能量脉冲让不同无线网络实现共存

路由器 (2.9万) 2013-12-08 22:57:33

最近,美国密歇根大学的研究人员发明了一种新方法,可以让不同种类的无线网络在相同空间内运行。实际上,他们采取的措施非常简单,就是让其中的一张网络对其它的说句“劳驾请让一下”的提醒。

目前,无线局域网(Wi-Fi)所使用的频段就是与蓝牙以及ZigBee等流行系统共享的情况;而且,这几类设备往往会聚集在相同地点一起出现。但是,这三种技术却不能就使用信号信道的具体安排情况进行有效协调,因此之间出现干扰现象就属于很难防范的常见问题。此外,由于无线局域网本身使用的无线电频段就存在有信道标准宽窄不同的限制,因此甚至不同代产品之间有时都会面临无法对信号交换工作进行有效协调的局面。并且,这两个问题都会导致网络在使用过程中出现传输速度下降以及连接中断的情况。

早在2011年的时间,美国密歇根大学计算机科学系的姜信教授与当时的研究生张新宇(现已成为威斯康星大学的助理教授)就已经开始着手解决这个问题。去年7月,他们开发出了一种GapSense软件,可以利用发送的专门能量脉冲来对无线局域网、蓝牙以及ZigBee的数据传输过程进行协调管制。姜教授表示,GapSense已经做好了安装进设备以及接入点中的所有准备,只要标准制定组织或者主流供应商愿意,这项工作可以立即展开。

对于无数在家庭、办公室以及公共场合中使用的手机、平板计算机以及PC来说,无线局域网可谓就是数据生命线。而蓝牙采用的无线协议虽然速度相对比较缓慢但耗电量也会更少,因而更适合用于外围设备的连接之上。至于ZigBee,就属于一种耗电量甚至更低的系统,经常出现的位置则是家庭自动化、医疗保健以及其它用途的设备里面。

姜教授指出,尽管设备内部的这三种无线协议都配置有对空中通话时长进行协调的机制,但问题的麻烦之处在于每种的具体做法与其它模式都截然不同。

姜教授解释说:“这就意味着,它们之间无法使用相同语言来进行交流并达到相互理解”。

对此,他还进行了详细说明。它们都使用了载波侦听多路访问(CSMA)技术,如果发现无线电信道正处于使用状态,就会命令设备暂停传输工作,但这依然无法达到避免所有干扰的程度。

实际上,该问题的关键之处就在于无线局域网与蓝牙以及ZigBee之间的步调并不一致。此类问题之所以时不时发生,就是因为一种网络的启动速度会比其它的更快。举例来说,即便附近的ZigBee设备准备开始发送数据,使用了CSMA的无线局域网设备也可能不会意识到有与其它传输过程发生碰撞的危险。按照姜教授的说明,造成这种冲突出现的根本原因就是,相比无线局域网脱离空闲模式进行数据传输的时间,ZigBee的启动速度慢了16倍。

姜教授指出,如果让ZigBee采取提高自身性能达到可以跟上旁边无线局域网速度的做法,就会背离了其利用极低功耗来传输与接受少量数据以确保电池使用时间足够长的原始本意。

至于无线局域网设备,目前甚至连内部沟通都无法有效实现。为了确保无线局域网可以获得更快的速度,一代接一代的新标准都在将使用的频谱块范围持续扩大。姜教授表示,这种做法所导致的隐患就是,如果一台802.11b设备试图告诉无线局域网内的其它部分自己需要发送数据包的话,由于使用的信道宽度仅仅只有10MHz,就会导致使用40MHz信道的802.11n设备可能压根无法收到该信号。换句话说,这台802.11b设备变成了网络中的“隐藏终端”。最终的结果必然就会是,来自两台设备的数据包之间出现冲突。

为了将所有这些不同类别设备使用的频段都区别开来,姜教授与张就开发出了一种全新的通信模式。GapSense采用的是一系列由间隔进行分割的能量脉冲,可以依靠脉冲之间的长度变化来对不同类型消息进行区分。现在,只有在确认信道已经空闲出来能够确保工作完成,设备才会开始进行数据传输。并且,该信号不仅可以在传输开始之前发出,也能够夹在数据包之间递出。

看起来,GapSense可以明显改善无线局域网、蓝牙以及ZigBee的使用效果。由于不同网络之间出现冲突,就可能导致网络速度下降,甚至造成连接中断或者通话掉线。为了确认出GapSense能够给无线网络带来的变化,姜教授与张建立了一个拥有适度无线流量的模拟办公环境来进行测试。结果发现,最初ZigBee与无线局域网之间的冲突率为45%,而在使用了GapSense之后,这一数字迅速下降到8%。按照刚发布新闻稿里的说法,针对“隐藏终端”问题的测试显示,在使用GapSense之后,原先高达40%的冲突率直接下降到几乎为零的程度。

此外,GapSense还存在有这样一项潜在用途。它就是,让无线局域网设备在待机状态下的耗电量降到更低程度。目前,在无线局域网设备采用的工作模式中,空闲接收器一聆听到接入点发出的信息就需要做好接受流量的准备。姜教授表示,在使用了GapSense之后,无线接入点就可以发送一系列重复脉冲与间隔,而接收器即便在极低时钟频率下运行时也能够进行识别。换句话说,接收器不需要完全脱离空闲模式,就可以对接入点试图将数据发送过来的重复信息进行确认。姜教授声称,该功能至少可以让无线局域网设备现有耗电量降低44%。

具体到GapSense的安装工作,就需要涉及到包括设备以及无线接入点在内所有硬件的固件以及驱动程序更新。按照姜教授的估计,由于绝大多数制造商都不会选择对已经投入实际使用的设备进行这种处理,因此,该技术的实际应用可能就需要等到硬件设备进行更新换代的时间了。

目前,该技术的专利申请工作正处于进行当中。而按照姜教授的观点,这项技术最理想的普及方式就是变成为正式标准。当然,即便这一点无法做到,如果能够有两家或以上的主流厂商愿意获得授权,它也能够变成一项被公众广泛接受的技术。

THE END

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