在子网络之间具有划分优先的传输的网络、用于控制这样一个网络的方法和控制器的制作方法

专利名称：在子网络之间具有划分优先的传输的网络、用于控制这样一个网络的方法和控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有多个子网络的网络，该子网络可通过各个桥终端进行互连且每个子网络包括用于控制一个子网络的控制器。这样的网络是自组织的，以及可以包含例如几个子网络。它们也被称为特定网络(adhoc network)。
具有几个终端的特定网络从以下文件可知“J.Habetha，A.Hettich，J.Peetz，Y.DuCentral Controller Handover Procedure forETSI-BRAN HIPERLAN/2 Ad Hoc Networks and Clustering with Qualityof Service Gurantees(用于ETSI-BRAN HIPERLAN/2特定网络的中央控制器切换程序过程和具有业务质量保证的集群)，1stIEEE AnnualWorkshop on Mobile Ad Hoc Networking & Computing，Aug.11，2000”和“J.Habetha，M.NadlerConcept of a Centralised Multihop Ad HocNetwork(集中的多跳的特定网络的概念)，European Wireless，Dresden，Sep.，2000”。至少一个终端被提供作为用于控制该特定网络的控制器。在某些条件下，可能需要不同的终端成为控制器。一旦这样的网络达到一定的尺寸，把它再划分成子网络是必要的。被构建为桥终端的终端用来与子网络进行通信。这些桥终端交替地与子网络同步。由于所连接网络的不同MAC帧结构，等待时间上升，直到一个桥终端可以与新同步的网络交换数据。
本发明的一个目的是使得在子网络之间的数据交换最佳化。
按照本发明，这个目的是通过具有多个子网络的网络达到的，每个子网络包括用于控制子网络的控制器，以及子网络可通过各个桥终端进行互连，其中较高的优先级被给予在子网络之间的链路，而不是子网络内的链路。
而且，按照本发明，这个目的是通过具有多个子网络的网络达到的，每个子网络包括用于控制子网络的控制器，以及子网络可通过各个桥终端进行互连，其中固定传输容量被指配给在子网络之间的链路。
按照本发明的这两个可选解决方案是基于这样一个共识，即单独地处理在子网络之间的数据传输或相对于子网络内的数据连接更优先地处理它们。这是有利的，因为桥终端(即在子网络之间的数据传输装置)会由于子网络之间的频率改变而在传输容量和传输延时方面构成瓶颈。
在权利要求1的第一可选解决方案中，用于发送的、所谓的多跳连接的传输容量分配由各个子网络的控制器动态地执行。这样的多跳连接比起纯内部的子网络连接，被给予更高的优先级。
在权利要求4的第二可选解决方案中，该设备配备有用于多跳连接的固定容量的信道。这具有优点就是通过固定的容量保留而回避了资源请求和资源分配的机制。这节省时间。
下面参照附图，更详细地描述本发明的实施例，其中

图1显示具有三个子网络的特定网络，每个子网络包括被设计用于无线电传输的终端，图2显示图1的本地网的终端，图3显示图2的终端的无线电装置，图4显示被设计用于链接两个子网络的桥终端的实施例，图5显示两个子网络的MAC帧，和桥终端的MAC帧的结构，图6显示多跳连接的最大输出，它取决于在两个子网络中存在桥终端的时间周期，图7显示多跳连接的延时，它取决于在两个子网络中存在桥终端的时间周期，以及图8显示具有三个子网络和该子网络之间的三个连接的网络。
下面描述的实施例涉及到特定网络，与传统的网络不同，它们是自组织的。在这样的特定网络中的每个终端可以获得到固定网络的接入，以及它是立即可使用的。特定网络具有这样的特征参加者的结构和数目不能被规定在给定的极限值内。例如，参加者的通信设备可以取自网络，或可被包括在其中。特定网络不取决于固定地安装的基础结构，这与传统的移动电话网络不同。
特定网络的覆盖区域通常比一个终端的传输范围大得多。因此在两个终端之间的通信有必要激活另外的终端，这样后者可在该两个通信的终端之间传递消息或数据。这样的特定网络，也就是其中消息和数据的传递必须通过一个终端的特定网络被称为多跳特定网络。一个特定网络的可能的组织在于子网络或集群被经常性地形成。该特定网络的一个子网络可以由例如借助于无线电链路进行互连且属于围桌而坐的参加者的终端而被形成。这样的终端可以是例如用于文件、图象等等的无线交换的通信设备。
两种类型的特定网络可被区别开。它们是集中的和非集中的特定网络。在非集中特定网络中，在终端之间的通信被分开，即，每个终端可以在这样的条件下直接与任何其他终端通信该终端处在各个其他终端的传输范围内。非集中的特定网络的优点是它对抗差错的简单性和鲁棒性。在集中的特定网络中，诸如终端到该无线电传输媒介的多址接入的功能(媒介接入控制＝MAC)的某些功能由用于每个子网络的某个终端进行控制。这个终端被称为中央终端或中央控制器(CC)。这些功能并不总是需要由同一个终端实行，而是它们可以从用作为中央控制器的一个终端被移交到接着将用作为中央控制器的另一个终端。集中特定网络的优点是，在其中有可能以简单的方式达到业务质量(QoS)的一致性。集中特定网络的一个例子是按照HIPERLAN/2家庭环境扩展(HEE)被组织的网络(参阅J.Habetha，A.Hettich，J.Peetz，Y.DuCentralController Handover Procedure for ETSI-BRAN HIPERLAN/2 Ad HocNetworks and Clustering with Quality of Service Gurantees(用于ETS I-BRAN HIPERLAN/2特定网络的中央控制器切换程序过程和具有业务质量保证的集群)，1stIEEE Annual Workshop on Mobile Ad HocNetworking & Computing，Aug.11，2000)。
图1显示具有三个子网络1到3的特定网络的实施例，每个子网络包括几个终端4到16。终端4到9形成子网络1的一部分，终端4和10到12形成子网络2的一部分，以及终端5和13到16形成子网络3的一部分。属于一个子网络的终端，通过在相应子网络中的无线电链路交换数据。图1上画出的椭圆指示了各个子网络(1到3)的无线电范围，其中在属于该子网络的终端之间有可能进行基本上不成问题的无线电传输。
终端4和5被称为桥终端，因为它们分别使得在两个子网络1和2之间与在1和3之间的数据交换成为可能。桥终端4负责在子网络1和2之间的数据业务，以及桥终端5负责在子网络1和3之间的数据业务。
图1的本地网的终端4到16可以是移动或固定的通信设备，它包括例如至少一个站17、连接控制装置18和带有天线20的无线电装置，如图2所示。站17可以是例如膝上型电脑、电话等等。
终端6到16的无线电装置19不单包括天线20，也包括高频电路21，调制解调器22和协议装置23，如图3所示。协议装置23根据连接控制装置18接收的数据流形成分组单元。一个分组单元包含部分数据流和由协议装置23形成的附加控制信息。协议装置使用用于LLC层(LLC＝逻辑链路控制)和用于MAC层(MAC＝媒介接入控制)的协议。MAC层控制终端到无线电传输媒介的多址接入，以及LLC层实行数据流和差错检查。
如上所述，某个终端负责控制和管理功能，以及它被称为集中特定网络的子网络1到3中的中央控制器。此外，该控制器在该相关的子网络中用作为通常的终端。控制器例如负责开始在该子网络中运行的终端的登记，负责在无线电传输媒介中建立在至少两个终端之间的链路，负责资源管理，以及负责在无线电传输媒介中的接入控制。因此，例如在登记后和在作出传输请求以后，子网络的一个终端由控制器分配给用于数据(分组单元)的传输容量。
数据可以通过TDMA，FDMA，或CDMA方法(TDMA＝时分多址，FDMA＝频分多址，CDMA＝码分多址)在特定网络中的终端之间进行交换。这些方法也可以被组合。本地网的每个子网络1到3被分配以多个给定的信道，它们被称为信道组。一个信道由一个频率范围，一个时间范围，以及例如在CDMA方法中以一个扩频码来规定。例如，具有载频f1的一定的、常常是唯一的频率范围可被提供给每个子网络1到3，用于数据交换。在这样的频率范围中，数据可以例如通过TDMA方法被发送。载频f1然后可被分配给子网络1，载频f2分配给子网络2，以及载频f3分配给子网络3。桥终端4一方面能够用载频f1与子网络1的其它终端进行数据交换，另一方面，能够用载频f2与子网络2的其它终端进行数据交换。第二桥终端5存在于本地网中，它在子网络1和3之间传输数据，用载频f1和f3运行。
如上所述，中央控制器具有例如接入控制的功能。这意味着，中央控制器负责形成MAC层的帧(MAC帧)。这里使用了TDMA方法。这样的MAC帧包括几个信道，用于控制信息和有效荷载数据。
图4上显示桥终端的一个实施例的方框图。这个桥终端的无线电交换装置包括协议装置24，调制解调器25和带有天线27的高频电路26。无线电交换装置28被连接到协议装置24，以及还被连接到连接控制装置29和中间贮存装置30。在本实施例中的中间贮存装置30包括存储器单元，用来进行数据的中间贮存，以及它被实现为FIFO部件(先进先出)，即，数据以它们被写入中间贮存装置30的顺序从该装置读出。图4所示的终端也能够作为通常的终端运行。被连接到连接控制装置29的站(图4上未示出)在这种情形下，通过连接控制装置29提供数据到无线电交换装置28。
图4的桥终端交替地与第一和第二子网络同步。同步被理解为是指在子网络中并入终端直到数据交换的整个处理过程。当桥终端与第一子网络同步时，它可以与所有的终端和这个第一子网络的控制器交换数据。当数据由连接控制装置29被提供到无线电交换装置28，其目的地是第一子网络的终端或控制器，或是通过该第一子网络可达到的另一个子网络的终端或控制器时，该无线电交换装置将直接传递这些数据到协议装置24。数据被放置在协议装置24的中间贮存器中，直至已经达到由控制器确定的、用于传输的时间周期为止。当由连接控制装置29给出的数据要被发送到终端或第二子网络的控制器，或发送到通过第二子网络可接入的某个其他子网络时，无线电传输要被延时到其中桥终端与第二子网络同步的时间周期。无线电交换装置因此把其目的地位于第二子网络中或其目的地是通过第二子网络可接入的这些数据引导到该中间贮存装置30，该中间贮存装置存储数据，直至桥终端与第二子网络同步为止。
当桥终端从一个终端或从第一子网络的控制器接收数据，以及其目的地是第二子网络的一个终端或控制器，或是通过第二子网络可接入的一个不同子网络的终端或控制器时，这些数据也可放入中间贮存装置30中，直至达到与第二子网络同步为止。其目的地是桥终端的站的数据被直接通过无线电交换装置28传送到连接控制装置29，后者然后把接收的数据传送到期望的站。其目的地既不是桥终端的站也不是第二子网络的终端或控制器的数据被发送到例如另一个桥终端。
在桥终端从第一子网络同步切换到第二子网络后，中间贮存装置30中存在的数据再次以写入顺序被从中间贮存装置30中读出。然后，目的地是第二子网络的终端或控制器，或是是通过第二子网络可接入的某个其他子网络的所有数据，由无线电接入装置28在桥终端与第二子网络同步的时间周期内立即传送到协议装置24，以及只有其目的地是第一子网络的终端或控制器，或是通过第一子网络可接入的某个其他子网络的那些数据被存储在中间贮存装置30。
两个子网络SN1和SN2的MAC帧通常是不同步的。因此，桥终端BT不仅仅在切换时间Ts期间，而且在等待时间Tw期间都不连接到子网络SN1或SN2。这可在图5上看到，图上显示两个子网络SN1和SN2的MAC帧序列，和桥终端BT的MAC帧的结构。切换时间Ts是桥终端与子网络同步所必须的时间。等待时间Tw是在与子网络的同步结束与这个子网络的新MAC帧的开始之间的时间。
假设桥终端BT每次只在一个MAC帧的持续时间内被连接到子网络SN1或SN2，那么桥终端BT将只有子网络的可提供信道容量的1/4的信道容量。在另一个极端情形下，其中桥终端BT在相对较长的时间间隔内被连接到子网络，则该信道容量是子网络的可提供的信道容量的一半。
因此，桥终端总是构成在可被发送的数据量和出现的传输延时方面的瓶颈。
按照本发明，为了最佳利用桥终端的传输容量，采取一系列的优化措施，正如在下面说明的。
首先，讨论这样一种情形，其中桥终端把按照HIPBRLAN/2系统标准的机制用于资源请求(RR)和由各个集群的控制器为要被传送的数据进行的随后的资源分配或资源授予(RG)。这个机制涉及到终端在所谓的短时隙内把它对用于数据传输的长时隙的需要通知给它的控制器。控制器收集来自所有终端的请求，并且随后按照内部调度机制在终端的各个链路上分布MAC帧的可提供的容量。一个帧的容量分配结果在每个MAC帧开始时的广播时间间隔内传送到该终端。这个广播阶段的各个信息单元被称为资源授予。
用于分发容量给终端的多种调度机制从文献中可知。一种非常简单的机制是例如所谓的“Round Robin(循环)”调度，它被以两个变体来使用。在所谓的“非穷举循环”调度中，时隙首先按照已作出请求的所有终端或链路的次序被分配给它们。如果帧的容量还没有用完，则另外的时隙被分配给请求一个以上时隙的所有链路等等。在所谓的“穷举循环”程序过程中，各个链路被按照它们的次序给予它们所请求的所有时隙，只要帧的容量还没有用完。这两个机制和大多数其他已知的算法的共同之处在于，它们可以与链路的优先级划分相组合。规定了几个优先级类别(或简称为优先级)，各个业务按照这些优先级进行分级。随后，在调度时考虑链路的优先级。例如，在循环法中可以考虑优先级的是，首先，具有最高优先级的所有链路被完全地服务，然后是具有次最高优先级的所有链路，等等。因为数据吞吐量在所讨论的网络中构成瓶颈，正如在上文中注意到的，所以按照本发明，通过桥终端传送的业务量，比起纯内部的子网络业务量，由控制器给予更优先的处理。然而，这并不意味着，对于各个链路业务特定的优先级指配不再可能。事实上，如果每个单个的链路涉及到多跳链路的话，它会被给予较高的优先级。在连接建立时定下该链路的优先级。
传送数据的另一部分特征由在每个子网络中存在桥终端的持续时间形成。图6显示用于HIPERLAN/2系统的多跳连接的最大吞吐量，它取决于在两个连接的子网络的每个中存在桥终端的持续时间(以MAC帧的倍数度量)。显然，随着参与持续时间的提高，吞吐量从45Mbits/s的最大有用负载数据速率的四分之一，即从约11Mbits/s，增加到该最大吞吐量的几乎一半，即约22Mbits/s。然而，同时，通过连接的平均分组延时提高，如图7所示。因此。应当在最大吞吐量与最小延时之间找出折衷。
有利地，在相关的子网络中桥终端的存在或参与的持续时间服从于所传送连接的性质。如果执行对于延时有高要求的业务，则选择相对较短的存在持续时间(约2到10帧的范围)。如果仅仅只有吞吐量是主要关心的问题，例如在数据库传送中通常会是这样，则定下较长的持续时间(约8到30帧的范围)。
优选地，在通过连接的目标子网络中存在或参与的持续时间应当至少是2个帧。这是因为在借助于RR和RG进行容量分配的方式中，第一帧必须被使用来在目标子网络中发送资源请求(RR)，以及在接收RG后，只有第二帧可被使用于实际的数据传输。
这也是为什么非对称的存在持续时间在单向链路具有高业务量负荷的情形中有用的原因。实验证明，对于非常短的时间间隔(多到3帧)尤其如此。在这样的、单向链路具有高负荷和存在时间间隔非常短的情形下，桥终端在目标子网络中比在源子网络中有利地保持更长一帧。
固定的容量分配被用作为多跳链路划分优先级的另外的形式。HIPERLAN/2标准提供两种固定容量分配的机制，它们被称为“固定容量约定”(FCA)和“固定时隙分配”(FSA)。在这两个方法中，对于给定的连接，由控制器在每第n个帧中保留相同数目的长时隙用于数据传输。这些时隙的数目是在建立FCA或FSA连接时在终端与控制器之间约定的。在FSA与FCA之间的差别实际上在于，与FCA相比，在FSA中保留的时隙被分配到每个帧中的相同位置，这样RG可以完全不存在。
当每次建立多跳连接时，桥终端在两个子网络的每个子网络中创建FCA(或FSA)链路。然后，在桥终端与各个控制器之间约定容量分配，这样，按照桥终端参与各个集群的时间间隔而周期地保留容量。替换地，FCA或FSA机制可以由控制器被修正或解释，以使得每帧的约定的固定容量只在存在桥终端时被保留。桥终端的存在或参加的时间对于控制器是事先已知的。如此在不存在桥终端的阶段期间便不会不必要地保持容量而不被使用。同时，固定的时隙分配避免由于RR和等待RG的结果而在调度中引起的附加的延时。这个时间增益在多跳传输中是特别有用的，该多跳传输因为频率切换本身已被延时很多。由于延时的最小化只对于时间关键的那些业务重要，所以固定的容量分配只应当使用于时间特别重要的那些业务。
有利地，在同一部分路径上传输、有一种优先级类别的所有时间关键的多跳连接在这个部分路径上被合在一起，成为在安全层级别上的一个连接。图8说明了在包括几个子网络和多个终端的网络中的这种内部关系。在图上，终端T1和T10，终端T2和T11，终端T3和T9，每个都具有端到端连接，它们分别用虚线、点划线、和实线表示。显然，所有三个画出的活动连接发生在T4和T5，T5和T6，T6和T7，T7和T8之间的四个部分路径上。如果例如在T1和T10之间的端到端连接和在T2和T11之间的连接属于同一个业务或优先级类别，以及在T3和T9之间的连接属于不同的类别，则按照本发明，两个连接T1-T10和T2-T11将被合在一起，成为在安全层级别上通过这四条所述的部分路径的一个DLC连接(数据链路控制，DLC)。所以，结果是在四条部分路径上的、有不同的业务类别或优先级的不多于两个DLC连接。
假设两个DLC连接的业务类别是时间上关键的，则在上述的四条局部路径的每条局部路径上需要固定的容量用于这两个DLC连接。把同一个优先级类别的所有连接合在一起，以及对于各个优先级类别的固定容量连接的要求是在网络层上实施的。DLC连接所需要的固定容量的尺度确定是在网络层按照所有端到端连接(它们被映象到这个DLC连接上)的平均数据率的总和以及按照在容量瓶颈情形下DLC连接的优先级而作出的。后者意味着，例如在给定网络上的全部负荷和在某个DLC连接的所需容量中的增加后，这个连接的固定容量可以通过决定较低优先级连接的适当信令程序过程而被增加。
在有固定容量的一个DLC连接上把几个端到端连接合在一起便得到了所谓的复接增益，它在于固定保留容量的更有效的利用。在各个局部路径上把时间不是关键的且具有较低优先级的连接合在一起，意味着一种在于使信令花费减小的收益。
权利要求
1.一种具有多个子网络的网络，每个子网络包括用于控制子网络的控制器以及可通过各个桥终端进行互连，其中较高的优先级被给予子网络之间的链路，而不是子网络内的链路。
2.如在权利要求1中要求的网络，其特征在于，取决于在各个链路上要被发送的数据的性质，该链路每个都被分配以基本优先级，以及如果链路是在两个子网络之间的，则该链路的优先级增加。
3.如在权利要求1中要求的网络，其特征在于，每次在桥终端开始加入子网络时，被连接到桥终端的、具有相同或类似的基本优先级的、从这个子网络到某个其它子网络的链路被合在一起，以及在加入该子网络的持续时间内将一个固定的公共传输容量分配给该合在一起的链路。
4.一种具有多个子网络的网络，每个子网络包括用于控制子网络的控制器以及可通过各个桥终端进行互连，其中固定的传输容量被指配给子网络之间的链路。
5.如在权利要求4中要求的网络，其特征在于，固定容量约定(FCA)或固定时隙分配(FSA)的机制被提供用于该固定传输容量的分配。
6.如在权利要求4中要求的网络，其特征在于，取决于在各个链路上要被发送的数据的性质，基本优先级被指配给该链路，且具有相同或类似的基本优先级的链路被合在一起，以及固定的公共传输容量被分配给该合在一起的链路。
7.如在权利要求1或4中要求的网络，其特征在于，该网络是遵从HIPERLAN/2标准的网络。
8.如在权利要求1或4中要求的网络，其特征在于，桥终端根据要被发送的数据的性质来选择它加入参与一连接的子网络的持续时间。
9.如在权利要求1或4中要求的网络，其特征在于，桥终端在至少两个MAC(媒介接入控制)帧期间总是保持在目标子网络中。
10.控制具有多个子网络的网络的方法，该子网络可通过各个桥终端进行互连，其中较高的优先级被给予在子网络之间的链路，而不是子网络内的链路，或者其中固定的传输容量被指配给在子网络之间的链路。
11.控制子网络的控制器，该子网络可通过各个桥终端与至少另一个子网络进行互连，其中由控制器进行把较高的优先级给予在子网络之间的链路，而不是子网络内的链路，或者把固定的传输容量指配给在子网络之间的链路。
全文摘要
本发明涉及具有几个子网络(1，2，3)的网络，每个子网络包括用于控制该子网络的控制器，以及每个子网络可通过各个桥终端(4，5)进行连接。为了使数据尽可能有效地通过桥终端，由这个终端传递的业务量通过相关的控制器被划分优先级，或者在相关的子网络中保留固定的容量用于该传送的数据。
文档编号H04L12/28GK1462526SQ02801529
公开日2003年12月17日 申请日期2002年5月6日 优先权日2001年5月7日
发明者J·哈贝塔 申请人:皇家菲利浦电子有限公司