用于具有可扩展分层架构的低延迟无线通信的方法和系统技术方案

公开了一种可扩展分层低延迟通信网络架构。该架构使用新颖的多节点、多包块确认(ACK)无线通信方法。该方法用于可扩展分层架构，其用于存储一个或多个程序的非暂时性计算机可读存储介质。该一个或多个程序包括执行以下步骤的指令：在中心集线器处接收来自多个节点的多个数据和控制包；为在中心集线器处接收的来自多个节点的多个数据和控制包创建单个ACK包；以及将确认多个数据包和控制包的接收的单个ACK包传送到多个节点。

Methods and systems for low-latency wireless communications with scalable layered architectures

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于具有可扩展分层架构的低延迟无线通信的方法和系统在先申请本申请要求相同专利技术人的以下申请的优先权：于2016年9月30日提交的题为“ANOVELMULTI-NODEMULTI-PACKETBLOCKACKNOWLEDGEMENTFORWIRELESSCOMMUNICATIONNETWORKS”的美国临时申请序列号62402916；题为“ABEACONBASEDWIRELESSLOWLATENCYNETWORKANDMETHOD”的美国临时申请序列号62402936；题为“METHODANDSYSTEMSFORLOWLATENCYWIRELESSCOMMUNICATIONWITHASCALABLEHIERARCHIALARCHITECTURE”的美国临时申请序列号62402951；以及题为“AMULTIBANDWIRELESSCOMMUNICATIONDEVICEANDNETWORK”的美国临时申请序列号62402958；并通过全文引用将其并入本文。版权声明本公开包含受版权保护的材料。版权所有者不反对按照专利和商标局文件、记录等中所公开的对本公开进行复制。另一方面，根据37CFR1.71(d)，版权所有者保留对本专利公开的任何版权。公开背景以下信息有助于更好地理解本公开。请注意，本部分中包含的信息并不承认所提供的信息是必要的、本公开的现有技术或如所要求保护的公开中所描述的，或者具体地、暗示地或以其他方式引用的任何出版物或文献是现有技术。1.
本申请中公开的创造性设备大体上涉及网络协议，并且更具体地，涉及基于多频带信标信号的具有可扩展分层架构的低延迟无线通信网络，所述低延迟无线通信网络使用新颖的多节点、多包、块确认机制来减少通信延迟。通信系统内的包的有序传输用于减少冲突以及延迟。2.
技术介绍
在无线通信网络中，当发送器向接收器发送包时，接收器需要通过向所述发送器发回应答包(acknowledgmentpacket，ACK包)来确认所述包的接收。ACK包增加了通信的开销。ACK包增大了通信延迟并减少了整个网络的吞吐量。另外，当有多个发送器通过空中发送包时，可能会出现冲突。所述冲突将使通信延迟和网络的吞吐量更加糟糕。一般而言，无线通信网络不可扩展。在由大量小型无线网络组成的大型无线通信网络中，冲突是主要问题。当同一小型网络中的多个节点尝试同时或在基本相似的时间发送包时，可能发生冲突。当来自不同小型网络的多个节点尝试同时或在基本相似的时间发送包时，也会发生这种情况。我们提出的低延迟网络(或减少延迟网络)具有星形拓扑。星形拓扑广泛用于许多无线通信标准和无线通信网络，如WIFI、Zigbee和蓝牙[1、2和3]。图1示出了星形拓扑无线网络，所述星形拓扑无线网络由一个集线器(中心节点)和8个节点组成。所有节点都无线连接到集线器。所述减少延迟网络使用超帧结构来同步集线器和节点之间的通信，如图2所示。通常，超帧结构基于信标信号。每个超帧结构以从集线器发出的信标信号开始。所述节点监听所述信标信号并在所述信标信号之后传输。图3示出了在Zigbee和802.15.4系统[3]中使用的基于信标信号的惯常超帧结构。对于发送到集线器的每个包，其之后是ACK包，这限制了网络的吞吐量，并且这还增大了通信延迟。在图4(a)和(b)中示出了最常见的ACK机制。在图4(a)中，对于从节点发送到集线器的每个包，集线器回复ACK包以确认从节点发送到集线器的包的正确接收。在图4(b)中，对于从集线器发送到节点的每个包，节点回复ACK包以确认从集线器发送到节点的包的正确接收。ACK包增加了通信的开销，增大了通信延迟并减小了整个网络的吞吐量。为了减少ACK包的数量，在802.11nWIFI[2]中，人们提出了图5所示的块确认机制。代替针对来自同一节点的每个包传输单独的ACK，集线器通过使用单个ACK包一起确认多个包。该确认机制称为块ACK，并且在IEEE802.11n[2]得到应用。因此，WIFI802.11n试图使用块确认来解决延迟问题和吞吐量问题。但是块ACK用于通过单个ACK包确定从同一发送器到接收器的多个包的接收。如图5所示，块ACK机制减少了用于确定从同一发送器到接收器的多个包的接收的ACK开销。如果多个包来自不同的发送器，则接收器仍然需要发送出多个ACK包，这增大了通信延迟并减小了网络的吞吐量，如图6所示。Zigbee和802.15.4引入了基于信标信号的超帧结构架构以减少冲突。但它无法解决由确认包引入的开销。到目前为止，还没有可靠的方式来解决由若干较小网络组成的大型无线网络内部的冲突。许多通信系统，尤其是许多低吞吐量通信系统，仅在单个频带或预先分配的单个频带上工作。例如，蓝牙[1]仅支持2.4GHzISM频带上的通信。与ISM5.8GHz频带和其他频带相比，2.4GHz是干扰重且繁忙的频带。WIFI、无绳电话和一些家用电器使用ISM2.4GHz频带。对于2.4GHz频带上的无线通信，来自它们的所有干扰将导致包括丢包、重传和高延迟的问题。所引用的参考文献如下所示：[1]蓝牙核心规范，https://www.bluetooth.com/specifications/bluetooth-core-specification[2]IEEE802.11：无线局域网媒体访问控制(WirelessLANMediumAccessControl，MAC)和物理层(PhysicalLayer，PHY)规范[3]IEEE802.15.4：局域网和城域网的IEEE标准-15.4部分：低速无线个人局域网(Low-RateWirelessPersonalAreaNetworks，LR-WPAN)随着虚拟现实技术和增强现实技术(virtualrealityandaugmentreality，VR和AR)的兴起，低延迟无线通信变得越来越重要。过去，人们可能还没有像如今一样意识到低延迟无线通信的重要性。除了VR和AR之外，低延迟无线通信对于游戏、实时反馈控制系统和实时监控系统也至关重要。因此，期望减少通信网络中的延迟。过去，人们可能还没有意识到即使对于低吞吐量的通信网络系统也支持多频带的重要性。人们曾经认为低吞吐量意味着高延迟。然而，对于VR/AR系统、实时反馈控制系统和实时监控系统中的无线通信，情况不再如此。这些系统需要以低延迟实时传递少量传感器/状态/控制数据。在繁忙且嘈杂的环境中，干扰会对延迟产生不利影响。因此，期望即使对于低吞吐量系统也支持多频带通信，以便让系统自动选择具有较少干扰的频带。例如，期望有一种在所有ISM频带(工业、科学和医疗频带)上，例如2.4GHz、5.8GHz、915MHz、433MHz频带，以及非ISM频带上支持低延迟无线通信的机制。在本公开中，请注意引用的所有专利、专利申请和文献都通过全文引用并入本文。此外，当通过引用并入本文的参考文献中的术语的定义或使用与本文提供的该术语的不一致或相反时，适用本文提供的该术语的定义，而不适用参考文献中该术语的定义。该实施方式可以寻求满足上述期望中的一个或多个。尽管以下公开的实施方式可能回避了上述期望中的一个或多个，但是应理解，该实施方式的某些方面可能不一定回避它们。
技术实现思路
本申请中公开的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有可扩展分层架构的多节点、多包块确认(ACK)无线通信方法，用于非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序包括指令，所述指令在由计算设备执行时，使得所述计算设备的模块执行以下步骤，包括：在中心节点或中心集线器处接收来自多个节点的多个数据包和控制包；为在所述中心集线器或所述中心节点处接收的来自所述多个节点的所述多个数据包和控制包创建单个ACK包；以及将确认所述多个数据包和控制包的接收的所述单个ACK包传送到所述多个节点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.30 US 62/402,916;2016.09.30 US 62/402,936;1.一种具有可扩展分层架构的多节点、多包块确认(ACK)无线通信方法，用于非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序包括指令，所述指令在由计算设备执行时，使得所述计算设备的模块执行以下步骤，包括：在中心节点或中心集线器处接收来自多个节点的多个数据包和控制包；为在所述中心集线器或所述中心节点处接收的来自所述多个节点的所述多个数据包和控制包创建单个ACK包；以及将确认所述多个数据包和控制包的接收的所述单个ACK包传送到所述多个节点。2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将其他信息和消息与对所接收的多个数据包和控制包的ACK信息一起多路复用，以形成单个包；将所述其他信息和所述消息与所述ACK信息作为所述单个包的一部分传送到所述多个节点。3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：将所述ACK信息作为从所述中心节点或所述集线器传输的信标信号的一部分传送到所述多个节点。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在超帧结构的每个超帧的开始处，将信标信号从所述中心集线器或所述中心节点传输到所述多个节点；通过所述多个节点在每个超帧中进行监听；响应于所述信标信号，使用所述超帧结构，在所述中心节点或所述中心集线器与所述多个节点之间同步通信；以及将一个或多个确认(ACK)信息作为所述信标信号的一部分传送到所述多个节点。5.根据权利要求4所述的方法，其中，同步通信包括，当所述多个节点尝试同时或在基本相似的时间将所述多个数据包和控制包发送到所述中心集线器或所述中心节点时避免数据冲突。6.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：将所述多个数据包和控制包的所述一个或多个确认(ACK)信息作为所述信标信号的一部分传送到所述多个节点。7.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：将其他ACK信号、同步信号以及数据和信息作为所述信标信号的一部分传送到所述多个节点。8.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：将所述信标信号内的一个或多个确认(ACK)传送到所述多个节点，以通知所述数据和所述信息的接收状态，所述数据和所述信息是通过发送到所述中心集线器或所述中心节点的所述控制包接收的。9.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：通过作为所述集线器的电话、平板电脑、个人计算机和计算设备中的至少一种，将所述多个数据包和控制包的一个或多个确认(ACK)信息作为所述信标信号的一部分传送到多个节点。10.一种方法，用于非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于通过集线器将信标信号传输到无线网络的多个节点的指令，所述指令由计算设备执行时，使得所述计算设备的模块执行以下步骤，所述方法包括：由所述多个节点的每个节点监听并将通信与所述信标信号同步；在每个超帧结构中每个节点轮流将包传送到所述集线器；以及从每个节点以根据每个节点加入所述无线网络时的顺序所决定的顺序或由来自所述集线器的分配顺序所决定的顺序进行传送。11.根据权利要求10...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗小阳，吴群，
申请(专利权)人：英莆莱科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US