用于使IEEE802.15.4实现与IEEE802.11更好的共存的具有冲突避免的混合载波侦听多址系统的制作方法

用于使ieee 802.15.4实现与ieee 802.11更好的共存的具有冲突避免的混合载波侦听多址系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年11月7日提交的美国专利申请no.16/676676的优先权，该申请通过引用方式整体并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及混合载波侦听多址系统，更具体地，涉及用于使ieee 802.15.4实现与ieee 802.11更好的共存的具有冲突避免的混合载波侦听多址系统。


背景技术：

4.5g和物联网(iot)应用不断涌现。出现广泛的无线通信标准，以满足不同的应用。ieee 802.11是可以在sub-1 ghz、2.4ghz、5ghz、6ghz和60ghz频带中操作的一组标准系列(standard family)。ieee 802.15.4是可以在sub-1ghz、2.4ghz和6ghz频带中操作的一组标准系列。结果，ieee 802.11标准和ieee 802.15.4标准都可以在sub-1 ghz、2.4ghz和6g hz频带中操作。在每个频带中，频谱分配是有限的，特别是在sub-1 ghz频带中，其中除了ieee 802.11和ieee 802.15.4之外，还存在诸如lora和sigfox的其它无线技术。这表示共址的无线网络可能被迫共享频谱。换句话说，它们必须共存。因此，必须解决共存问题，尤其是现有无线技术的发展没有很好地解决共存问题。
5.共存可以分为两类：同质共存，即使用相同通信协议的无线网络的共存；和异构共存，即使用不同通信协议的无线网络的共存，例如ieee 802.11和ieee 802.15.4的共存。ieee 802.11和ieee 802.15.4采用具有冲突避免的载波侦听多址(csma/ca)机制来解决同质共存问题。然而，异构共存是一个没有很好解决的问题。在不考虑异构共存的情况下开发了一些无线技术，例如，ieee 802.15.4g仅考虑同构共存。考虑到异构共存而开发了一些无线技术，但是共存准则被设置为有利于它们自身的设备，例如，ieee 802.11ah为共存评估定义了更高的能量检测阈值，这可能导致更低功率的ieee 802.15.4g网络受到严重干扰。
6.ieee 802.15.4g是为无线智能公用事业网络(wi-sun)设计的ieee 802.15.4标准系列中的标准。结果，ieee 802.15.4g也被称为wi-sun。ieee 802.15.4g只考虑同质共存，不提供异构共存机制。
7.ieee 802.11ah是ieee 802.11标准系列中的标准，也被称为wi-fi halow。ieee 802.11ah被设计为在sub-1ghz(s1g)的频带中操作。ieee 802.11ah提供了异构共存机制。其规定s1g站(sta)使用阈值为每mhz-75dbm的基于能量检测(ed)的净信道评估(cca)来改善与其它s1g系统的共存。如果s1g sta在其信道上检测到能量高于阈值，则可能使用诸如改变操作信道和延迟传输之类的机制来减轻干扰。
8.ieee 802.11ah中提供的异构共存机制是否足够？图1示出了在s1g频带中操作的共址的ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络的数据分组递送率。在一些情况下，分组可被称为帧。显然，ieee 802.15.4g网络在网络流量较大时受到影响，但ieee 802.11ah网
络总是达到接近100％的分组递送率。因此，当网络流量很大时，ieee 802.11ah中设置的异构共存机制不能很好地工作，并且必须设置用于ieee 802.11ah和ieee 802.15.4g的其它异构共存机制。
9.一个简单的解决方案是使ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络在非重叠的频率信道上操作。然而，这种非重叠的频率信道可能由于有限的频谱分配而不可用，特别是在s1g频带中。结果，ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络可能被迫共享频带，即共存。
10.因此，期望提供ieee 802.15.4g网络的异构共存方法，以在与共址的ieee 802.11ah网络共享频谱的情况下实现与共址的ieee 802.11ah网络更好的共存，其目的为在不降低ieee 802.11ah网络性能的情况下提高ieee 802.15.4g网络性能的目的。


技术实现要素：

11.本发明的一些实施方式基于频谱分配有限的认识，特别是在sub-1 ghz(s1g)频带中。因此，共址的ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络可能被迫共享频谱，即，共址的ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络必须共存。
12.本发明的一些实施方式基于以下认识：ieee 802.15.4g不提供异构共存机制，ieee 802.11ah针对异构共存提供了基于能量检测(ed)的净信道评估(cca)机制，但是指定的更高ed阈值有利于ieee 802.11ah设备。结果，由于即使ieee 802.15.4g传输的接收能量水平对于ieee 802.15.4g设备来说足够高以解码正在传输的数据，更高的ed阈值使得ieee 802.11ah设备也能够忽略ieee 802.15.4g设备的更低功率传输的事实，当共址的ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络共享频谱时，ieee 802.11ah网络可能严重干扰ieee 802.15.4g网络。这种忽略可能会导致ieee 802.11ah设备的传输与正在进行的ieee 802.15.4g设备的传输发生冲突。
13.本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，由于ieee 802.11ah的更快csma/ca机制，当共址的ieee 802.11ah网络与ieee 802.15.4g网络共享频谱时，共址的ieee 802.11ah网络也会严重干扰ieee 802.15.4g网络。更快的csma/ca机制使ieee 802.11ah设备能够在没有随机回退的情况下具有即时信道接入，或者具有更短的随机回退时间段以用于更积极的信道接入，这可以中断ieee 802.15.4g传输过程并导致ieee 802.15.4g传输失败。因此，必须为ieee 802.15.4标准系列提供共存方法，以实现与ieee 802.11标准系列和其它无线技术的更好共存。
14.本发明的一些实施方式为ieee 802.15.4g(即，wi-sun)提供了具有冲突避免的混合载波侦听多址(csma/ca)，以实现与ieee 802.11ah(即，wi-fi halow)的更好共存。混合csma/ca使得ieee 802.15.4g设备能够在两种csma/ca模式(即模式1 csma/ca和模式2 csma/ca)之间切换。在模式1 csma/ca中，执行传统的ieee 802.15.4 csma/ca过程。在模式2 csma/ca中，执行启用即时信道接入的csma/ca过程。如果ieee 802.11ah干扰不严重，则应用模式1 csma/ca，并且如果ieee 802.11ah干扰严重，则应用模式2 csma/ca。换句话说，模式2 csma/ca为ieee 802.15.4g设备提供了具有即时信道接入的潜力，以便与更积极的ieee 802.11ah设备竞争。
15.本发明的一些实施方式提供了用于ieee 802.15.4g设备确定ieee 802.11ah干扰
的严重性的方法。更具体地，为ieee 802.15.4g设备提供由ieee 802.11ah传输引起的信道接入失败率、ieee 802.11ah信道占用概率和由ieee 802.11ah传输引起的冲突概率，以估计ieee 802.11ah干扰的严重性。
16.本发明的一些实施方式基于这样的认识，即当信道变为空闲时，多个ieee 802.15.4g设备的即时信道接入也可能导致ieee 802.15.4g传输之间的冲突。因此，为ieee 802.15.4g设备提供了最优概率，使得在邻域内，ieee 802.15.4g设备中最多一个执行即时信道接入，而其余ieee 802.15.4g设备执行具有增大的回退参数的随机回退，以避免与即时信道接入传输冲突。
17.本发明的一些实施方式提供了一种用于ieee 802.15.4g设备计算即时信道接入(ica)的最优概率的方法，使得ieee 802.15.4g设备具有执行即时信道接入的1/n概率，其中n是邻域内ieee 802.15.4g设备的总数。在一些情况下，ica的概率可以基于由各个节点或panc测量的通信拥塞程度来确定或改变。当外围节点的输入流量足够低时，这可以提供很大的优点，使得当1/n较小时可以更频繁地执行ica。
18.本发明的一些实施方式提供了一种用于ieee 802.15.4g设备通过监测邻居的分组传输来确定其邻域内的ieee 802.15.4g邻居的数量的方法。
19.本发明的一些实施方式通过启用即时信道接入功能或配置与模式1 csma/ca中使用的默认参数值不同的回退参数值，使得ieee 802.15.4g设备能够执行模式2csma/ca。
20.本发明的一些实施方式使得ieee 802.15.4设备能够通过配置与模式1回退中使用的默认参数值不同的回退参数值来执行模式2回退。
21.根据本发明的一些实施方式，参与wi-sun网络以与在网络之间共享频谱的wi-fi halow网络共存的wi-sun网络的无线智能公用事业网络(wi-sun)设备包括：接收相邻wi-sun设备的分组的接收器；存储器，其被配置为存储包括具有冲突避免的混合载波侦听多址(csma/ca)控制程序和wi-sun csma/ca控制程序的计算机可执行程序；处理器，其被配置为执行混合csma/ca控制程序，所述混合csma/ca控制程序包括指令，所述指令使所述处理器执行以下步骤：基于严重性度量中的一个或组合来估计wi-fi halow干扰的严重性；响应于所估计的严重性在预定csma/ca模式之间选择csma/ca模式；根据所选择的csma/ca模式计算用于执行即时信道接入或回退过程的最优概率；基于所述混合载波侦听多址来检测信道状态，其中，如果所述信道状态不是空闲的，则检查用于重新尝试分组传输的最大限制次数，以确定重新尝试分组传输的容许性；以及发送器，其用于根据所述容许性的确定结果来传输分组。
22.此外，本发明的一些实施方式基于这样的认识，在其上存储计算机可执行程序的非暂时性计算机可读记录介质，计算机可执行程序包括用于在网络之间共享频谱的wi-fi halow网络和wi-sun网络共存的具有冲突避免的混合载波侦听多址(csma/ca)控制程序和wi-sun csma/ca控制程序，其中，所述可执行程序使得处理器执行以下步骤：基于严重性估计度量来估计wi-fi halow干扰的严重性；响应于所估计的严重性在预定csma/ca模式之间选择csma/ca模式；根据所选择的csma/ca模式执行即时信道接入或回退过程；以及基于所述混合载波侦听多址来检测信道状态，其中，如果所述信道状态不是空闲的，则检查用于重新尝试分组传输的最大限制次数，以确定重新尝试分组传输的容许性。
23.应当注意，尽管本公开描述了用于ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络共
存的方法/系统作为示例，但是根据本发明的方法/系统不限于ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络的标准。例如，本公开中描述的方法/系统可以应用于包括ieee 802.15.4w的ieee802.15.4标准系列或使用csma/ca和随机回退方法的通信系统。
24.此外，应当注意，所述方法/系统不限于ieee 802.11ah和ieee 802.15.4g所使用的sub-1 ghz无线电频带。根据本发明的方法/系统可以应用于其它类型的通信系统。例如，该方法/系统可以应用于使用工业、科学和医疗(ism)无线电频带的系统，其包括基于使用公共/重叠频带的不同通信协议操作的不同通信系统，并且可以通过检测信号电平或感测载波来检测其它通信系统。
25.将参照附图进一步解释当前公开的实施方式。所示出的附图不一定是按比例绘制的，而是通常将重点放在说明当前公开的实施方式的原理上。
附图说明
26.[图1]
[0027]
图1示出了使用ieee 802.11ah标准中提供的共存控制机制的共存ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络的样本数据分组接收率。
[0028]
[图2a]
[0029]
图2a是根据本发明的一些实施方式的由共址的ieee 802.11ah网络和82.15.4g网络组成的异构系统的示意图。
[0030]
[图2b]
[0031]
图2b是根据本发明的一些实施方式的参与形成图2a的网络的ieee 802.15.4g设备的结构的示意图。
[0032]
[图3]
[0033]
图3示出了由于ieee 802.11ah的更高能量检测阈值而导致ieee 802.11ah设备干扰ieee 802.15.4g设备的能量级范围。
[0034]
[图4]
[0035]
图4示出了ieee 802.11ah和ieee 802.15.4g回退参数值的比较。
[0036]
[图5]
[0037]
图5示出了根据本发明的实施方式的传统ieee 802.15.4-2011具有冲突避免的载波侦听多址(csma/ca)方法。
[0038]
[图6]
[0039]
图6示出了根据本发明的实施方式的具有冲突避免的混合ieee 802.15.4载波侦听多址接入(csma/ca)方法。
[0040]
[图7a]
[0041]
图7a示出了在存在ieee 802.11干扰的情况下使用传统ieee 802.15.4csma/ca方法和混合ieee 802.15.4 csma/ca方法的数据分组递送率的示例。
[0042]
[图7b]
[0043]
图7b示出了在存在ieee 802.11干扰的情况下使用传统ieee 802.15.4 csma/ca方法和混合ieee 802.15.4 csma/ca方法的数据分组递送率的示例。
[0044]
[图8a]
802.15.4g网络的数据分组递送率。显然，ieee 802.15.4g网络在网络流量较大时受到影响，但ieee 802.11ah网络总是达到接近100％的分组递送率。因此，必须提供ieee 802.15.4g的异构共存方法，以在存在ieee 802.11ah干扰的情况下获得更好的性能。
[0057]
图2a示出了由共存的ieee 802.11ah网络200和ieee 802.15.4g网络205组成的异构系统的示意图。ieee 802.11ah网络200包含ap 201和相关联的sta 202，其中ap 201和sta 202经由ieee 802.11ah无线链路203进行通信。ieee 802.15.4g网络205包含panc 206和相关联的节点207。panc和节点通过ieee 802.15.4g无线链路208进行通信。两个网络足够靠近地共址，使得ieee 802.15.4g网络205的一部分在ieee 802.11ah网络200的通信范围内。因此，当一个网络和另一个网络的操作信道共享频谱时，一个网络可能干扰另一个网络。
[0058]
ieee 802.11ah网络和ieee 802.15.4g网络的拓扑可以是星形、网状或树形的，例如，ieee 802.11ah网络200是星形拓扑，ieee 802.15.4g网络205是树形拓扑。在一些情况下，智能电表系统网络(ieee 802.15.4g)可以被配置为树形拓扑。应当注意，树型配置的每个连接可以根据通信状态而改变。换句话说，每个节点可以通过多pop(邮局协议，post office protocol)方式连接：不需要所有节点都直接连接到panc 206，例如panc节点节点209。
[0059]
根据本发明的实施方式，由于ieee 802.15.4g无线网络的每个节点可以检测ieee 802.11ah无线网络的干扰并且可以确定即时信道接入的使用，因此本发明可以应用于包括多个ieee 802.15.4g网络的多小区配置。
[0060]
此外，整个ieee 802.15.4g网络可以被配置为收集与网络流量相关的信息，以检测由ieee 802.11ah无线网络引起的干扰程度。
[0061]
根据本发明的一些实施方式，参与wi-sun网络以与在网络之间共享频谱的wi-fi halow(ieee 802.11ah)网络共存的无线智能公用事业网络设备(wi-sun设备或ieee 802.15.4g设备)包括：接收器，其用于接收相邻wi-sun设备的分组；存储器，其被配置为存储包括具有冲突避免的混合载波侦听多址(csma/cs)控制程序和wi-sun回退控制程序的计算机可执行程序；以及处理器，其被配置为执行包括指令的计算机可执行程序，其中，所述指令使得所述处理器执行以下步骤：基于严重性估计方法来估计wi-fi halow干扰的严重性；响应于所估计的严重性在预定csma/ca模式之间切换(选择)csma/ca模式；以及根据所选择的csma/ca模式执行即时信道接入或回退过程。此外，wi-sun设备包括发送器，以用于根据步骤的结果发送分组。
[0062]
图2b示出了参与形成图2a的网络的ieee 802.15.4g设备的结构的示例，其中ieee 802.15.4g设备210可以包括处理器214、存储器212、电源216、包括发送器、接收器和能量检测器的收发器218以及rf天线220。此外，控制程序被包括在与存储器212、处理器214和收发器218连接的存储部211中。控制程序211包括csma/ca模式控制(程序)224、模式1 csma/ca程序226和模式2 csma/ca程序228、以及由收发器218用来执行csma/ca模式控制(程序)224的定时器222。取决于ieee 802.11ah干扰的严重性，混合csma/ca模式控制程序224可以调用传统ieee 802.15.4 csma/ca过程或即时信道接入使能的csma/ca过程。
[0063]
ieee 802.11ah的更高能量检测(ed)阈值引起的干扰
[0064]
ieee 802.11ah定义了比ieee 802.15.4g的ed阈值(其通常比ieee 802.15.4g接
收器灵敏度(rs)大10db)更高的ed阈值。如果ieee 802.15.4g接收器检测到ieee 802.15.4g信号的能量级高于接收器灵敏度，则接收器可以从发送的信号中解码数据。
[0065]
图3示出了能量域中ieee 802.15.4g接收器灵敏度310、ieee 802.15.4g ed阈值320和ieee 802.11ah ed阈值330的分布。这三个参数将能量域划分为四个区域340、350、360和370。区域340表示小于ieee 802.15.4g接收器灵敏度310的能量级范围，区域350表示大于ieee 802.15.4g接收器灵敏度310但小于ieee 802.15.4g ed阈值320的能量级范围，区域360表示大于ieee 802.15.4g ed阈值320但小于ieee 802.11ah ed阈值330的能量级范围。此外，区域370表示大于ieee 802.11ah ed阈值330的能量级范围。
[0066]
ieee 802.11ah更高的ed阈值会导致ieee 802.11ah传输与ieee 802.15.4g传输发生冲突。如果检测到的ieee 802.15.4g分组传输的能量级在区域380中，则该分组可由ieee 802.15.4g设备读取，但是ieee 802.11ah设备忽略检测到的分组传输，因为检测到的能量级低于ieee 802.11ah ed阈值330，换句话说，ieee 802.11ah设备将信道视为空闲。在这种情况下，如果其感测到信道空闲超过分布式帧间空间(difs)时间段或者其回退计数器达到零，则ieee 802.11ah设备将开始与正在进行的ieee 802.15.4g分组传输冲突的传输。
[0067]
ieee 802.11ah中更快的csma/ca机制引起的干扰
[0068]
图4示出了ieee 802.11ah和ieee 802.15.4g的csma/ca参数值的比较。ieee 802.11ah的参数比ieee 802.15.4g的相应参数小得多。例如，ieee 802.15.4g回退时段比ieee 802.11ah时隙长得多。因此，ieee 802.11ah回退过程比ieee 802.15.4g回退过程快得多，这为ieee 802.11ah设备带来了多得多的信道接入机会。例如，如果ieee 802.15.4g设备感测到信道空闲，则其随后执行接收模式到传输模式的切换，即，rx-to-tx周转，这花费1000μs。在该周转时间段期间，ieee 802.11ah设备可能开始其传输。结果，ieee 802.11ah传输可能与ieee 802.15.4g传输冲突。因此，ieee 802.11ah与ieee 802.15.4g传输发生干扰。更快的ieee 802.11ah csma/ca方法会导致数据冲突和确认冲突。
[0069]
用于ieee 802.15.4以实现与ieee 802.11更好的共存的混合csma/ca
[0070]
ieee 802.15.4g设备和ieee 802.11ah设备不能彼此通信。因此，ieee 802.15.4g设备不能与ieee 802.11ah设备协调以减轻干扰。然而，当ieee 802.15.4g设备检测到来自ieee 802.11ah设备的严重干扰时，ieee 802.15.4g设备可以改变其行为以获得更多的信道接入机会。ieee 802.15.4g设备可以探查ieee 802.11ah设备的弱点以增加其信道接入机会。例如，ieee 802.11ah设备必须在检测到忙信道之后执行随机回退过程。例如，对于第一次回退，回退时间可以是780μs，对于第二次回退，回退时间可以是1612μs。在开始随机回退过程之前，ieee 802.11ah设备必须等待difs时间段，即即时信道接入的最小空闲时间，对于ieee 802.11ah为264μs。如果ieee 802.15.4g设备执行即时信道接入，则该264μs等待时间加上随机回退时间可以为ieee 802.15.4g设备提供在ieee 802.11ah设备之前开始传输的机会。然而，同一邻域内的多个ieee 802.15.4g设备的即时信道接入也会导致冲突。因此，需要为ieee 802.15.4标准系列提供一种智能的即时信道接入方法。
[0071]
csma/ca是ieee 802.11和ieee 802.15.4标准系列两者用于同构共存的机制。图5示出了传统的ieee 802.15.4 csma/ca过程500，其也适用于ieee 802.15.4g。对于非时隙网络(non-slotted network)，传统的ieee 802.15.4 csma/ca将回退数量(nb)初始化510为0，并且将回退指数(be)初始化为macminbe。csma/ca然后延迟540随机数量的回退时段，
其中该随机数量在区间[0,2
be-1]内均匀地抽取，该区间被称为延迟窗口(dw)，其中be从macminbe开始并增加直到macmaxbe。当随机延迟完成时，执行550 cca操作。如果信道空闲555，则回退成功585并且ieee 802.15.4设备继续进行发送。如果信道不空闲，则更新nb和be 590。如果已经执行了最大数量的回退565，则回退失败570。否则，回退过程继续(进行到延迟540)。对于时隙网络，csma/ca将nb初始化512到0并且将竞争窗口(cw)初始化到cw0，根据国家规定，cw0等于1或2。根据电池寿命延长是否为真515，csma/ca将be初始化为macminbe 525或min{2，macminbe}520。csma/ca然后定位回退时段边界530并延迟随机数量的回退时段540。当随机延迟540完成时，csma/ca在回退时段边界执行cca 545。如果信道是空闲状态555且cw在步骤575中减小1。如果在步骤580中cw等于零，则操作进行到回退成功(585)。否则，执行另一cca操作545。如果信道不是空闲状态，则在步骤560更新nb、cw和be。如果在步骤565中已经执行了最大数量的回退，则在步骤570中操作进行到回退失败状态。否则，回退过程继续(进行到步骤540)。
[0072]
可以看出，更大的macminbe和/或macmaxbe增加了延迟窗口(dw)。
[0073]
还可以看出，对于时隙和非时隙网络两者，传统的ieee 802.15.4 csma/ca首先执行随机延迟，而不管信道空闲了多长时间。使用这种csma/ca机制，ieee 802.15.4在与允许即时信道接入的更积极的ieee 802.11竞争时具有劣势。因此，传统的ieee 802.15.4 csma/ca不适用于异构共存，尤其不适用于与更积极的ieee 802.11网络共存。
[0074]
本发明的一些实施方式为包括ieee 802.15.4g的ieee 802.15.4标准系列提供了混合csma/ca，以实现与包括ieee 802.11ah的ieee 802.11标准系列的更好共存。当ieee 802.11干扰严重时，混合csma/ca允许ieee 802.15.4设备具有即时信道接入能力。考虑到多个ieee 802.15.4设备的即时信道接入的可能冲突，混合csma/ca旨在允许邻域内的ieee 802.15.4设备中的最多一个设备执行即时信道接入，相同邻域内的其余ieee 802.15.4设备利用增加的回退参数执行回退，以避免与即时信道接入的传输发生冲突。ieee 802.15.4的混合csma/ca和传统csma/ca之间的另一个关键区别是竞争窗口(cw)配置。在图5所示的传统csma/ca中，cw被设置为cw
0 512，其中，cw0可以是1或2。如果cw0＝2，则ieee 802.15.4设备仅在信道对于两个连续cca操作空闲时才可以发送分组。如图4所示，ieee 802.11ah的cca时间最多为40μs。然而，ieee 802.15.4g的cca时间为128μs,比40μs长得多。因此，为了与ieee 802.11ah竞争，混合csma/ca仅需要一个cca操作，如图6的625所示。
[0075]
例如，如图2b所示，参与wi-sun网络以与在网络之间共享频谱的wi-fi halow网络共存的无线智能公用事业网络(wi-sun)设备(ieee 802.15.4g设备)可以包括：用于检测分组传输的能量级的能量检测器218；用于接收相邻wi-sun设备的分组的接收器218；存储器212，其被配置为存储包括具有冲突避免的混合载波侦听多址(csma/ca)控制程序224、定时器222和wi-sun回退控制程序(未示出)的计算机可执行程序211；以及处理器214，其被配置为执行包括指令的混合csma/ca控制程序224。指令可以使处理器214执行以下步骤(过程)：基于严重性估计方法来估计wi-fi halow干扰的严重性；响应于估计的严重性在预定csma/ca模式之间切换(选择)csma/ca模式；以及根据所选择的csma/ca模式来执行即时信道接入或回退过程；以及发送器218，其用于发送分组。
[0076]
图6示出了ieee 802.15.4的混合csma/ca(操作程序/过程)。代替延迟随机数量的回退时段(图5中的步骤540)，混合csma/ca程序首先在步骤605中确定ieee 802.11干扰是
否严重(严重状态)。如果802.11ah干扰不严重(非严重状态)，则在过程500中执行模式1 csma/ca 226，即传统ieee 802.15.4 csma/ca。如果ieee 802.11干扰严重，则在过程600中执行模式2 csma/ca 228。模式2 csma/ca 228首先在步骤610中计算即时信道接入的最优概率。基于最优概率，模式2 csma/ca 228在步骤615中确定是否执行即时信道接入。如果不执行即时信道接入，则在步骤620中，模式2 csma/ca 228更新一个或多个基本回退参数macminbe、macmaxbe、backoffperiod和macminbe。然后，模式2 csma/ca 228在过程500中使用更新的回退参数来执行模式1 csma/ca 226。如果是，则模式2 csma/ca 228将nb初始化625到1、将cw初始化到1并且将be初始化到macminbe。对于非时隙网络，在步骤640中，模式2 csma/ca 228立即执行cca操作。对于时隙网络，模式2csma/ca 228在过程635中定位回退时段边界，然后在过程640中在回退时段的边界处执行cca。如果cca返回空闲信道状态645，则在过程650中执行即时信道接入，即802.15.4开始传输。如果cca在步骤645返回忙信道状态，则模式2 csma/ca 228在步骤655检查是否已经执行了最大数量的回退。如果是，则回退失败，如步骤660所示。如果否，则模式2 csma/ca 228在步骤665中延迟随机数量的回退时段。当随机回退完成时，模式2 csma/ca 228更新nb和be 670并再次执行cca 640。
[0077]
对于模式2 csma/ca中的回退参数更新620，期望增加这些参数的值，以便避免与正在执行即时信道接入的设备的传输冲突。
[0078]
图7a示出了使用传统ieee 802.15.4 csma/ca方法的ieee 802.11ah和ieee 802.15.4g网络的数据分组递送率。可以看出，ieee 802.11ah实现了接近100％的分组递送率，而ieee 802.15.4g仅实现了89％的分组递送率。图7(b)示出了使用混合ieee 802.15.4 csma/ca方法的ieee 802.11ah和ieee 802.15.4g网络的数据分组递送率。可以看出，ieee 802.11ah仍然实现了接近100％的分组递送率，并且在这种情况下，ieee 802.15.4g获得了大约93％的分组递送率。因此，混合csma/ca在不降低ieee 802.11ah网络性能的情况下，将ieee 802.15.4g分组递送率提高了4％。
[0079]
模式2 csma/ca中针对即时信道接入的最优概率计算
[0080]
使用模式2 csma/ca，ieee 802.15.4g设备需要计算610针对即时信道接入的最优概率。为了计算该概率，ieee 802.15.4g设备需要知道ieee 802.15.4g邻居的数量。其可以通过监测邻居的分组传输来确定ieee 802.15.4g邻居的数量。假设在邻域中存在ng个ieee 802.15.4g设备，并且每个设备d
ig
(i＝1,2,
…
,ng)具有采取即时信道接入的概率p和执行随机回退的概率1-p。设表示二项式随机变量b(ng,p)，其中xi是表示设备d
ig
的决定(decision)的随机变量。则并且e[x]＝ngp。为了避免ieee 802.15.4g传输当中由于即时信道接入而引起的冲突，最优策略是仅一个ieee 802.15.4g设备执行即时信道接入，而其余ieee 802.15.4g设备执行随机回退，即e[x]＝1，这给出了最优概率po＝1/ng。
[0081]
即使针对即时信道接入(ica)的最优概率是1/ng，在一些情况下，ica的概率可以基于由各个节点或panc测量的通信拥塞程度α来确定或改变。当外围节点的输入流量足够低时，这可以提供很大的优点，使得当1/ng较小时可以更频繁地执行ica。
[0082]
模式2 csma/ca中的ieee 802.11干扰严重性的估计方法
[0083]
混合csma/ca的关键是确定ieee 802.11ah干扰严重性605，其用于切换csma/ca模
式。为ieee 802.15.4g设备提供以下四种方法来估计ieee 802.11ah干扰严重性。这四种方法定义了四种度量来估计ieee 802.11ah干扰严重性，即ieee 802.11ah能量检测比率、由ieee 802.11ah引起的信道接入失败率、由ieee 802.11ah引起的信道占用概率和由ieee 802.11ah引起的冲突概率。
[0084]
方法-1：ieee 802.11ah能量检测(ed)比率
[0085]
使用能量检测机制，ieee 802.15.4g设备可以检测高于或等于ieee 802.15.4g ed阈值的信号能量。设ed
total
为ieee 802.15.4g设备在时间段t内检测到高于或等于ieee 802.15.4g ed阈值的能量级的总次数。此外，使用载波侦听机制，ieee 802.15.4g设备可以确定检测到的信号是否是ieee 802.15.4g信号。如果不是，则检测到的信号是ieee 802.11ah信号。设ed
ah
为检测到的ieee 802.11ah信号的次数。然后，ieee 802.11ah能量检测比率r
edh
可以被定义为
[0086][0087]
方法-2：由ieee 802.11ah引起的信道接入失败率
[0088]
设n
caf
为针对总共n
tx
个传输尝试由ieee 802.15.4g设备观察到的信道接入失败的总数。n
caf
可以分解为n
caf
＝n
hcaf
n
gcaf
，其中，n
hcaf
为ieee 802.11ah导致的信道接入失败次数，n
gcaf
为ieee 802.15.4g导致的信道接入失败次数。ieee 802.15.4g设备能够通过使用载波侦听机制来计算n
gcaf
。为了保证分组报头侦听，ieee 802.15.4g设备可以较早地开始载波侦听，例如，在回退计数器达到零之前开始信道侦听。因此，由ieee 802.11ah引起的信道接入失败率r
hcaf
可以计算为
[0089][0090]
方法-3：ieee 802.11ah信道占用概率
[0091]
ieee 802.15.4g设备可以通过在时间段t内连续感测信道来估计信道忙碌时间tb。其传输时间和接收时间被认为是忙碌时间。其周转时间被认为是空闲时间。另外，ieee 802.15.4g设备能够经由载波侦听来确定ieee 802.15.4g传输所消耗的忙碌时间t
gb
。因此，ieee 802.11ah信道占用概率p
htx
可以估计为：
[0092][0093]
方法-4：ieee 802.11ah引起的冲突概率
[0094]
ieee 802.15.4g设备不能区分由ieee 802.11ah或ieee 802.15.4g引起的冲突。因此，ieee 802.11ah传输与ieee 802.15.4g传输冲突的概率被用作估计ieee 802.11ah干扰严重性的度量。只有当ieee 802.11ah传输与ieee 802.15.4g传输的传输时间段重叠时，ieee 802.11ah传输才可能与ieee 802.15.4g传输冲突。
[0095]
在ieee 802标准中，只有当数据传输的传输过程完成时，数据传输才成功。因此，考虑ieee 802.11ah传输过程干扰对ieee 802.15.4g传输过程的影响。在s1g频带中，日本标准arib std t108允许最大10％占空比。因此，不饱和流量负载假设成立。只有当ieee 802.11ah数据在潜在时间段内到达时，ieee 802.11ah传输过程才会干扰给定的ieee 802.15.4g传输。该时间段长度用于估计由ieee 802.11ah引起的冲突概率。
[0096]
ieee 802.11ah信道接入可以分为1)即时接入，其中，如果数据到达，信道空闲且空闲信道持续超过difs时间时段，则数据在不发生回退的情况下传输，2)延迟接入，如果数据到达，信道忙碌，则调用回退过程并延迟数据传输。如果检测到的能量级低于ieee 802.11ah ed阈值，则ieee 802.11ah设备忽略ieee 802.15.4g传输，并且如果检测到的能量级高于ieee 802.11ah ed阈值，则ieee 802.11ah设备检测到ieee 802.15.4g传输。因此，ieee 802.11ah干扰场景可以分为以下四种情况：
[0097]
·
情况1：ieee 802.11ah执行即时信道接入并且忽略ieee 802.15.4g传输
[0098]
·
情况2：ieee 802.11ah执行延迟信道接入并且忽略ieee 802.15.4g传输
[0099]
·
情况3：ieee 802.11ah执行即时信道接入并且检测到ieee 802.15.4g传输
[0100]
·
情况4：ieee 802.11ah执行延迟信道接入并且检测到ieee 802.15.4g传输
[0101]
设t
gd
、t
ga
、t
hd
和t
ha
分别为ieee 802.15.4g数据传输时间、ieee 802.15.4g ack传输时间、ieee 802.11ah数据传输时间和ieee 802.11ah ack传输时间。
[0102]
对于情况1，图8(a)示出了可能干扰给定ieee 802.15.4g传输800的可能ieee 802.11ah数据到达时段810的长度。时段长度由t
igim
＝t
2-t1＝t
hd
sifs t
ha
t
gd
给出，其中，t1是能够导致干扰给定ieee 802.15.4g传输800的ieee 802.11ah传输过程820的最早数据到达时间，t2是能够生成干扰给定ieee 802.15.4g传输800的ieee 802.11ah传输过程830的最晚数据到达时间，并且sifs表示ieee 802.11ah的短帧间空间。显然，由于ieee 802.11ah设备忽略ieee 802.15.4g传输800，所以可以发生最晚的干扰ieee 802.11ah传输过程830。最早的干扰ieee 802.11ah传输过程820是否可能在没有被ieee 802.15.4g设备检测到的情况下发生？答案是肯定的。ieee 802.15.4g rx-to-tx周转时间为1000μs。ieee 802.11ah sifs为160μs。840μs被留给ieee 802.11ah数据传输和ack传输。即使使用1mhz信道，ieee 802.11ah phy速率范围从300kbps到16mbps。使用3mbps phy速率，100字节分组仅需267μs。剩余的573μs足够长来传输ieee 802.11ah ack。
[0103]
对于情况2，图2(b)描绘了可能干扰给定ieee 802.15.4g传输800的可能ieee802.11ah数据到达时段810的长度。在这种情况下，最早的干扰ieee 802.11ah传输过程820执行回退时段长度大于零的随机回退。最晚的干扰ieee 802.11ah传输过程830碰巧选择零随机回退时段长度。可能的ieee 802.11ah数据到达时段810的长度由t
igdf
＝t
2-t1＝max{t
hd
,t
gd
} t
hbo
t
hd
sifs t
ha
t
gd
给出，其中，max{t
hd
,t
gd
}指示忙碌信道可由ieee 802.11ah传输或另一ieee 802.15.4g传输引起，并且t
hbo
是ieee 802.11ah传输设备的随机回退时段的长度。t
hbo
是随机变量,下界为0，上界为cw*52μs，其中cw
min
≤cw≤cw
max
。
[0104]
结合情况1和情况2，如果ieee 802.11ah设备忽略ieee 802.15.4g数据传输，则可能干扰ieee 802.15.4g数据传输800的可能ieee 802.11ah数据到达时间段可估计为：
[0105][0106]
其中，pi是信道空闲概率并且可以使用稍后的方法来估计。
[0107]
假设ieee 802.11ah设备具有平均到达率λ的泊松数据到达分布，并且ieee 802.15.4g传输设备具有nh个ieee 802.11ah邻居。在时间时段t中，ieee 802.11ah邻居没
有数据到达的概率是
[0108]
e-λt
和所有ieee 802.11ah邻居没有数据到达的概率是e-nhλt
。因此，至少一个ieee 802.11ah邻居具有数据到达的概率是1-e-nhλt
。因此，ieee 802.11ah传输与给定
[0109]
ieee 802.15.4g数据传输冲突的概率由下式给出：
[0110][0111]
情况3与情况1类似，但是在这种情况下，最晚的干扰ieee 802.11ah传输过程830不能在ieee 802.15.4g传输结束时开始，因为在ieee 802.15.4g传输800期间，信道被认为是忙碌的。因此，最晚的干扰ieee 802.11ah传输过程830只能在ieee 802.15.4g传输开始时开始。结果，可能的干扰ieee 802.11ah数据到达时间段810的长度为t
dtim
＝t
hd
sifs t
ha
。
[0112]
类似地，对于情况4，可能的干扰ieee 802.11ah数据到达时间段810的长度由t
dtdf
＝max{t
hd
,t
gd
} t
hbo
t
hd
sifs t
ha
给出。
[0113]
结合情况3和情况4，如果ieee 802.11ah设备检测到ieee 802.15.4g数据传输，则可以将可能干扰ieee 802.15.4g数据传输的可能ieee 802.11ah数据到达时间段估计为：
[0114][0115]
ieee 802.11ah传输与给定ieee 802.15.4g数据传输冲突的概率由下式给出：
[0116][0117]
注意p
dtcd
《p
igcd
，因为t
dtitd
《t
igitd
，这是合理的，因为如果ieee 802.11ah检测到ieee 802.15.4g传输，则其采取行动以避免干扰。
[0118]
除了干扰ieee 802.15.4g数据传输外，ieee 802.11ah传输还可以干扰ieee 802.15.4g ack传输。ieee 802.15.4g ack传输等待时间aifs为1000μs，比264μs的ieee 802.11ah difs时间长得多。因此，ieee 802.11ah设备可以在ieee 802.15.4g数据和ieee 802.15.4g ack之间开始传输过程。ieee 802.11ah传输过程可能干扰ieee 802.15.4g ack传输。
[0119]
考虑到仅当ieee 802.15.4g数据传输成功时才传输ieee 802.15.4g ack，ieee 802.15.4g ack传输的概率是1-p
gc
，其中，p
gc
是由ieee 802.11ah传输和ieee 802.15.4g传输引起的ieee 802.15.4g冲突概率。ieee 802.15.4g设备可以使用传输尝试次数和接收到的ack次数来计算p
gc
。
[0120]
可以与ieee 802.15.4g数据传输类似地计算ieee 802.11ah传输与ieee 802.15.4gack传输冲突的概率。然而，在这种情况下，ieee 802.15.4g数据传输引起忙碌信道。如果ieee 802.11ah设备忽略ieee 802.15.4g ack传输，则ieee 802.11ah传输与ieee 802.15.4g ack传输冲突的概率由下式给出：
[0121][0122]
其中，t
igita
＝t
hd
sifs t
ha
t
ga
(1-pi)(t
gd
t
hbo
)。
[0123]
如果ieee 802.11ah设备检测到ieee 802.15.4g ack传输，则ieee 802.11ah传输与ieee 802.15.4g ack传输冲突的概率由下式给出：
802.11ah系统的干扰的严重性。此外，应当注意，根据本发明的混合csma/ca方法可以应用于其他异构无线系统，例如sigfox(法国全球网络运营商f)、lora(远程：非蜂窝远程和低功率无线技术)或lpwa(远程广域网)。当ieee 802.15.4g设备检测到来自ieee 802.11ah设备的干扰并且检测到的干扰水平高于预定干扰阈值时，ieee 802.15.4g设备将操作移动到步骤s3b。另一方面，当混合csma/ca算法确定ieee 802.11ah装置不存在于邻域中时，或者混合csma/ca算法确定ieee 802.15.4g设备以外的设备不存在于邻域中时，操作移动到步骤s4a以执行标准csma/ca算法。例如，当没有检测到来自ieee 802.11ah设备的干扰或者检测到的干扰水平低于预定阈值(水平)时，ieee 802.15.4g设备选择标准802.15.4g csma/ca作为步骤s4a，其中步骤s4a的算法(或操作)示出于图10中，其示出了从ieee std 802.15.4-2015中的图6-5的csma/ca算法复制的标准csma/ca算法的流程图，用于步骤s4a的参考。
[0141]
步骤s3b计算最优即时信道接入概率。在这种情况下，ieee 802.15.4g设备计算/计数邻域中的其它ieee 802.15.4g设备的数量以优化信道接入。如先前在模式2csma/ca中针对即时信道接入的最优概率计算部分中所描述的，为了避免由于即时信道接入而在ieee 802.15.4g传输之间发生冲突，执行最优策略，使得仅一个ieee 802.15.4g设备执行即时信道接入，而其余ieee 802.15.4g设备执行随机回退，即，e[x]＝1，这给出最优概率po＝1/ng。
[0142]
尽管混合csma/ca算法允许ieee 802.15.4g设备在设备检测到来自ieee 802.11ah设备的严重干扰时执行即时信道接入，但是如果邻域中的所有ieee 802.15.4g设备同时尝试接入信道，则即时信道接入可能引起冲突。为了避免这种冲突，当检测到来自ieee 802.11ah设备的严重干扰(s3a＝是)时，混合csma/ca算法计算最优即时信道接入概率po。基于最优概率，混合csma/ca算法在步骤s3c确定是否执行即时信道接入。为此，混合csma/ca算法从区间[0,1]中选择一个随机值。如果所选择的随机值小于po(s3c＝是)，则ieee 802.15.4g设备执行即时信道接入。否则(s3c＝否)，ieee 802.15.4g设备不执行即时信道接入，因此，移动到步骤s4a。基于该概率，邻域中的ieee 802.15.4g设备中的仅一个设备应该执行即时信道接入。其余的ieee 802.15.4g设备移动到步骤s4a。决定执行即时信道接入(s3c＝是)的ieee 802.15.4g设备配置关于即时信道接入的参数(即时信道接入参数)。
[0143]
具体地，步骤s3c基于在s3b中计算出的最优概率来确定ieee 802.15.4g设备是否应当开始即时信道接入。如果ieee 802.15.4g设备决定不执行即时信道接入(s3c＝否)，则ieee 802.15.4g设备移动到步骤s4a，否则ieee 802.15.4g设备移动到步骤s3d。在上述情况下，s3b和s3c的功能通过考虑ieee 802.15.4g内部冲突避免而使ieee 802.15.4g传输概率最大化。在步骤s3d中，ieee 802.15.4g设备设置即时信道参数并开始即时信道接入过程。
[0144]
步骤s3e检查ieee 802.15.4g信道接入模式，即信标使能或非信标使能。
[0145]
步骤s3e/s3g/s3h/s3i执行ieee标准802.15.4-2015中的图6-5所示的标准操作。当csma/ca算法移动到步骤“成功”时，允许ieee 802.15.4设备开始传输。否则，如果csma/ca算法在“失败”处结束，则ieee 802.15.4传输尝试以信道接入失败终止。
[0146]
关于ieee 802.15.4-2015中的图6-5的描述的一部分描述如下操作。
[0147]“图6-5例示了csma/ca算法的步骤。如果算法以“成功”结束，则允许mac开始帧的
传输。否则，该算法以信道接入失败终止。
[0148]
在ble字段被设置为零的时隙csma/ca系统中，mac子层应当确保，在随机回退之后，可以进行剩余的csma-ca操作，并且可以在cap结束之前传输整个事务。如果回退时段的数量大于cap中的回退时段的剩余数量，则mac子层将在cap结束时暂停回退倒计时，并在下一个超帧中的cap开始时恢复回退倒计时。如果回退时段的数量小于或等于cap中的回退时段的剩余数量，则mac子层应当应用其回退延迟，然后评估其是否能够继续。如“ieee std 802.15.4的应用”[b3]中所述，如果剩余的csma-ca算法步骤，即针对需要先听后说(lbt)的监管域(例如日本的920mhz频带)的至少phy cca持续时间的单个连续cca分析或者两个cca分析、帧传输和任何确认，可以在cap结束之前完成，则mac子层应继续进行。如果mac子层可以继续，则其将请求phy在当前超帧中执行cca。如果mac子层不能继续，则其将等待直到下一个超帧中的cap的开始，并且在评估其是否能够再次继续之前应用进一步的随机回退延迟。
[0149]
在ble字段被设置为一的时隙csma-ca系统中，mac子层应当确保，在随机回退之后，可以进行剩余的csma-ca操作，并且可以在cap结束之前传输整个事务。回退倒计时只能发生在信标后ifs时段结束后的第一macbattlifeext时段完整回退时段期间。如果剩余的csma-ca算法步骤，即对于需要监听lbt的监管域的至少phy cca持续时间的单个连续cca分析或者两个cca分析、帧传输和任何确认，可以在cap结束之前完成，则mac子层将继续进行，并且帧传输将在信标之后的ifs时段之后的第一macbattlifeextperiods完整回退时段之一中开始。如果mac子层可以继续，则其将请求phy在当前超帧中执行cca。如果mac子层不能继续，则其将等待直到下一个超帧中的cap的开始，并且在评估其是否能够再次继续之前应用进一步的随机回退延迟。
[0150]
本发明的一些实施方式在步骤s3h在算法中添加判断。当在步骤s3h中“信道空闲＝否”时，操作移动到步骤s3k。在这种情况下，该功能与用于重新尝试分组传输的最大允许次数(阈值)有关。此外，步骤s3k确定回退数量(nb)是否超过预定的macmaxcsmabackoff。如果步骤s3k的结果是“是”，则csma/ca算法移动到步骤s3l“失败”，因此ieee 802.15.4g放弃传输。换句话说，当步骤s3k中的结果指示重新尝试分组传输的次数大于最大允许次数时，802.15.4g设备在步骤s3l中丢弃分组(或帧)。如果步骤s3k的结果是“否”，则重新尝试分组传输的次数小于或等于最大允许次数，因此csma/ca算法移动到步骤s3k-a以执行随机回退。
[0151]
在完成回退之后，csma/ca算法移动到步骤s3j，其将nb递增1，这是被配置为允许ieee 802.15.4g设备重新尝试分组传输的操作。因此，csma/ca算法移动到初始阶段以执行传输重新尝试。结果，在步骤s3a重新评估ieee 802.11ah干扰严重性，这是必要的，因为无线干扰是动态现象。
[0152]
然而，注意，对于一些802.15.4g分组传输，可以跳过回退步骤s3k-a。例如，如果802.15.4g设备的分组是时间关键的，则csma/ca算法可以跳过步骤s3k-a以减少延迟时间。根据本发明的一些实施方式，csma/ca算法可以通过跳过步骤s3k-a而移动到步骤3j。
[0153]
如果在步骤s3h“信道空闲＝是”，则csma-ca算法前进到步骤s3i“成功”，并且ieee 802.15.4g设备开始分组传输。
[0154]
步骤s3h中的“信道空闲＝否”指示ieee 802.15.4g设备由于忙碌信道而不能传输
分组，尽管设备已经尝试发送分组，因为分组传输正由ieee 802.11ah设备或另一ieee 802.15.4g设备执行中。
[0155]
当重新尝试分组传输的次数等于或小于最大允许次数时，csma/ca算法返回到步骤s3a，这允许802.15.4g设备返回到步骤序列以重新尝试分组传输。
[0156]
当csma/ca算法在步骤s3l“失败”结束时，分组被丢弃。如果要发送的分组被丢弃，则分组中的部分数据可能不被递送到目的地。在这种情况下，上层(ip层或应用程序)被配置为执行重新尝试分组传输。
[0157]
因此，基于本发明的一些实施方式的csma/ca算法可以通过允许ieee 802.15.4g设备进行更积极的信道接入并在回退过程期间重新检测ieee 802.11ah干扰的严重性来改进ieee 802.15.4g网络的分组递送率性能。
[0158]
本发明的上述实施方式可以以多种方式中的任何方式来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合(无论是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机之间)上执行。这样的处理器可以被实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或多个处理器。然而，可以使用任何适当格式的电路来实现处理器。
[0159]
此外，本发明的实施方式可以实现为已经提供了示例的方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构建其中以不同于所示出的顺序执行动作的实施方式，所述顺序可包括同时执行一些动作，虽然在说明性实施方式中示出为顺序动作。
[0160]
在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”之类的顺序术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个权利要求元素的任何优先级、优先程度或顺序或者执行方法动作的时间顺序，而仅仅用作将具有某一名称的一个权利要求元素与具有相同名称(如果不使用顺序术语的话)的另一元素区分开来的标签，以区分权利要求元素。
[0161]
虽然已经通过优选实施方式的示例描述了本发明，但是应当理解，在本发明的精神和范围内可以进行各种其他的调整和修改。
[0162]
因此，所附权利要求书的目的是覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这些变化和修改。