором случайно выбирается момент новой попытки передачи маркера в случае конфликта.
В дальнейшем описании последовательные временные слоты, составляющие широковещательную среду, будут соединяться в пары. Это показано на фиг. 5. На этой фигуре показаны два последовательных кадра для двух случаев. Первый случай (5.1) иллюстрирует первый кадр, состоящий из двух половин кадров: первой, выделенной для передачи (ТХ), и второй - для приема (RX). Каждая половина кадра содержит временной слот (5.2 и 5.3) зарезервированный для широковещательного канала. В этом случае широковещательный канал используется поочередно при передаче и приеме в соответствии с режимом кадра. "Режим кадра" означает порядок половин кадров, то есть согласно первому режиму кадра первая половина кадра выделяется для передачи, а вторая - для приема. Во втором режиме кадра первая половина кадра выделяется для приема, а вторая - для передачи.
Следовательно, можно видеть, что на фиг. 5 кадры 5.1 находятся в первом режиме кадра, а кадры 5.6 - во втором режиме кадра. В соответствии с этим, слоты широковещательного канала 5.2, 5.4, 5.8 и 5.10 зарезервированы для передачи, в то время как слоты 5.3, 5.5, 5.7 и 5.9 выделены для приема.
Альтернативно, когда единственный слот выделен широковещательной среде в кадре, два последовательных слота могут быть объединены в пару аналогичным образом, и режим кадра приписывается им для определения, какой из этих двух слотов выделен для передачи, а какой - для приема.
Терминал называется встречаемым (greeted), если в объединенных в пару последовательных слотах первый выделен для передачи. Терминал называется встречающим (greeter), если в объединенных в пару последовательных слотах первый выделен для приема.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения все терминалы разделяются на два подмножества. Первое подмножество состоит из встречаемых терминалов, в то время как второе состоит из встречающих терминалов. Цель состоит в том, что в определенный момент только встречающим терминалам разрешается передавать по широковещательному каналу. Распределение терминалов в этих двух подмножествах является произвольным. Предпочтительно это распределение гарантирует, что эти два подмножества по существу равны по числу. Например, случайный выбор, когда терминал запускается, может назначать ему характеристику встречаемого или встречающего. В примере осуществления изобретения на основе цифровой европейской системы беспроводной связи (Digital European Cordless Telecommunications, DECT) можно распределять терминалы в одну или в другую группу согласно четности/нечетности их временного опознавательного номера, называемого временным идентификатором пользователя портативного устройства (Temporary Portable User Identity, TPUI).
Предпочтительно, чтобы дать всем терминалам возможность передавать, можно чередовать состояние каждого терминала или периодически случайно задавать новое состояние. Здесь состояние терминала означает, является ли он встречаемым или встречающим.
Занятие широковещательного канала встречающим терминалом описано в связи с фиг. 6. Направленная вверх стрелка иллюстрирует передачу, направленная вниз стрелка иллюстрирует прием. Когда стрелка сплошная, она иллюстрирует передачу или прием данных; когда она пустая, фактически никакой элемент данных не передается. Терминалы пронумерованы от N1 до N5. На фигуре показаны три кадра, пронумерованные от Т1 до Т3. Терминалы N1 и N3 - встречающие терминалы, потому что первая половина кадра выделяется им для приема. Терминалы N2, N4 и N5 - встречаемые терминалы, потому что первая половина кадра выделяется им для передачи.
В течение первого шага встречающие терминалы прослушивают среду; это выполняется в течение первой половины кадра Т1. В этом варианте осуществления изобретения временной слот, синхронизирующий шаги, состоит из половин кадров. Только N1 желает передать данные. Не обнаружив какой-либо трафик в течение первой половины кадра, N1 передает маркер в течение второй половины кадра Т1. Этот маркер принимается встречаемыми терминалами N2, N4 и N5. Встречающий терминал N5 не принимает маркер от N1, так как он установлен в положение передачи в течение этой половины кадра; поэтому он не предупреждается относительно намерения N1 использовать канал.
В течение первой половины кадра второго кадра Т2, встречаемые терминалы, которые принимают маркер от N1, передают подтверждение, которое принимается N1. N3 не участвует в связи. N1, принимая подтверждения и не принимая сообщения о конфликте, знает, что он может использовать широковещательный канал для передачи своих данных в течение следующего кадра, кадра Т3. Аналогично, встречаемые терминалы N2, N4 и N5 знают, что N1 будет использовать канал, так как он был единственным терминалом, который передал маркер. Тогда все эти терминалы переключают и изменяют состояние встречающего-встречаемого, за исключением N3, который не информируется. Занятие канала подразумевает, что встречающий терминал, который получил канал, и все встречаемые терминалы изменяют состояние. Таким образом, в течение следующей первой половины кадра N1 является единственным терминалом, установленным в положение передачи, и поэтому он может передавать свои данные. Все другие терминалы устанавливаются в положение приема, даже встречающие терминалы, которые не были предупреждены о занятии канала N1. Поэтому данные, передаваемые терминалом N1, действительно широковещательно передаются на все терминалы.
Предпочтительно эти терминалы передают подтверждение в течение второй половины кадра Т3, чтобы указать терминалу N1 правильный прием данных.
Терминалы затем возвращаются в их начальное состояние. Согласно другому варианту осуществления изобретения этот момент используется для повторного случайного выбора состояний различных терминалов.
Предпочтительно, если объем данных, которые N1 должен передать, является большим, можно иметь несколько кадров, которые следуют друг за другом и имеют ту же самую схему как у Т3. В течение каждого из этих кадров N1 передает данные на другие терминалы. Шаг передачи данных тогда распространяется на несколько временных слотов. Предпочтительно эти данные подтверждаются в течение второй половины кадра. Альтернативно, второе подтверждение выполняется, когда были переданы все данные.
На фиг. 7 показана ситуация, когда несколько встречающих терминалов (здесь - терминалы N1 и N3) желают передавать данные и возникает конфликт. После шага прослушивания в течение первой половины кадра Т1, терминалы N1 и N3 передают маркер в течение второй половины кадра Т1. В результате каждый из встречаемых терминалов N2, N4 и N5 передает в течение первой половины кадра Т2 сигнал конфликта, а не подтверждение. Эти сигналы конфликтов принимаются встречающими терминалами N1 и N3. Эти терминалы затем выбирают случайное значение ожидания в окне конкурентного доступа. Здесь предполагается, что N1 получает право повторно предпринять попытку занятия канала сразу, а N3 ожидает в течение нескольких кадров. Из-за этого кадры Т3, Т4 и Т5 снова принимают схему кадров Т1, Т2 и Т3 фиг. 6, на которой показано занятие канала терминалом N1.
Вариант осуществления изобретения, в котором каждый терминал случайно выбирает свое состояние, уменьшает конфликты путем уменьшения числа терминалов, которые могут иметь доступ к каналу в определенный момент времени. Это уменьшение осуществляется за счет дополнительных задержек.
Согласно еще одному варианту осуществления, подтверждения не используются. В этом случае терминал, который передал маркер, полагает, что он может передавать в отсутствие приема какого-либо сигнала конфликта.
Для специалиста в данной области техники очевидно, что различные раскрытые варианты осуществления могут комбинироваться. В частности, можно комбинировать вариант осуществления на основании встречаемых и встречающих терминалов с сигналом, сформированным чистой синусоидой. Эти два варианта осуществления изобретения также могут комбинироваться с разделением широковещательного канала на сегменты.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, тот же самый способ применяется в системе радиосвязи, не являющейся системой с TDMA. В случае с системой WiFi, например, отсутствует периодический ресурс частоты и времени. В этом варианте осуществления терминалы сначала прослушивают среду, и изобретение работает согласно блок-схеме на фиг. 2, как описано ниже.
В течение шага 2.1 терминал прослушивает среду. В отличие от первого варианта осуществления изобретения, такое прослушивание не ограничено заданным временным слотом, а является заданным по умолчанию режимом, в который устанавливается терминал, когда он не имеет никаких данных для передачи.
Когда он желает передать данные, терминал определяет, свободна ли среда, которую он прослушивает; это шаг 2.2.
Если среда свободна, он передает маркер в течение шага 2.3. Момент передачи маркера является свободным и не ограничивается кадром как в первом варианте осуществления.
Как только маркер передан, терминал снова переходит в режим прослушивания для ожидания ответа; это шаг 2.4.
Терминалы, принимающие такой маркер, ответят на него. Они определят, имеется ли конфликт. По сравнению с первым вариантом осуществления изобретения, конфликт определяется немного по-другому. Состояние конфликта определяется, если два маркера передаются в такие моменты, что они перекрываются во времени. Это перекрытие может быть полным или частичным. В противном случае, если маркер принимается принимающим терминалом полностью без перекрытия, ответ передается в виде подтверждения. Если обнаруживается перекрытие, даже частичное, принимающий терминал передает сигнал конфликта.
Передающий терминал ожидает ответ в течение шага 2.5. Затем в течение шага 2.6 он проверяет, является ли принимаемый ответ сигналом конфликта. Если принят сигнал конфликта, он снова переключается в режим прослушивания шага 2.1. В противном случае он передает свои данные в течение шага 2.7.
Следовательно, можно заметить, что даже в отсутствие периодического кадра изобретение также может быть применено к другим системам радиосвязи, таким, например, как WiFi.
Предпочтительно данный вариант осуществления может комбинироваться с маркерами, реализованными в виде синусоидальных сигналов, и другими особенностями первого варианта осуществления.
Только вариант осуществления на основании распределения терминалов на встречающие и встречаемые терминалы не может комбинироваться с этим вторым вариантом осуществления.