能量脈沖讓不同無線網絡實現共存
最近,美國密歇根大學的研究人員發明了一種新方法,可以讓不同種類的無線網絡在相同空間內運行。實際上,他們采取的措施非常簡單,就是讓其中的一張網絡對其它的說句“勞駕請讓一下”的提醒。
目前,無線局域網(Wi-Fi)所使用的頻段就是與藍牙以及ZigBee等流行系統共享的情況;而且,這幾類設備往往會聚集在相同地點一起出現。但是,這三種技術卻不能就使用信號信道的具體安排情況進行有效協調,因此之間出現干擾現象就屬于很難防范的常見問題。此外,由于無線局域網本身使用的無線電頻段就存在有信道標準寬窄不同的限制,因此甚至不同代產品之間有時都會面臨無法對信號交換工作進行有效協調的局面。并且,這兩個問題都會導致網絡在使用過程中出現傳輸速度下降以及連接中斷的情況。
早在2011年的時間,美國密歇根大學計算機科學系的姜信教授與當時的研究生張新宇(現已成為威斯康星大學的助理教授)就已經開始著手解決這個問題。去年7月,他們開發出了一種GapSense軟件,可以利用發送的專門能量脈沖來對無線局域網、藍牙以及ZigBee的數據傳輸過程進行協調管制。姜教授表示,GapSense已經做好了安裝進設備以及接入點中的所有準備,只要標準制定組織或者主流供應商愿意,這項工作可以立即展開。
對于無數在家庭、辦公室以及公共場合中使用的手機、平板計算機以及PC來說,無線局域網可謂就是數據生命線。而藍牙采用的無線協議雖然速度相對比較緩慢但耗電量也會更少,因而更適合用于外圍設備的連接之上。至于ZigBee,就屬于一種耗電量甚至更低的系統,經常出現的位置則是家庭自動化、醫療保健以及其它用途的設備里面。
姜教授指出,盡管設備內部的這三種無線協議都配置有對空中通話時長進行協調的機制,但問題的麻煩之處在于每種的具體做法與其它模式都截然不同。
姜教授解釋說:“這就意味著,它們之間無法使用相同語言來進行交流并達到相互理解”。
對此,他還進行了詳細說明。它們都使用了載波偵聽多路訪問(CSMA)技術,如果發現無線電信道正處于使用狀態,就會命令設備暫停傳輸工作,但這依然無法達到避免所有干擾的程度。
實際上,該問題的關鍵之處就在于無線局域網與藍牙以及ZigBee之間的步調并不一致。此類問題之所以時不時發生,就是因為一種網絡的啟動速度會比其它的更快。舉例來說,即便附近的ZigBee設備準備開始發送數據,使用了CSMA的無線局域網設備也可能不會意識到有與其它傳輸過程發生碰撞的危險。按照姜教授的說明,造成這種沖突出現的根本原因就是,相比無線局域網脫離空閑模式進行數據傳輸的時間,ZigBee的啟動速度慢了16倍。
姜教授指出,如果讓ZigBee采取提高自身性能達到可以跟上旁邊無線局域網速度的做法,就會背離了其利用極低功耗來傳輸與接受少量數據以確保電池使用時間足夠長的原始本意。
至于無線局域網設備,目前甚至連內部溝通都無法有效實現。為了確保無線局域網可以獲得更快的速度,一代接一代的新標準都在將使用的頻譜塊范圍持續擴大。姜教授表示,這種做法所導致的隱患就是,如果一臺802.11b設備試圖告訴無線局域網內的其它部分自己需要發送數據包的話,由于使用的信道寬度僅僅只有10MHz,就會導致使用40MHz信道的802.11n設備可能壓根無法收到該信號。換句話說,這臺802.11b設備變成了網絡中的“隱藏終端”。最終的結果必然就會是,來自兩臺設備的數據包之間出現沖突。
為了將所有這些不同類別設備使用的頻段都區別開來,姜教授與張就開發出了一種全新的通信模式。GapSense采用的是一系列由間隔進行分割的能量脈沖,可以依靠脈沖之間的長度變化來對不同類型消息進行區分。現在,只有在確認信道已經空閑出來能夠確保工作完成,設備才會開始進行數據傳輸。并且,該信號不僅可以在傳輸開始之前發出,也能夠夾在數據包之間遞出。
看起來,GapSense可以明顯改善無線局域網、藍牙以及ZigBee的使用效果。由于不同網絡之間出現沖突,就可能導致網絡速度下降,甚至造成連接中斷或者通話掉線。為了確認出GapSense能夠給無線網絡帶來的變化,姜教授與張建立了一個擁有適度無線流量的模擬辦公環境來進行測試。結果發現,最初ZigBee與無線局域網之間的沖突率為45%,而在使用了GapSense之后,這一數字迅速下降到8%。按照剛發布新聞稿里的說法,針對“隱藏終端”問題的測試顯示,在使用GapSense之后,原先高達40%的沖突率直接下降到幾乎為零的程度。
此外,GapSense還存在有這樣一項潛在用途。它就是,讓無線局域網設備在待機狀態下的耗電量降到更低程度。目前,在無線局域網設備采用的工作模式中,空閑接收器一聆聽到接入點發出的信息就需要做好接受流量的準備。姜教授表示,在使用了GapSense之后,無線接入點就可以發送一系列重復脈沖與間隔,而接收器即便在極低時鐘頻率下運行時也能夠進行識別。換句話說,接收器不需要完全脫離空閑模式,就可以對接入點試圖將數據發送過來的重復信息進行確認。姜教授聲稱,該功能至少可以讓無線局域網設備現有耗電量降低44%。
具體到GapSense的安裝工作,就需要涉及到包括設備以及無線接入點在內所有硬件的固件以及驅動程序更新。按照姜教授的估計,由于絕大多數制造商都不會選擇對已經投入實際使用的設備進行這種處理,因此,該技術的實際應用可能就需要等到硬件設備進行更新換代的時間了。
目前,該技術的專利申請工作正處于進行當中。而按照姜教授的觀點,這項技術最理想的普及方式就是變成為正式標準。當然,即便這一點無法做到,如果能夠有兩家或以上的主流廠商愿意獲得授權,它也能夠變成一項被公眾廣泛接受的技術。


















