Эффективное по мощности планирование каналов в беспроводной сети - RU2319311C2
Код документа: RU2319311C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к беспроводным вычислительным устройствам и, в частности, касается эффективного по мощности планирования доступа к каналу для беспроводных вычислительных устройств, использующих множество радиостанций.
Уровень техники
Многие беспроводные вычислительные устройства, такие как переносные компьютеры («лэптопы»), персональные цифровые помощники и т.п., могут действовать в качестве клиентских устройств в беспроводной сетевой среде. Часто все это множество клиентов осуществляет связь через сеть посредством совместно используемых радиочастотных каналов к совместно используемой точке доступа. Однако, когда большое количество таких клиентских устройств пытается получить доступ к сети, такое совместное использование точек сетевого доступа часто приводит к перегрузке и нерациональному использованию полосы пропускания. Перегрузка часто приводит к конфликтным ситуациям в канале между сигналами, несущими данные, и, следовательно, к задержкам передачи.
Для решения этих проблем были разработаны различные способы управления применительно к беспроводным сетям, которые помогают при разработке планов, позволяющих избегать конфликтные ситуации. Например, клиенты могут быть вовлечены в механизмы типа «прослушивание перед передачей» (LBT), такие как механизм многостанционного канального доступа с контролем несущей (CSMA-CA), конкурируя за место в совместно используемом канале перед передачей. Способы LBT относятся к типу распределенной согласованной функции. Технология CSMA-CA является одним из способов доступа для локальной сети (LAN) Ethernet. Однако во всех схемах LBT, если одно клиентское устройство передает в данный момент сигналы (то есть пакеты данных) по каналу, то другим отправителям приходится отказаться от передачи и ждать на протяжении случайного интервала времени, прежде чем можно будет вновь попытаться осуществить доступ. Вдобавок, даже если клиентские устройства обнаружат, что сеть свободна, два таких устройства могут осуществить доступ к каналу строго одновременно, что приведет к конфликтной ситуации между сигналами. При обнаружении конфликтной ситуации такого типа оба клиентских устройства будут вынуждены отказаться от передачи и ждать в течение случайного интервала времени, прежде чем можно будет снова попытаться осуществить передачу. Когда клиентские устройства находятся в состоянии ожидания, полоса пропускания канала используется нерационально, передача пакетов задерживается и непроизводительно расходуется мощность батареи в устройстве клиента.
Существуют другие механизмы, помогающие при планировании и позволяющие избежать конфликтные ситуации между сигналами данных в совместно используемом канале. Другим примером подобного рода является точечно согласованная функция (PCF), при использовании которой во избежание конфликтных ситуаций между сигналами выполняется многократный опрос клиентских устройств. Однако, хотя способы PCF и позволяют избежать постоянных конфликтов между конкурирующими сигналами данных, постоянный опрос по первичному каналу приводит к непроизводительному использованию большого количества ресурсов пропускания, что делает этот способ весьма неэффективным.
Хотя современные способы беспроводного доступа к каналам действительно позволяют избежать конфликтных ситуаций, они также непроизводительно используют полосу пропускания первичного канала для пересылки пакетов данных, поскольку в этих способах канал используется как для передачи управляющей информации и информации планирования, так и для пересылки полезных данных. Распределенные согласованные функции, такие как CSMA-CA, кроме того, не эффективны для передачи данных в реальном времени из-за вынужденного периода ожидания. Передача аудиоданных в реальном времени может оказаться бесполезной после вынужденной задержки, к примеру, задержки в 100 миллисекунд. Вдобавок, любой из этих способов не гарантирует доступ к каналу, причем отсутствует механизм, обеспечивающий своевременную пересылку сигналов данных, имеющих высокий приоритет.
Однако, если в точке доступа известно точное состояние каждого обслуживаемого ей клиента (например, количество пакетов, находящихся в очереди, предельные сроки передачи пакетов и приоритеты пакетов), то планирование канала для каждого клиента можно осуществлять независимо. Хотя исследователи и предпринимали попытки разработать действительно экономичные алгоритмы организации очереди на основе этой предпосылки, эти алгоритмы не получились действительно экономичными, поскольку часть полосы пропускания канала используется при передаче управляющей информации планировщику, и во многих случаях необходимо изменять протокол управления доступом к среде передачи (MAC). Таким образом, даже при применении указанных способов полоса пропускания используется непроизводительно.
Вдобавок, хотя указанные способы и позволяют в большинстве случаев избежать конфликтных ситуаций между сигналами, они приводят к неэффективному использованию мощности, поскольку в них часто используется канал с высокой мощностью для пересылки данных управления в дополнение к полезным данным. Конкретной компонентой беспроводного устройства, которая потребляет значительное количество мощности, является сетевая интерфейсная плата (NIC, СИП), обеспечивающая обработку беспроводной передачи и прием данных, передаваемых по сети. Проведенная оценка показала, что в среднем около 20% общей мощности, доступной беспроводному устройству, теряется в результате подсоединения NIC либо другой интерфейсной компоненты беспроводной LAN (локальной сети). Это происходит потому, что NIC и беспроводное устройство должны постоянно находиться в состоянии «прослушивания», чтобы принимать и передавать данные через сеть. Поскольку мощность, которую может обеспечить батарея, достаточно ограничена, минимизация энергопотребления мобильного устройства с целью увеличения времени его эксплуатации является важным аспектом при проектировании беспроводных устройств, работающих на батареях, а также систем связи, в состав которых входят указанные устройства.
Сущность изобретения
Для решения вышеописанных проблем раскрыты способ и система для эффективного по мощности планирования каналов для беспроводных клиентских устройств в беспроводной сети, где используется множество радиостанций. Эти способ и система обеспечивают оптимальное использование полосы пропускания канала и мощности в беспроводных вычислительных устройствах. Таким образом, могут быть реализованы действительно экономичные алгоритмы. Указанные беспроводные вычислительные устройства включают, но не только, персональные цифровые помощники (PDA), сотовые телефоны и переносные компьютеры, имеющие возможности организации сетевых интерфейсов.
Согласно варианту изобретения беспроводное вычислительное устройство позволяет осуществлять обмен информацией по каналу управления низкой мощности, включая управляющую информацию для сетевой интерфейсной платы (NIC) и других потребляющих мощность компонентов вычислительного устройства, с главным приемопередатчиком, называемым «смарт-блок» (smartbrick). Вначале приемопередатчик с низкой мощностью регистрируется главным приемопередатчиком, таким как главный приемопередатчик, расположенный в точке доступа беспроводной сети. Затем приемопередатчик низкой мощности, приводимый в действие связанный с беспроводным вычислительным устройством, посылает сигналы с управляющей информацией на главный приемопередатчик. Эта информация может представлять собой, но не только, информацию о состоянии, количестве пакетов данных в очереди, приоритете пакета и/или предельном сроке передачи пакета. После этого главный приемопередатчик реагирует на полученную информацию, передавая информацию о планировании обратно в приемопередатчик низкой мощности. Эта информация по планированию может включать среди прочего информацию о доступе к каналу.
Перед приемом информации по планированию от компоненты главного приемопередатчика беспроводные сетевые интерфейсные компоненты высокой мощности, такие как компоненты, связанные с обычной беспроводной NIC, находятся в режиме ожидания. Периоды ожидания представляют собой периоды, в течение которых беспроводное вычислительное устройство находится в состоянии с низкой мощностью, либо периоды, в течение которых беспроводное вычислительное устройство реально не проявляет сетевую активность (например, посылка или прием данных) по своему высокочастотному каналу связи (например, на основе канала IEEE 802.11). После приема по каналу управления низкой мощности информации по планированию автоматически активизируются плата NIC на полную мощность и необходимые схемы в соответствии с информацией по планированию. Например, в одном варианте изобретения после приема информации о доступе к каналу, к примеру, сообщения о том, что канал свободен для передачи, плата NIC и другие компоненты беспроводного вычислительного устройства подключаются к питанию. Затем сетевая интерфейсная компонента, такая как NIC, передает либо принимает данные по каналу высокой мощности.
Канал управления низкой мощности реализуется посредством внутренней или внешней компоненты радиочастотного приемопередатчика, называемой «мини-блок» (minibrick), которая предпочтительно работает на низкой частоте (к примеру, ниже частоты платы NIC на полной мощности) и с низким уровнем мощности. В процессе работы, когда вычислительное устройство находится в режиме ожидания, его конфигурация обеспечивает отключение питания фактически для всех его компонент за исключением схем, необходимых для питания приемопередатчика низкой мощности. Таким образом, канал управления поддерживается в активном состоянии для приема сигналов как в периодах ожидания, так и вне этих периодов.
Согласно другому варианту изобретения смарт-блок реализован в виде главного приемопередатчика, который действует в главном компьютере, или точке доступа к сети, для связи с мини-блоком. Главный компьютер также может быть оборудован платой NIC на основе стандарта IEEE 802.11 для поддержания беспроводной связи для доступа к сети через точку беспроводного доступа (AP, ТД). Точка беспроводного доступа выступает как интерфейс для сетевой инфраструктуры, такой как проводная LAN предприятия. Когда запрашивающее устройство хочет установить связь с беспроводным вычислительным устройством, оно запрашивает сервер с целью определения местоположения и наличия этого беспроводного вычислительного устройства. В ответ на это сервер подает запрос на главный компьютер. Смарт-блок, действующий в главном компьютере, принимает запрос от сервера и устанавливает связь с мини-блоком через канал низкой мощности, чтобы начать планирование и операцию передачи данных на полной мощности. Беспроводное вычислительное устройство принимает этот сигнал и подключает плату NIC и другие соответствующие компоненты к источнику питания, в результате чего беспроводное устройство активизируется до начала действительной передачи данных запрашивающим устройством.
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего подробного описания приведенных в качестве примера вариантов, которое сопровождается ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Хотя в прилагаемой формуле изобретения подробно изложены признаки настоящего изобретения, изобретение и его преимущества лучше всего можно понять из последующего подробного описания вместе с сопроводительными чертежами, на которых:
Фиг.1 - схема приведенной в качестве примера компьютерной сети, в которой могут быть реализованы варианты изобретения;
Фиг.2 - схема, иллюстрирующая архитектуру приведенного в качестве примера вычислительного устройства, в котором может быть реализован вариант изобретения;
Фиг.3 - схема, иллюстрирующая архитектуру компоненты, представляющей приемопередатчик, которая приводится в действие вычислительным устройством для поддержания канала управления низкой мощности в варианте изобретения;
Фиг.4 - схема, иллюстрирующая приведенную в качестве примера рабочую среду для оптимального планирования работы каналов через канал управления низкой мощности согласно варианту изобретения;
Фиг.5 - блок-схема, иллюстрирующая работу главного приемопередатчика для осуществления связи с беспроводным вычислительным устройством через канал управления низкой мощности согласно варианту изобретения;
Фиг.6 - схема, иллюстрирующая рабочую среду для оптимизации планирования работы каналов, где главный приемопередатчик логически соединен с главным компьютером согласно варианту изобретения;
Фиг.7 - схема, иллюстрирующая двунаправленную связь в двухканальной системе;
Фиг.8а - схема, иллюстрирующая сетевую среду, где множество беспроводных сетевых устройств, конкурирующих за место в канале, находятся вне досягаемости точки беспроводного доступа; и
Фиг.8b - схема, иллюстрирующая сетевую рабочую среду с множеством переприемов для оптимизации планирования каналов, когда одно или несколько из множества беспроводных устройств, конфликтующих за место в канале, находится вне досягаемости согласно варианту изобретения.
Подробное описание изобретения
Изобретение относится к способу и системе для обработки трафика вычислительных устройств, способных осуществлять связь через беспроводную линию связи. Беспроводные вычислительные устройства, которые можно применять в вариантах настоящего изобретения, включают, но не только, персональные цифровые помощники, сотовые телефоны и переносные компьютеры, обладающие возможностями сетевого интерфейса. В контексте изобретения беспроводная связь представляет собой передачу данных между вычислительными устройствами с использованием электромагнитных волны на радиочастоте (RF), а не проводов. Для облегчения беспроводной связи вычислительные устройства могут быть оборудованы сетевой интерфейсной компонентой, такой как сетевая интерфейсная плата (СИП, NIC), которая обеспечивает интерфейс устройства с сетью. Обычно плата NIC реализуется в виде устройства типа «включи и работай» («plug and play»), которое можно вставить в гнездо сетевой платы вычислительного устройства, либо в другом варианте, можно подключить к устройству через интерфейс. В альтернативном варианте NIC может быть встроенной, представляя собой часть схем вычислительного устройства.
Для облегчения беспроводной связи плата NIC поддерживает протокол беспроводной связи, к примеру, соответствующий стандарту IEEE 802.11. Далее во всем описании приводятся ссылки на стандарт 802.11 как подходящий протокол, помогающий организовать беспроводную связь между устройствами. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что стандарт 802.11 - это только один из протоколов, содействующих беспроводной связи, и что изобретение не ограничивается каким-либо конкретным протоколом беспроводной связи. В действительности в качестве альтернативы или в дополнение к нему в изобретении могут быть использованы другие протоколы беспроводной связи. Специалистам в данной области техники также очевидно, что обозначение 802.11 относится и к другим протоколам того же семейства, включающего протоколы 802.11а, 802.11b или 802.11g.
На фиг.1 показан пример сетевой среды, в которой можно использовать изобретение. Приведенная в качестве примера сеть включает в себя несколько вычислительных устройств 20, осуществляющих друг с другом связь через сеть 30, такую как Интернет, представленную на чертеже в виде облака. Сеть 30 может содержать одну или несколько известных компонент, таких как маршрутизаторы, шлюзы, концентраторы и т.п., и может предоставлять компьютерам 20 возможность осуществлять связь через проводную и/или беспроводную среду.
Обратимся к фиг.2, где показан пример базовой конфигурации вычислительного устройства, на основе которой может быть реализована описанная здесь система. В своей базовой конфигурации вычислительное устройство 20 обычно включает по меньшей мере один блок обработки 42 и память 44, хотя она не обязательна. В зависимости от конкретной конфигурации и типа вычислительного устройства 20 память 44 может быть энергозависимой (такой, как ОЗУ), энергонезависимой (такой, как ПЗУ или флэш-память) или некоторой их комбинацией. Наиболее общая базовая конфигурация выделена на фиг.2 пунктирной линией 46. Вдобавок, вычислительное устройство может также иметь и другие особенности/функциональные возможности. Например, компьютер 20 может также включать в себя дополнительные компоненты для сохранения данных (съемные и/или несъемные), в том числе, но не только, магнитные или оптические диски либо ленту. Компьютерная запоминающая среда включает в себя энергозависимые и энергонезависимые, съемные и несъемные носители, реализованные любым способом или по любой технологии для запоминания информации, такой как машинно-считываемые команды, структуры данных, программные модули или другие данные. Компьютерная запоминающая среда включает, но не ограничивается этим, ОЗУ, ПЗУ, ЭСППЗУ (электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство), флэш-память либо память в другом технологическом исполнении, ПЗУ на компакт-дисках, цифровой многофункциональный диск (DVD) либо другое оптическое запоминающее устройство, магнитные кассеты, магнитную ленту, запоминающее устройство на магнитных дисках, либо другие магнитные запоминающие устройства, или любой другой носитель, который можно использовать для запоминания требуемой информации и который может быть доступен вычислительному устройству 20. Любая такая компьютерная запоминающая среда может являться частью вычислительного устройства 20.
Вычислительное устройство 20 также предпочтительно содержит соединения 48 для связи, которые позволяют устройству осуществлять связь с другими устройствами. Соединение для связи является элементом среды связи. Среда связи обычно включает в себя считываемые команды, структуры данных, программные модули или другие данные, содержащиеся в модулированном сигнале данных, таком как сигнал несущей, либо другой механизм транспортировки, и содержит какую-либо среду для доставки информации. Например, среда связи включает в себя, но не только, проводную среду, такую как проводная сеть или прямое проводное соединение, и беспроводную среду, такую как акустическая радиочастотная, инфракрасная и другая беспроводная среда. Используемый здесь термин «машинно-считываемая среда» включает как запоминающую среду, так и среду связи.
Вычислительное устройство 20 также может иметь устройства ввода, такие как клавиатура, мышь, перо, устройство ввода речи, сенсорное устройство ввода и т.д. В устройстве 20 также могут быть такие устройства вывода, как дисплей 48, акустические колонки, принтер и т.д. Кроме того, если это касается беспроводных мобильных устройств, вычислительное устройство 20 предпочтительно комплектуется портативным источником питания 50, таким как батарейный блок, топливный элемент либо другой модуль питания. Источник питания 50 выполняет функцию первичного источника питания для вычислений и беспроводной передачи данных, выполняемых устройством. Все вышеупомянутые компоненты и функции хорошо известны специалистам в данной области техники.
Устройство 20 предпочтительно поддерживает операционную систему, хранящуюся, например, в энергонезависимой памяти, команды которой из энергозависимой памяти выполняются блоком обработки 42. Согласно варианту изобретения операционная система содержит команды для взаимодействия устройства 20 с беспроводной сетью на полной мощности и беспроводной сетью низкой мощности. Таким образом, информация по планированию, используемая для планирования доступа устройства 20 к беспроводной сети на полной мощности, может быть послана по беспроводной сети низкой мощности, что позволяет экономить мощность устройства и сохранять полосу пропускания в канале полной мощности согласно способам, которые более подробно обсуждаются ниже.
Термин «с включенным питанием» («powered up») применительно к устройству, компоненте или группе компонент используется здесь, когда соответствующее устройство, компонента или группа компонент находится в состоянии «включено», например, работает или по меньшей мере получает питание и немедленно готовы к работе в обычном рабочем режиме. Наоборот, когда в описании указано, что устройство, компонента или группа компонент находятся в состоянии «с отключенным питанием» («powered down»), это значит, что соответствующее устройство, компонента или группа компонент не работают в своем обычном режиме, не получают питание и не готовы немедленно начать работать в своем обычном режиме.
Согласно варианту изобретения вычислительное устройство 20, кроме того, оборудовано компонентой 100, представляющей собой приемопередатчик низкой мощности, для поддержания радиочастотного канала управления, как более подробно показано на фиг.3. Компонента, представляющая приемопередатчик низкой мощности и называемая здесь мини-блок 100, содержит различные компоненты для приема и передачи данных, в том числе логическое устройство 102 для управления работой приемопередатчика и воздействия на работу вычислительного устройства 20 в ответ на различные события в сети. Также в состав приемопередатчика включен регулятор напряжения 104 для настройки напряжения на выходе батарейного блока 106 низкой мощности. Батарейный блок 106 низкой мощности подходит для питания приемопередатчика, использующего минимальную мощность, и может работать независимо от портативного батарейного источника питания 50 альтернативном варианте основной батарейный источник питания 50 может быть использован для реализации той же самой функции, что и батарейный блок 106 низкой мощности. Приемопередатчик 100 низкой мощности включает в себя также генератор радиочастоты (RF) 108 для формирования и подачи радиочастотных сигналов для передачи. Для реализации или улучшения функций приемопередатчика сюда также могут быть включены и другие элементы 109 как часть схем приемопередатчика низкой мощности, при этом вышеописанные элементы могут быть изменены или заменены.
Приемопередатчик 100 низкой мощности может быть физически реализован в виде внутренней компоненты вычислительного устройства 20, к примеру, путем его интеграции с основными схемами вычислительного устройства 20, либо приемопередатчик 100 может быть подсоединен к вычислительному устройству через периферийное соединение, к примеру, через соединение RS232 (например, каналы ввода 41). Также приемопередатчик низкой мощности конфигурируется таким образом, чтобы поддерживать канал управления для приема и посылки данных через компоненту радиосвязи 108. В таблице 1 в качестве примера представлены рабочие характеристики приемопередатчика 100 низкой мощности для реализации канала управления низкой мощности.
Показанные в таблице характеристики приемопередатчика 100 низкой мощности обеспечивают формирование сигнала низкой мощности и, предпочтительно, низкочастотного канала передачи данных на частоте 915 МГц, поддерживая скорость передачи данных 19 килобит/с, что существенно ниже, чем у стандартных беспроводных плат NIC. Известные платы NIC, к примеру, платы на основе стандарта IEEE 802.11, работают с гораздо более высокими скоростями передачи данных, лежащими в диапазоне примерно от 1 до 20 мегабит/с. Из-за более высоких скоростей передачи данных и диапазонов стандартных плат NIC энергопотребление при подключенном питании стандартной NIC также будет более высоким. Однако для приемопередатчика 100 низкой мощности требуется меньше мощности для работы, и его конфигурация такова, что он остается активным даже при выключенном состоянии всех или некоторых из оставшихся схем беспроводного вычислительного устройства 20. Хотя рабочие характеристики приемопередатчика 100 не ограничиваются значениями, приведенными в таблице 1, приемопередатчик низкой мощности подходит для формирования и приема радиочастотных сигналов, не требуя при этом значительной мощности от устройства. Для ознакомления с другими функциями и аспектами улучшенного варианта сетевого устройства с двунаправленной радиосвязью можно обратиться к патентной заявке США № 10/124737, Дело № 215108, под заголовком «Reducing Idle Power Consumption in a Networked Battery Operated Device», поданной 15 апреля 2002 года, содержание которой целиком включено сюда по ссылке для всего, что она раскрывает.
Обратимся теперь к фиг.4, где в качестве примера показана сетевая среда, в которой может работать беспроводное вычислительное устройство, такое как устройство согласно фиг.2 и 3. Сеть в этом примере включает в себя сервер 200, который обеспечивает интерфейс с компьютерной сетью 202 и управляет различными сетевыми ресурсами, включая блочный сервер (brick server) 203 и сервер 201 присутствия. Блочный сервер 203 и сервер 201 присутствия действуют в сервере 200, способствуя решению определенных сетевых задач. В частности, сервер присутствия поддерживает список клиентов, которые зарегистрированы сетевым сервером 200, отслеживая их присутствие. Данные или информация о присутствии представляют собой любые данные, принятые по сети, которые описывают наличие, близость, местоположение, уровень активности или рабочее состояние вычислительного устройства либо соответствующего пользователя устройства. Посредством регистрации на сервере 200 клиентские устройства, подсоединенные к сети 202, могут послать запрос на сервер 201 присутствия с целью обнаружения присутствия других устройств. Аналогично, блочный сервер 203 поддерживает и управляет информацией о присутствии, относящейся к одному или нескольким приемопередатчикам низкой мощности или главным приемопередатчикам, которые представляют собой компоненты-приемопередатчики низкой мощности, используемые для реализации низкочастотного канала управления в сетевой инфраструктуре. Далее более подробно описывается работа главного приемопередатчика и приемопередатчика низкой мощности в сетевой среде.
Поддерживая сетевые ресурсы, сервер 200 облегчает организацию связи для одного или нескольких вычислительных устройств, которые осуществляют связь через сеть 202. Первое клиентское устройство 204 сконфигурировано для обмена с сетью 202 через проводное соединение (например, линия типа T1, модем) либо через беспроводное соединение. Точка доступа 210 выступает как промежуточное устройство между вторым клиентским устройством, таким как беспроводное вычислительное устройство 220, и сетью 202. Вдобавок, к точке доступа 210 логически подсоединен главный приемопередатчик 212, который формирует радиочастотные сигналы для связи с приемопередатчиками 100 и 102 низкой мощности. В альтернативном варианте изобретения, показанном на фиг.6, главный приемопередатчик 212 логически соединен с главным вычислительным устройством, сконфигурированным через беспроводное соединение. В частности, главное вычислительное устройство 206 подсоединено к сети 202 через беспроводное соединение 208 (например, соединение 802.11) к точке беспроводного доступа 210. Точка доступа в этом варианте может выступать как промежуточное устройство между главным вычислительным устройством 206 и сетевой инфраструктурой 202. Заметим, что вышеупомянутые варианты архитектуры являются лишь примерами, и что для обеспечения интерфейса устройства, такого как устройства 220 и 222, с любым объектом управления доступом, таким как точка доступа 210, в изобретении можно использовать любую другую линию связи, которая содержит радиочастотную линию низкой мощности.
Блочный сервер 203, поддерживаемый сервером 200, регистрирует главный приемопередатчик 212, уведомляя о его присутствии. Когда главный приемопередатчик подсоединен к сети через главное вычислительное устройство 206, как показано на фиг.6, он при необходимости способен обнаружить возникновение различных сетевых событий, таких как, например, передача сообщения на главное вычислительное устройство 206, обновление информации о присутствии, поддерживаемой блочным сервером 203, передача сообщений, предназначенных для передачи из точки доступа 210, и любые другие статистические данные, относящиеся к функционированию сети 202.
Согласно варианту изобретения множество беспроводных вычислительных устройств, приводящих в действие передатчики 100 и 102 низкой мощности, осуществляют связь с главным приемопередатчиком 212 через канал управления низкой мощности, как показано на фиг.4. Беспроводные вычислительные устройства представляют собой переносные устройства 220 и 222, имеющие возможность выполнять вычисления в беспроводном режиме. Приемопередатчики 100 и 102 низкой мощности связаны с беспроводными вычислительными устройствами 220 и 222 для обеспечения предпочтительно низкочастотных каналов управления низкой мощности. Приемопередатчики 100 и 102 низкой мощности могут оставаться подключенными к питанию даже во время неактивных периодов или периодов ожидания, когда компоненты беспроводных вычислительных устройств 220 и 222 (отличные от схем, необходимых для приемопередатчика 100 и 102 низкой мощности) полностью или фактически отключены от источника питания. Предпочтительно, чтобы приемопередатчики 100 и 102 низкой мощности имели возможность активизировать беспроводные вычислительные устройства 220 и 222 (например, переводя их из неактивного состояния, или состояния ожидания, в активное состояние) в ответ на прием информации по планированию, такой как информация о доступе к каналу.
Чтобы дать возможность любому приемопередатчику 100, 102 низкой мощности установить связь по каналу управления низкой мощности, приемопередатчики 100 и 102 низкой мощности сначала регистрируются блочным сервером 203 поддерживаемым сервером 200. Пользователь любого беспроводного вычислительного устройства 220, 222 может разрешить операцию регистрации вручную, к примеру, запустив сетевое приложение на любом устройстве 220, 222, которое начало процесс регистрации. В альтернативном варианте процесс регистрации может быть выполнен без вмешательства пользователя через простую схему связи, используемую главным приемопередатчиком 212 и любым приемопередатчиком 100, 102 низкой мощности, как описано ниже.
Для выяснения того, существует ли приемопередатчик низкой мощности в некотором радиодиапазоне и требуется ли его регистрация, главный приемопередатчик 212 осуществляет периодическое вещание сигналов радиомаяка или сигналов обнаружения, указывающих, что главный приемопередатчик работает в подходящем диапазоне для установления связи через канал управления низкой мощности. Этот периодический сигнал обнаружения предпочтительно посылать тогда, когда главный приемопередатчик 212 не передает сигналы управления других типов или данные. Когда соответствующий приемопередатчик 100, 102 низкой мощности, работающий в соответствующем беспроводном вычислительном устройстве 220, 222, обнаруживает сигнал обнаружения, приемопередатчик 100, 102 низкой мощности формирует и посылает на главный приемопередатчик 212 сообщение, о том, что он находится в радиодиапазоне низкой мощности главного приемопередатчика 212. После приема указанного сообщения главный приемопередатчик 212 определяет свои возможности по «управлению» соответствующим приемопередатчиком 100, 102 низкой мощности и, когда такая возможность имеется, посылает на приемопередатчик 100, 102 низкой мощности сообщение с подтверждением. Возможность главного приемопередатчика 212 управлять конкретным приемопередатчиком 100, 102 низкой мощности может быть основана на анализе текущей ситуации в точке доступа, в том числе, но не только, на основе количества клиентов, конкурирующих в данный момент за доступ к каналу. После этого формируется ответное подтверждение, которое посылается на главный приемопередатчик 212 приемопередатчиком 100, 102 низкой мощности, в результате чего устанавливается связь (соединение или линия связи) между главным приемопередатчиком 212 соответствующими приемопередатчиками 100, 102 низкой мощности. После установления связи между главным приемопередатчиком 212 и обоими приемопередатчиками 100 и 102 низкой мощности главный приемопередатчик передает на сервер 201 присутствия сообщение, информирующее этот сервер о присутствии приемопередатчиков 100 и 102 низкой мощности. Соединение с каждым приемопередатчиком низкой мощности будет выполнено до согласованного планирования (их доступа к каналу), но при этом каждое соединение может быть установлено независимо в любой момент времени без одновременного появления вместе или в фиксированной взаимосвязи с любым другим соединением.
Независимо от использованного способа регистрации, будь то описанный выше либо любой другой способ, беспроводные вычислительные устройства 220 и 222, приводящие в действие приемопередатчики 100 и 102 низкой мощности, должны работать в диапазоне, подходящем для приема сигналов низкой мощности от главного приемопередатчика 212 и передачи на него сигналов низкой мощности. Этот диапазон зависит от конкретных конструктивных характеристик приемопередатчиков 100 и 102 низкой мощности и главного приемопередатчика 212. Поскольку сообщения, пересылаемые между приемопередатчиками 100 и 102 низкой мощности и главным приемопередатчиком 212, например, сообщения подтверждения), передаются по низкочастотному каналу управления низкой мощности, и нет первичного (основного) канала связи (например, канала 802.11), для облегчения выполнения процесса обнаружения и регистрации нет необходимости использовать стандартные платы NIC высокой мощности беспроводных вычислительных устройств 220 и 222, в результате чего устройства потребляют меньше мощности. Также, поскольку процесс регистрации выполняется через канал управления низкой мощности, а не канал высокой мощности, нет необходимости, чтобы беспроводные вычислительные устройства 220, 222, приводящие в действие приемопередатчики 100 и 102 низкой мощности, были подключены к источнику питания во время регистрации.
В одном варианте изобретения канал управления низкой мощности любого устройства может находиться в состоянии ожидания во время активных периодов работы беспроводных вычислительных устройств 220 и 222 для уменьшения энергопотребления. Так, например, когда в вычислительном устройстве стандартная беспроводная плата NIC активизирована для обеспечения связи между беспроводным вычислительным устройством и сетью 202, приемопередатчик 100 низкой мощности может быть отключен от питания либо переведен в режим номинального питания (например, дежурный режим работы), в котором не выполняются передачи или обработка принятых сигналов. Как только стандартная плата NIC беспроводного вычислительного устройства переводится в рабочее состояние с низкой мощностью, или состояние ожидания, приемопередатчик низкой мощности может быть подключен к питанию для возобновления его нормальной работы в устройстве. Таким путем фактически устраняется конкуренция за использование мощности беспроводным вычислительным устройством при поддержании стандартной платы NIC и приемопередатчиком низкой мощности в состоянии, когда он подключен к источнику питания.
Когда большое количество беспроводных вычислительных устройств пытаются получить доступ к сети 202 через точку доступа 210, часто возникает перегрузка при пересылке данных. Иными словами, когда множество беспроводных вычислительных устройств, таких как устройства 220 и 222, претендуют на полосу пропускания одной и той же точки доступа, для одного или нескольких устройств может возникнуть неприемлемая задержка или отказ в обслуживании. В одном варианте изобретения, показанном в виде блок-схемы на фиг.5 и схемы на фиг.7, множество беспроводных вычислительных устройств, конкурирующих за полосу пропускания для связи в точке доступа, получат доступ к каналу для передачи данных согласно плану на основе управляющей информации, посланной по их каналу низкой мощности. Такой способ позволяет избежать бесполезного использования полосы пропускания первичного канала по причине пересылки управляющей информации и информации по планированию по первичному каналу.
Начиная с этапа 400, беспроводное вычислительное устройство регистрируется блочным сервером вышеописанным либо иным способом. После регистрации в точке доступа приемопередатчик низкой мощности передает на этапе 402 управляющую информацию на главный приемопередатчик, логически соединенный с точкой доступа, информируя точку доступа о том, что у беспроводного вычислительного устройства имеются данные для передачи по основному (первичному) беспроводному каналу. К типам управляющей информации относятся, но не только, информация о приоритете пакетов данных, информация о предельном сроке передачи пакетов данных, информация о доступе к каналу и количество пакетов данных, находящихся в данный момент в очереди. На основе этой информации и алгоритма планирования в точке доступа на этапе 404 формируется отсортированный список узлов, имеющих пакеты данных для передачи, и приоритет для каждого пакета. После формирования этого списка из точки доступа на этапе 406 передается соответствующая информация по планированию на каждый из претендующих на передачу приемопередатчиков низкой мощности для уведомления беспроводного вычислительного устройства, о том, когда ему следует посылать данные по первичному каналу через стандартную плату NIC. Наконец, на этапе 408 беспроводное вычислительное устройство переходит к передаче первичных данных по каналу 802.11 в соответствии с принятой информацией по планированию, в то время как другие беспроводные вычислительные устройства, претендующие на канал, находятся в режиме ожидания. Информация по планированию может также включать сигнал запуска, уведомляющий беспроводное вычислительное устройство о необходимости подключения к питанию и последующей передачи данных через стандартную плату NIC. Указанные сигналы запуска могут передаваться на основе приоритета данных согласно списку, сформированному на этапе 404.
В результате передачи управляющей информации и информации по планированию вне полосы частот, используемой для передачи данных, изобретение обеспечивает сохранение и более эффективное использование полосы пропускания основного (первичного) канала. Управляющая информация и соответствующая информация по планированию посылается через канал низкой мощности, в то время как полезные данные пересылаются через первичный канал. Таким образом, в результате использования подходящих экономичных алгоритмов можно достигнуть действительной экономии.
Специалистам в данной области техники известно о том, что существует большое количество алгоритмов планирования, любой либо несколько из которых можно использовать вместе с настоящим изобретением. Подходящие алгоритмы планирования включают в себя, но не только, так называемую «справедливую» организацию очереди (fair gueueing) и планирование по принципу «первый пришел - первый обслуживается». Примеры алгоритмов «справедливого» планирования очередей, которые можно использовать вместе с настоящим изобретением, представлены в работе S.Keshav, On the Efficient Implementation of Fair Queueing, Journal of Internetworking: Research and Experience, Volume 2, pages 27-73 (1991), содержание которой целиком включено сюда по ссылке для всего, что она раскрывает. Вдобавок, специалистам в данной области техники, очевидно, что, хотя вышеприведенные примеры иногда относятся к семейству протоколов стандарта 802.11, для реализации настоящего изобретения могут быть использованы любые протоколы связи. Также заметим, что, хотя в вышеуказанных примерах были приведены конкретные значения частот, в качестве частоты для передачи данных или передачи управляющей информации согласно настоящему изобретению может быть использована любая частота, которая поддерживается в любой части мира. Предпочтительно использовать частоты, доступные в международном масштабе для устройств, которые можно использовать в любой стране, что позволит избежать радиочастотных помех и отказов канала.
В другом варианте изобретения работа планировщика в точке доступа синхронизирована с планируемым беспроводным вычислительным устройством, что позволяет планировать доступ к основному (первичному) каналу до подключения беспроводного сетевого устройства к источнику питания. Например, если точка доступа и беспроводное вычислительное устройство синхронизированы по скорости передачи, где тактовые генераторы фактически работают на одинаковой частоте, точка доступа может координировать подключение беспроводного вычислительного устройства к источнику питания после прохождения заданного интервала, с тем чтобы основная плата NIC могла затем передавать или принимать данные. Обычно этот процесс облегчается путем использования синхронизирующего сетевого протокола (NTP) либо любого другого подходящего протокола для канала низкой мощности посредством приемопередатчика низкой мощности, который поддерживают в постоянной готовности для приема и/или передачи данных. Специалистам в данной области техники очевидно, что имеется большое количество других протоколов и способов синхронизации, которые можно использовать в настоящем изобретении для обеспечения синхронизированного функционирования.
Заметим, что в канале управления низкой мощности и первичном канале предпочтительно использовать разные частоты. В одном примере в приемопередатчиках низкой мощности используется несущая с частотой 433 МГц или 915 МГц, в то время как стандартная плата NIC для первичного канала работает на частоте 2,4 ГГц. Как описано выше, к приемопередатчику низкой мощности и стандартной плате NIC предъявляются разные требования к потреблению мощности из-за, в частности, разных частот, скоростей передачи данных и уровней сигналов.
В еще одном варианте изобретения может планироваться само подключение приемопередатчика низкой мощности к источнику питания. В этом варианте используется точная синхронизация тактовой частоты между приемопередатчиком низкой мощности в беспроводном устройстве и главным приемопередатчиком, расположенным в точке доступа. Когда приемопередатчик низкой мощности и главный приемопередатчик имеют доступ к тактовым генераторам, работающим на фактически одинаковой частоте, ни приемопередатчик низкой мощности, ни стандартная плата NIC не нуждаются в постоянном поддержании активного состояния. Например, когда приемопередатчик низкой мощности получает указание о том, что передача от его главного устройства будет разрешена после заданного интервала, то как приемопередатчик низкой мощности, так и стандартная плата NIC могут быть переведены в неактивный режим в течение указанного интервала с учетом известной задержки на запуск каждого из этих устройств. Заметим, что, хотя тактовые генераторы приемопередатчика низкой мощности и главного приемопередатчика не нуждаются в опорных тактовых сигналах одинаковой частоты, частоты обоих приемопередатчиков должны быть все же достаточно близки, чтобы на планирование работы канала не оказывали влияние какие-либо неточности, возникающие в результате конфликтных ситуаций при передаче либо других неблагоприятных случаев.
В альтернативном варианте настоящего изобретения, показанном на фиг.6, вышеупомянутая функция планирования выполняется в главном компьютере 206, содержащем главный приемопередатчик 212, а не в самой точке 210 беспроводного доступа. Главный компьютер 206 может быть подсоединен к сети 202 через точку 210 беспроводного доступа либо иным способом. Эта сетевая среда построена фактически таким же образом, как среда, в которой беспроводные вычислительные устройства непосредственно подсоединены к точке доступа 210. Заметим, что в этом или других вариантах не требуется, чтобы первичный канал и каналы низкой мощности соединяли одни и те же узлы. Таким образом, как видно из фиг.6, беспроводное устройство 220, 222 может осуществлять связь с главным компьютером 206 через канал низкой мощности, поддерживая связь непосредственно с точкой доступа 210 через первичный (основной) канал (например, 802.11).
Хотя изобретение не ограничивается каким-то конкретным радиодиапазоном (дальностью действия) для канала низкой мощности, предпочтительно, чтобы приемопередатчики низкой мощности беспроводных вычислительных устройств 220 и 222 во время работы располагались достаточно близко к точке доступа 210, обслуживаемой главным приемопередатчиком, чтобы обеспечить прием радиочастотных сигналов и целостность данных. Однако можно иметь связь при низкой мощности даже тогда, когда соответствующий приемопередатчик низкой мощности работает вне дальности прямой связи главного приемопередатчика 212, работающего в точке доступа либо в главном компьютере. В нижеследующей части данного подробного описания обсуждаются способы, облегчающие организацию связи вне указанного диапазона.
На фиг.8а показаны первое беспроводное вычислительное устройство 300, приводящее в действие приемопередатчик 302 низкой мощности, и второе беспроводное вычислительное устройство 304, приводящее в действие второй приемопередатчик 306 низкой мощности, которые работают вне соответствующего диапазона для поддержания прямой связи низкой мощности с точкой доступа 210, работающей с главным приемопередатчиком 308. Так, применительно к каждому беспроводному вычислительному устройству 300, 304 приемопередатчик 302, 306 низкой мощности не способен осуществлять непосредственную связь с точкой доступа 210. Однако согласно варианту изобретения первое беспроводное вычислительное устройство 300 может осуществлять связь с точкой доступа 210, используя организацию сети с множеством переприемов (ретрансляций), как показано на фиг.8b. В частности, когда третье беспроводное вычислительное устройство 314, связанное с приемопередающим устройством низкой мощности 316, работает в пределах дальности действия приемопередатчика точки доступа 210, между третьим вычислительным устройством 314 и точкой 210 доступа, где подключается главный приемопередатчик, устанавливается канал управления низкой мощности 318.
Когда третье беспроводное вычислительное устройство 314 также работает в пределах дальности действия другого беспроводного вычислительного устройства 300, 304, приемопередатчик низкой мощности, работающий в беспроводном вычислительном устройстве 300, 304, устанавливает связь с третьим беспроводным вычислительным устройством 314 через канал связи низкой мощности. В частности, приемопередатчик 302, 306 низкой мощности беспроводного вычислительного устройства 300, 304 посылает на приемопередатчик 316 низкой мощности третьего беспроводного вычислительного устройства 314 сообщение для повторной передачи в точку доступа 210. Приемопередатчик 316 низкой мощности третьего беспроводного вычислительного устройства 314 после этого определяет, принят этот запрос или нет. Если запрос принят, то между третьим беспроводным вычислительным устройством 314 и другим устройством 300, 304 устанавливается канал управления. Приемопередатчик 302, 306 низкой мощности, связанный с беспроводным вычислительным устройством 300, 304, находящимся вне дальности действия, посылает через канал низкой мощности на третье беспроводное вычислительное устройство 314 сообщение о регистрации. Затем это сообщение направляется третьим беспроводным вычислительным устройством 314 на главный приемопередатчик 308, работающий в точке доступа 210, через канал низкой мощности, установленный между ними. Как только сервер 310 зарегистрировал приемопередатчик 302, 306 низкой мощности, находящийся вне дальности действия беспроводного вычислительного устройства 300, 304, беспроводное вычислительное устройство 300, 304, находящееся вне дальности действия, имеет возможность установить связь с другими устройствами через сеть 312.
Как только произойдет регистрация беспроводных вычислительных устройств 300, 304, работающих вне дальности действия, любое из них может затем передать управляющую информацию, к примеру, запросы на полосу пропускания, через третье сетевое устройство 314 на главный приемопередатчик 308 в точке доступа 210 либо главный компьютер, как было описано ранее. После приема управляющей информации в точке доступа 210 информация по всем запросам обрабатывается с использованием алгоритма планирования, чтобы спланировать доступ к каналу для множества беспроводных сетевых устройств, претендующих на один и тот же канал высокой мощности. Затем из точки доступа 210 передается информация по планированию через главный приемопередатчик 308 на третье беспроводное сетевое устройство 314 через канал низкой мощности. Когда информация по планированию достигнет третьего беспроводного сетевого устройства 314, она будет направлена на соответствующее беспроводное сетевое устройство, работающее вне дальности действия. Например, если информация по планированию формируется в виде сигнала запуска, то тогда она будет передаваться только на то беспроводное устройство, которое должно быть подключено к питанию для приема или передачи данных, то есть на то устройство, которое в это время имеет доступ к каналу. Если информация по планированию представлена в виде плана доступа к каналу для множества беспроводных устройств, то информация по планированию может быть послана на любое либо на все устройства вне дальности действия, в зависимости от потребностей третьего беспроводного устройства.
Специалистам в данной области техники очевидно, что вышеописанные процессы часто будут выполняться в среде, содержащей более двух конкурирующих беспроводных вычислительных устройств, хотя здесь показаны только два таких устройства. Специалисты в данной области техники понимают, что независимо от количества беспроводных вычислительных устройств, взаимодействующих друг с другом в соответствующем радиодиапазоне низкой мощности, идеальным решением для неограниченного количества таких устройств может быть связь с множеством переприемов (ретрансляций). Это дает особые преимущества в случае таких мобильных беспроводных вычислительных устройств, как карманные персональные компьютеры, где непосредственное соединение с центральным компьютером, подключающим главный приемопередатчик, таким как точка доступа 210, может быть ограничено, когда пользователь устройства перемещается из одного места в другое. Заметим, что, хотя в описанных примерах установление связи с устройством вне диапазона выполняется в два «переприема» на низкой мощности, можно использовать любое количество таких переприемов без всяких ограничений. Кроме того, предполагается, что возможно, придется использовать одно или несколько устройств, работающих вне дальности действия для организации связи с множеством переприемов, в то время как другое устройство или устройства будут находиться либо в диапазоне прямой связи, либо для них потребуется, по меньшей мере, меньшее количество переприемов.
В свете множества возможных вариантов, для которых можно применить принципы настоящего изобретения, должно быть ясно, что варианты, описанные здесь в связи с приведенными чертежами, являются лишь иллюстрациями и не должны рассматриваться как ограничение объема изобретения. Например, специалистам в данной области техники очевидно, что элементы в приведенных в качестве примера вариантах, показанные в программном исполнении, могут быть реализованы аппаратными средствами, и наоборот, и что показанные варианты могут быть модифицированы как с точки зрения компоновки, так и в деталях, в рамках существа изобретения. Следовательно, описанное здесь изобретение охватывает все варианты, коль скоро они не выходят за рамки объема следующей формулы изобретения и ее эквивалентов.
Реферат
Изобретение относится к беспроводным вычислительным устройствам и касается эффективного по мощности планирования доступа к каналу связи, что и является достигаемым техническим результатом. Точка доступа или главный компьютер включает в себя главный приемопередатчик для приема управляющей информации от беспроводных вычислительных устройств по каналу низкой мощности. После приема управляющей информации в точке доступа планируется доступ беспроводных вычислительных устройств к первичному каналу связи с целью передачи данных. Беспроводные вычислительные устройства включают в себя приемопередатчик низкой мощности для приема информации по планированию через канал низкой мощности. Получив информацию по планированию, беспроводное вычислительное устройство активизирует компоненты своего сетевого интерфейса с первичным каналом для передачи данных через первичный канал. 8 н. и 27 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.
