无线ad－hoc网络中的路由的制作方法

专利名称：无线ad－hoc网络中的路由的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线ad-hoc网络，且尤为具体地，涉及在无线ad-hoc网络中使用的高效路由技术。
背景技术：
无线ad-hoc网络，有时也称为移动ad-hoc网络(MANET)，被公知包括一组通过无线链路连接的节点。ad-hoc网络的典型例子是无线传感器网络，其中节点是传感器，其用来收集环境数据并且将信息发送给计算节点，以用于进一步处理，或者发送给基站，以用于中继到有线网络。这样的网络可以配置在如下场合，例如，在危险的位置如受灾地区(如地震，火灾等)来辅助营救工作，在一些地区中用作矿产或者石油勘探，以及在战场上用作防御应用。Ad-hoc网络也可以在参加商务会议的人们中以短期网络的形式实现。
由于节点是自由地随机移动，且任意地自组织在一起，所以ad-hoc网络的拓扑结构通常是动态的。因此，拓扑可以由下述因素确定，即节点的当前地理位置，和其它环境条件，以及节点具有的无线收发器的特性。所以拓扑可以由任意的图表来表示，在所述图表中，“节点”图形表示网络中的节点，“边”图形表示节点间的链路。
Ad-hoc网络中的节点通常尝试通过中继分组来在彼此之间进行通信。然而，由于ad-hoc网络中的节点具有传输范围有限的特性，所以一个节点和另一个节点通过网络交换数据时通常需要多个网络“跳”。考虑到此种通信环境，所需解决的问题是，设计高效的路由协议来满足多种性能目标。
无线ad-hoc网络中的高效路由引起了很多挑战。一些被普遍研究的问题包括(i)如何处理网络拓扑的频繁变化，该网络拓扑变化是由于用户的移动性，和/或障碍物或者信号衰落引起的无线链路故障引起的；(ii)如何维护两个通信节点间的长的多跳路径；以及(iii)如何减少希望传输的不同用户间的干扰，所述干扰是由于缺少集中控制而引起的。
高效路由协议需求的另外一个方向是由Gupta和Kumar的研究工作引入的，其集中在无线ad-hoc网络的容量上，请参考Piyush Gupta和P.R.Kumar在IEEE Transactions on Information Theory(IEEE信息理论学报)，46(2)388-404，2000上发表的文章，“The Capacity ofWireless Networks”，该文所公开的内容在此引入以作参考。Gupta和Kumar首先指出利用任何静态ad-hoc无线网络可以达到的最大可能的传输容量的上限，然后例示了一个用于其容量接近于最佳值的随机网络的路由协议。尽管忽略了实际解决中会产生的很多问题，但是这个结论提供了关于所述问题的重要的理论见识。
Gupta和Kumar指出，在一个静态ad-hoc网络中，每个节点的平均可用吞吐量下降为节点数n的均方根。同样地，总网络容量至多增长为 他们的研究结果相当普遍地成立。特别地，它的成立和网络拓扑、功率控制方法或者任何传输调度策略无关。
考虑到可用吞吐量上的限制，很自然地产生一个问题，即每个节点的平均吞吐量是否可以增长。业界讨论的解决该问题的方案存在有两种。
第一种方案是在网络中增加只用来中继的节点。这增加了总网络容量，因此增加了每个发送节点的可用份额，请参考Gupta和Kumar的工作。但是，这种方案的主要缺点是，需要相当数量的中继节点。例如，在一个具有100个发送节点的网络中，至少需要4476个中继节点来使容量增长50％。
第二种方案是增加移动性。在一个网络中，节点可以在一个圆盘上随机移动，使得它们的稳态分布是均匀分布，Grossglauser和Tse指出，对于每个发送节点-接收节点对而言，获得常数百分比(fraction)的总可用带宽是可能的，请参考Mathias Grossglauser和David Tse在Proceedings of IEEE Infocom‘01，April 2002上发表的文章，“MobilityIncreases the Capacity of Ad-hoc Wireless Network”。该文所公开的内容在此引入，以作为参考。这个常数不依赖于发送节点-接收节点对的数目。
但是，如Grossglauser和Tse提到的，这样的方案不能对分组到达目的节点所花费的时间提供任何保证，或者对中间的中继节点需要的缓冲器的大小提供任何保证。总之，递送分组的时延可能是任意大。
因此，仍然存在对高效的路由技术的需求，该路由技术能够满足与ad-hoc网络环境等相关联的性能目标。

发明内容
本发明提供了高效的路由技术，该路由技术满足与ad-hoc网络环境等相关联的性能目标。尤为具体地，本发明提供了一种路由方法，该路由方法被证明能提供高(例如，接近于最佳值)吞吐量和保证低时延。此外，本发明优选地考虑了同时具有静止节点和移动节点的网络。移动节点可以遵循一种特定的运动模型，在这里称为移动模型。然而，本发明不局限于移动性模型。
依照本发明的一方面，在ad-hoc网络的节点中使用的一种技术，用来路由一个或者多个分组，该技术包括以下步骤/操作(i)获取与ad-hoc网络中的一个或者多个其他节点相关联的移动性信息，该移动性信息涉及到与一个或者多个其它节点相关联的、相对于一个或者多个分组的目的地的方向；并且(ii)基于所述移动性信息，将所述一个或者多个分组路由到所述一个或者多个其他节点中的一个节点，以用来把该分组中继到目的节点。所述一个或者多个分组的源和/或目的节点可以是移动节点。一个或者多个分组的源和/或目的节点可以是静止节点。此外，中继所述一个或者多个分组的节点可以是移动节点或者静止节点。此外，一个节点可以有一个传递区域，和/或与此相关的传递截止点(deadline)。
依据本发明的另一方面，用于在分布式网络中路由一个或者多个分组的一种技术，包括以下步骤/操作(i)将所述分布式网络中的至少一部分静止节点集群成组，并且在每组中确定一个领导节点；(ii)将待发送到目的节点的一个或多个分组从源节点转发到组中的领导节点；(iii)经由所述分布式网络中的一个或者多个可用的移动中继节点来转发来自所述领导节点的所述一个或者多个分组；和(iv)将所述一个或多个分组从所述一个或者多个移动中继节点中的一个转发到至少一个其它组中的至少一个其它领导节点，以用来递送到所述目的节点。
此外，最初从源节点接收所述一个或者多个分组的领导节点存储该一个或者多个分组，直到一个移动中继节点位于该领导节点的给定邻近区域。最初从源节点接收所述一个或者多个分组的领导节点还存储该一个或者多个分组，直到一个移动中继节点被确定为沿朝向所述目的节点的方向移动。可以将所述一个或者多个分组从一个移动中继节点转发到另一个移动中继节点，使得每次转发后所述一个或者多个分组离所述目的节点越来越近。节点之间的分组转发可以依照不同的频率信道来实现，从而至少使得干扰最小化。
再次，在所述分布式网络中具有m个移动节点和n个静止节点的情况下，本发明规定每个源节点可以获得平均吞吐量cWmnlog3n,]]>其中W是最大可用带宽，c是一个大于0的常数。此外，一个分组导致的最大时延最多是 其中d是网络直径而v是移动节点的速度。所述分布式网络可以是一个ad-hoc网络，而且进一步，节点可以通过无线链路通信。
本发明的这些和其它的目的，特征和优点通过下面实施例的详细描述将变得显而易见，将结合附图对其阅读。


图1是示出一个无线ad-hoc网络的方框图，在该无线ad-hoc网络中可以实现本发明的技术；
图2是示出一个可以被用来实现本发明的所有或者部分技术的计算系统或者设备的一个实施例的方框图；图3是根据本发明的一个实施例，示出分组的路由的方框图；图4是根据本发明的一个实施例，示出用来路由分组的方法的流程图；和图5是根据本发明的一个实施例，示出传递过程的示意图。
发明详述下面的描述将使用一个示范性的ad-hoc网络结构来例示本发明。但是，应该理解的是，本发明并不局限于使用任何一种特定的ad-hoc网络结构。相反，本发明可广泛地应用于任何一种希望实现高效数据路由的网络结构。
首先，参考图1，示出了其中可以实现本发明的技术的一个无线ad-hoc网络的方框图。如图所示，无线ad-hoc网络100包括多个网络节点102-1到102-Z，所述多个网络节点通过无线链路连接。节点的数目Z取决于其中它们被配置的应用，所以本发明不局限于任何特定数目。
虽然节点102-1到102-Z通常是自由随机移动且是任意自组织的，并且因此ad-hoc网络100的拓扑通常是动态的，但是，应该明白的是，根据本发明，在所述网络节点中，可以一些是移动的，一些是静止的(也就是，固定的或者不移动的)。
此外，节点102-1到102-Z通过中继分组来彼此之间进行通信。但是，如上所述，因为ad-hoc网络中这些节点具有有限的传输范围的特性，一个节点和另外一个节点通过网络100交换数据时可能需要多个网络跳(在图1中被表示为104)。
因此，如图1所示，节点102-1可以按照下述方式和节点102-Z通信，即，节点102-1经由无线链路将分组转发给节点102-3(第一跳)，随后节点102-3经由无线链路将该分组转发给节点102-4(第二跳)，随后节点102-4经由无线链路将该分组转发给节点102-Z(第三跳)。当然，取决于多种因素，经由具有更多或者更少跳数104的其它路由可以将分组从节点102-1转发给节点102-Z。还应该理解的是，出于清楚的目的，图1没有清楚地例示可以用来将分组从一个节点转发到另一个节点的所有可能的跳数排列。同样，应该明白的是，节点在其自身和其它节点之间可以有多个不同的无线链路。但是，一“跳”是指经由其一个无线链路将分组从一个节点转发到其它节点中的一个。在任何情况下，应该明白的是，本发明主要关注于网络中的路由的选择(也就是确定路由方案)。
应该明白的是，网络100中的任意一个节点可用来作为计算节点，其中，可以按照某种方式对转发到其上的分组进行进一步处理。另外，节点102-Z，或者网络中基站106的范围内的任何一个其他接收节点，可以向基站106转发信息，以用于中继到有线网络108。有线网络108可以是专用数据网络、因特网等等。应该理解的是，出于清楚的目的，图1中仅仅例示一个基站和有线网络，但是，可以存在和一个或者多个附加的有线网络通信的一个或者多个附加基站。当然，还应该理解的是，网络108能被另外的无线网络替换。
因此，当节点102-1到节点102-Z被配置在危险的或者敌意的环境下，以便收集环境中的数据时，所述节点收集的数据可以经由有线网络108被转发到远端位置，使得它能在没有危险或者非敌意(或者，至少危险或敌意更小)的环境中进行呈现和/或者分析。
参考图2，示出一个可以被用来实现本发明的所有的或者部分技术的计算系统或者设备的一个实施例的方框图。具体而言，一个或者多个节点102-1到102-Z和/或者基站106可以实现这样的计算系统200来完成本发明的技术(但是，如同下面的说明，传感器可能不是基站必须的)。当然，应该理解的是，本发明不局限于任何特定的计算系统的实现。
在这个例示性的实现中，处理器202用来实现本发明的至少一部分方法，它经由总线210或者其它可替换的连接结构，可操作地耦合到存储器204、传感器206和网络接口208。应该明白的是，此处使用的术语“处理器”趋向于包括任何一个处理设备，例如，包括中央处理单元(CPU)和/或其他处理电路(如，数字信号处理器(DSP)，微处理器，等等)的设备。另外，应该理解的是，术语“处理器”可以指多于一个的处理设备，以及与所述处理设备相关的各种元件可以和其它处理设备共享。
此处使用的术语“存储器”趋向于包括存储器和其它与处理器或者CPU相关联的计算机可读介质，例如，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，固定存储介质(如，硬盘)，可移动的存储介质(如，磁盘)，闪存，等等。
此外，此处使用的术语“传感器”趋向于包括，例如能够从其中配置计算系统200(例如，网络节点)的环境中收集数据的一个或者多个设备。传感器的例子可以是和无线通信设备相关联的接收器，其能够从其中部署它们的环境中收集数据。但是，应该理解的是，本发明不局限于任何一种特定的传感器。同样，基站通常没有传感器。
此外，此处使用的术语“网络接口”趋向于包括，例如能够允许计算系统200(例如，网络节点或者基站)和另一计算系统(例如，网络节点或者基站)通信的一个或者多个设备。因此，网络接口可以包括收发器，所述收发器被配置来经由合适的无线协议和另一计算系统(例如，网络节点或者基站)的收发器进行通信。无线传输协议的例子可以是蓝牙协议和IEEE801.11。但是，应该理解的是，本发明不局限于任何一个特定的通信协议。
应该明白的是，虽然此处在网络通信系统的环境中描述了本发明，但是本发明的方法可以按照计算机可读介质形式分发，并且无论实际用来分发的信号承载介质的具体类型如何，本发明都可以被实现，并且实现它的优点。此处使用的术语“计算机可读介质”趋向于包括可记录类型的介质，例如软盘，硬盘，RAM，压缩光盘(CD)ROM等；和传输类型的介质，如数字和模拟通信链路，使用传输形式的有线和无线通信链路，例如射频和光传输等。计算机可读介质可以采用编码格式的形式，所述编码格式可以在特定的数据处理系统中来进行解码。
因此，一个或者多个计算机程序，或者其软件部分，包括用来执行如此处所述的本发明方法的指令或者代码，它们被存储在一个或者多个相关的存储介质(例如，ROM，固定的或者可移动的存储设备)中，并且，当预备好使用时，其被整个或者部分地装入(例如，到RAM中)并且由处理器202执行。
在任何情况中，应该明白的是，此处描述的和附图中示出的本发明的技术，可以以各种形式的硬件，软件，或者它们的组合来实现，例如，一个或者多个具有相关存储器的可被编程的通用数字计算机，特定用途集成电路，功能电路等。基于此处提供的本发明的技术，本领域的普通技术人员将能够想到本发明技术的其它实现。
为了方便参考，发明详述的剩下部分被分成以下部分(1)引言；(2)模型和结果；(3)路由方法；(4)模型的概括；和(5)结果的暗示。
1.引言本发明解决了一个问题，即是否可以按照一种方式来使用移动性，使得不仅能够用于获得接近最佳值的吞吐量，而且能够用于同时提供低时延保证。此外，本发明考虑了既有静止节点又有动态节点的网络。移动节点可以遵循一种特定的运动模型，称为移动性模型(参考下面的部分2)。此外，本发明提供了路由方法。这种创造性的路由方法被证明提供了高吞吐量和低时延。
应该明白的是，虽然在说明本发明的原理时对网络条件和情形做了各种简化假设，但是本发明不局限于这些假设。例如，在获得吞吐量的下限时经常做出的一个假设是，所有的节点随机均匀分布在网络中。同样地，发送节点-接收节点对也是随机选取地。实际上，假如所有的节点都想向一个接收节点发送分组，那么没有节点的接收能够多于带宽的1/nth，其中n是节点的数目。同样，假如大部分节点集中在一个小区域中，那么由于过多的干扰，所以一次它们中只有一个可以通信。
2.模型和结果在本部分中，根据本发明，定义了模型并且陈述了模型的假设。
2.1.网络模型为了举例说明而考虑的ad-hoc网络包括n个静止节点和m个移动节点，它们都位于在单位圆盘区域(其半径为 中。静止节点的位置是固定的。静止节点在单位圆盘上均匀地随机分布。移动节点在t＝0时刻随机分布在圆盘上。在以后的时间，它们的位置和速度由下面描述的移动性模型给出。在不失普遍性的情况下，假设m位于 和n之间。
2.2.移动性模型许多移动性模型已经被业界用来评估节点的移动性对各种方法和协议性能的影响。其中最为广泛使用的是“random waypoint model(随机轨迹点模型)”，该模型在D.B.Johnson等在Mobile Computing，volume 353，Kluwer Academic Publishers，1996上的文章“DynamicSource Routing in Ad-hoc Wireless Network(Ad-hoc无线网络中的动态信源路由)”中进行了描述，该文公开的内容在此引入，作为参考。
随机轨迹点模型在这个模型中，节点选择在单位圆盘上随机均匀分布的一个目的节点，并且以速度v沿朝向目的节点方向移动。速度是从某一间隔(0，vmax)中均匀地选取的。在到达所述目的节点时，节点会停顿根据某个随机变量分布的一段时间，这个过程自行重复。
其它模型包括随机Gauss-Markov模型和流体流动模型，其中Gauss-Markov模型在Proceedings of IEEE Infocom ’99，1999上B.Liang等的文章“Predictive Distance-based Mobility Management for PCSNetworks，”中进行了描述，该文章公开的内容在此引入以作参考；流体流动模型在IEEE ICUPC，卷2，页803-807，1993上H.Xie等的文章“Mobility Models and Biased Sampling Problem”中进行了描述，该文章公开的内容在此引入以作参考。
本公开介绍了一种均匀移动性模型。这个移动性模型被用来呈现最优声明，但是，应该特别注意的是，本发明并不局限于这个移动性模型。也就是说，在没有这个模型的情况下，本发明的技术也适用。这个模型的优点在于易于分析处理。该模型的描述如下。
均匀移动性模型在这个模型中，m个移动节点中的每一个都以速度v在单位圆盘内运动。在t＝0时刻，这些节点的位置是均匀随机分布在这个圆盘中。而且，t＝0时刻，m个节点的运动方向是相互独立的，并且等同分布，均匀分布在(0，2π)之间。
在后续的时间里，节点的行为如下。节点在(0，2π)中均匀地随机选择一个方向，并且以速度v沿该方向移动距离d，其中d是一个指数分布的随机变量，其均值为k。当节点到达距离d后，重复上述过程理。假如节点碰到圆盘的边缘，它会在边缘上被反射回。
有利地，如上所述的均匀移动性模型具有以下可证明的特性1.给定一个时间t，移动节点的位置在t时刻的分布是相互独立的。
2.移动节点在圆盘上的稳态分布是均匀的。
3.取决于移动节点在圆盘上的位置，节点的方向被均匀分布在(0，2π)上。
2.3传输模型在时刻t，设定S1，S2，…，Sm为发送节点，其位置分别是X1，X2，…，Xm，R是接收节点，其位置是X0。假如Si使用功率Pi(t)来传输，R处接收的信号的强度是Pi(t)||Xi-X0||a,]]>其中a＞2。如果Pi(t)||Xi-X0||-aN+Σk≠iPk(t)||Xk-χ0||-a≥β]]>则从Si到R的传输成功。
常数β是传输信道的信噪比(SNR)。最大的可用带宽被表示为W。
2.4性能度量假设存在n个发送节点-目的节点对。具体而言，每个静止节点i将作为源节点(也称为发送节点)，用于向某个的其他静止目的节点d(i)(也称为接收节点)传输。每个源节点均匀地随机选取它的目的节点。
调度策略γ用来选择哪个发送节点在t时刻发送数据，以及节点i的功率电平Pi(t)。给定一个调度和中继策略γ，可以论证假如每个源节点能以速率λ(n)发送数据，那么策略γ将获得吞吐量λ(n)。
2.5预备知识直观地，假如节点S向距离d处的某个节点传输消息，那么由于无线传输的特性，这导致对距离S的距离为d范围内的所有节点产生干扰。因此，假如平均传输距离大约是d，那么至多只有n/d2个用户可以同时传输数据。
这构成了Gupta和Kumar的研究结果(如上面引用的)的基础。因为源节点到目的节点间的路径长度平均为 这意味着总吞吐量至多是(n/d2)/(n/d)=n/d.]]>所以，它有助于短程传输(例如，d＝1)，并且因此总容量增长最多是 获得每节点的Ω(1)平均吞吐量有着非常迫切的需求，并且意味着一系列情形。第一，这意味着每个节点必须在一个常数百分比的时间段内将分组发送到它的目的节点。第二，从源节点行进到目的节点的每个分组涉及最多为一常数数目的中继节点。Gupta和Kumar(如上面引用的)的想法是，每个节点在所有时间都向它的邻近节点转交分组。当移动节点靠近所述目的节点时，它将该分组转交给所述目的节点。应该注意的是，这不能对分组到达所述目的节点的时间需要多长提供保证。
依据本发明，如同将要进行说明的，能够确保受限的时延和好的吞吐量。为了实现这点，需要保证一些条件。第一，为了保证好的时延，假设所述目的节点的位置是固定的。事实上，假如所述目的节点是移动节点时，除非作某些假设(将在下面描述)，否则保证时延是不可能的。因此，假设所述源节点和所述目的节点是静止节点，它们使用移动节点作为中继节点，以便获得大于 的吞吐量。
第二，为了获得常数的每个发送节点的吞吐量，发送节点需要能在大多数所述时间内都传输数据。注意到，假如移动节点的数目是 那么在任何时间，最多 个静止节点能和移动节点通信，从而吞吐量只有 同样，由于总吞吐量受限于静止节点的数目(n)，所以多于n个移动节点没有帮助。在整个说明中，假设移动节点的数目m是 和n之间的一个数。
第三，每个分组的中继节点数目不应该太大。为了实现这一点，采用节点的移动性模式。
最后，为了确保低时延，必须保证分组不会偏离路径。应该注意的是，在任何时间，中继节点将具有一些与不同目的节点对应的多个分组。假如途中它碰到另外一个中继节点，那么它必须向该中继节点转交其中一些分组。但是，由于它们作为最近的邻居(所以它们在通信范围内)的持续时间很短，所以它不能转交所有这些分组。因此，需要一个过程来决定哪些分组需要被传递出去。需要注意的是，假如不考虑时延的话，这就不构成问题。本发明提供了各种方法来处理和分析时延。
最后，另外一个可能的模型是，其中移动节点被专用为中继节点，并且它们的路径和运动是由静止节点的需求指定的。但是，这给出了问题的不同认识，在这个例子中，它可以被模型化为一个网络流体问题。在本发明的均匀移动性模型中，移动节点可以对应于在汽车、飞机等里面行走的用户，他们有自己的运动模式。这些用户拥有移动设备，也可能使用其它静态设备。但是，很清楚，不能指望无线设备来专用于用户的运动。
2.6模型的假设条件该模型假定以下假设成立1.静止节点的位置为其它节点所知。这是个合理的假设，因为这样的信息可以通过一些定位服务或者协议来获得(请参考，如Jinyang Li等的文章，A Sccalable Location Service for GeographicAd-hoc Routing，”ACM Mobicom 2000，所述公开在此引入作为参考)，然后被存储在节点中。
2.移动节点知道自身的移动方向，而且最多可以精确到几度。假如网络具有全球定位系统(GPS)支持，这很容易实现。即使GPS支持不可获得，移动节点也可以通过观测其碰到的最靠近自己的静止节点序列来探测自己的方向。探测附近的静止节点可以使用信号强度来实现。
3.移动节点知道在改变方向前将移动多远的距离。例如，在随机轨迹点模型中，这是正确的，而且在现实生活中，在节点知道其目的节点的情况下，这也是正确的。
4.为了说明方便，假设在移动性模型中，κ是网络直径的数量级(order)。在下面的第四部分，这个假设被取消。
2.7主要的研究结果本发明例示性地考虑了满足以下条件的移动ad-hoc网络1.存在n个静止节点以及m个移动节点，其中n个静止节点均匀分布在圆盘中，m个移动节点根据均匀移动性模型在所述单位圆盘中移动。
2.在静止节点中，根据均匀分布随机选取了n个发送节点-接收节点对。
基于这些条件，本发明可以得出，存在一个常数c＞0，使得每个发送节点能获得一个平均吞吐量 其中W是最大可用带宽。而且，由分组引起的最大时延最大为 其中d是网络直径，v是移动节点的速度。值得注意的是，利用m个移动节点能获得的最佳λ(n)是O(wm/n)。
3.路由方法本部分的下面描述对根据本发明的一个实施例的路由方法给出了说明，随后给出了具体细节和分析。更具普遍意义的模型将在下一部分进行分析。
3.1方法现在，参考图3，示出了根据本发明的一个实施例，在一个无线ad-hoc网络中(例如，如图1中所示的无线ad-hoc网络100)，将消息(例如，一个或者多个分组)从源节点S经由移动节点M1，M2，和M3路由到目的节点R的方框图。将在图4的环境中给出这个路由是怎么实现的总体描述。
现在，参考图4，示出了根据本发明用于路由分组的方法400的一个实施例的流程图。依照这个描述，需要返回去参考图3中的节点。但是，应该理解的是，所述有创造性的路由方法不局限于图3中示出的节点配置。相反，呈现图3中的节点配置是为了简化对本发明中路由方法的各个步骤的理解。当然，其它的节点配置(例如，具有更少的或者更多的节点)可以被用来实现本发明的原理。
如路由方法400中的步骤410所示，各个节点被分组成被称为群的多个小区域，并且在每个群中，由静止节点选出一个领导节点。尤为具体的，在每个大小为1/m×1/m]]>的区域中，所述静止节点选出一个本地领导节点。这个领导节点负责与移动节点交换在其区域中的静止节点的所有消息。需要注意的是，存在有m个本地领导节点。将在下面进一步描述集群。
在步骤420中，希望向目的节点R发送消息(例如，一个或者多个分组)的静止节点S1，首先将其消息转发给其领导节点(S)。S存储该消息并且等待一个移动节点(M1)，其中M1要离S足够近(将在下面具体描述)并且正沿着接近R的方向移动。当这样的一个移动节点可得到时，S将该数据转交(转发)给M1。在这里，这被称为静止节点-到-移动节点阶段，并且将在下面对此进一步进行描述。
在步骤430中，移动节点相互间中继要发给R的分组(如，图3中所示，M1到M2到M3)，使得所述分组越来越移近目的节点。在这里，这被称为移动节点-到-移动节点阶段，并且将在下面对此进一步进行描述。
在步骤440中，当承载所述分组的移动中继节点足够靠近目的节点时，该移动中继节点将所述分组传递(转发)给某个领导节点(未在图3中显示)。随后在领导节点间路由这些分组，以将其路由到正确的领导节点，该正确的领导节点接着将该分组传输给目的节点。在这里，这被称为静止节点-到-静止节点阶段，并且将在下面对此进一步进行描述。
需要注意的是，在此方法中，各个不同阶段可以同时执行，也就是说，多个节点将多个消息从多个源节点转发到多个接收节点，由此允许用于不同转发的多个阶段同时发生。在这些不同阶段中使用的信号会相互干扰。因此，这些阶段中的每一个优选使用不同的频率信道，并且由此它们相互间不会干扰。尤为具体的，可以假设每个阶段的最大分配带宽为W/4。在整个方法中，可以假设所有的节点都以单位功率传输。可以证明，每个领导节点能获得吞吐量 在每个领导节点的区域内，可以有O(n/m)个静止节点。这意味着领导静止节点能获得吞吐量Ω(Wm/nlog3n)。
3.2集群节点现在，进一步说明集群节点的步骤(例如，图4中的步骤410)。假如，m＞n/(16logn)，那么令m＝n/(16logn)。考虑一个虚拟的栅格，它包括m个节点，其中相邻节点间的距离是 它是根据标准Chemoff极限(bound)得来的，每个栅格节点在 的距离内具有一个静止节点，其概率至少是1-n-2。这些静止节点中的一个被选为领导节点，该领导节点对应于每个栅格节点周围边长为 的正方形区域。因为栅格节点是按长度 进行间隔的，所以任意两个领导节点之间的距离至少是m-12-2logn/n.]]>最后，再次应用Chemoff极限，可以注意到，每个区域包括O(n/m)个静止节点。直观的说，假如忽略非领导节点的静止节点，那么网络包括m个移动节点和m个领导节点，其中领导节点按类似栅格的结构排列(也就是说，没有两个节点相互间很接近)。
节点间的通信如下发生。在每个区域(群)中，只有领导节点负责与移动节点的通信。想要传输分组的静止节点首先将该分组发送给该静止节点所属集群的领导节点。然后在领导节点和移动节点之间路由该分组。最后，利用群内的本地路由，领导节点将该分组发送给目的节点。值得注意的是，如果领导节点的可用吞吐量是λ，那么使用任何一种直通共享方案，每个静止节点将获得吞吐量Ω(mλ/n)。
3.3静止节点-到-移动节点阶段在这个模式(例如，图4中的步骤420)中，静止节点首先将待递送的数据传递到移动节点。现在，参考图5，示出了将分组传递到移动节点的操作示意图。给定源节点S(其希望将数据传递到另外一个移动节点和目的节点R)，考虑连接S和R的连线。令θ是SR的斜率(图5中θ＝0)。令G(S，R)表示方向角[θ-π6,θ+π6]]]>之间的区域，其以S为原点，包含R。值得注意的是，选择角度 是任意的；0到 之间的角度都能满足要求。在图5中，区域G(S，R)对应于射线SA′和SB′之间的区域。
在第一步骤中，S处的节点把待传输的分组传递到某个移动节点M1，M1沿方向φ移动，其中φ∈[θ-π6,θ+π6],]]>而且M1满足以下特性，即它沿所述方向至少移动2|SR|的距离(也就是说，线段SR的两倍长)。因为κ约为网络直径，所以根据假设，存在常数百分比的移动节点满足这个特性。可以假定在所有的传输中这都成立。这个假设是用于简化说明，所以本发明并不局限于这个假设。
在这个阶段中存在两个问题1.以速率λ(n)传输分组的静止节点，能否找到沿合适方向运动的移动节点来足够频繁地以该速率传递数据。
2.在找到这样的合适的移动节点之前，节点必须等待多久。
本发明解决了这两个问题，如下所述。假如通信仅仅发生在作为发送节点的领导节点和作为接收节点的移动节点之间，那么，如果a＞2，则存在以每个领导节点为中心，边长为 的一个正方形区域，使得如果领导节点与这个区域内的移动节点通信，那么通信总可以成功。
对于静止节点S，令N(s)表示以S为中心、边长为 的正方形邻居区域。根据本发明，可以得出，静止节点S为了找到移动节点而必须等待的时间不是很长。
尤为具体的，考虑一个静止节点S。如果T表示直到移动节点首次进入区域N(s)的时间，那么Pr[T>4klogmcv1m]≤m-k]]>上面的陈述证明存在一个常数百分比的时间，在该时间内，静止节点能向移动节点传输数据。无论来自其它静止节点的传输如何，从静止节点S到区域N(s)内的一个移动节点的传输总能成功。
3.4移动节点-到-移动节点阶段现在说明和分析从一个移动节点到另外一个节点的传递是如何发生的(例如图4种的步骤430)。主要的例示办法如下。首先，对于移动节点承载的每个数据分组，存在一个点，在该点之外，所述分组不能被传递到另一移动节点，并且该移动节点开始向远离目的节点的方向移动。这导致了传递区域的概念。本发明确保每个分组被传递到其传递区域中的另一个节点。第二，对于每个移动节点，在任何时刻，在它们的传递区域中都存在多个分组。本发明提供了一种机制，用来判断哪一个分组应该首先被传递等等。这个机制还使用了随机选择，使得可以证明它能提供时延保证。在下面图5的环境中示意性地描述传递过程。
3.4.1传递几何学考虑图5，来自静止节点S的分组被传递给移动节点M1。现在，M1承载所述分组，直到M1到达处于射线R′A和RA′之间的一个区域。在这个区域中，M1试图把所述分组传递给另外一个移动节点M2，其中M2正在向R移动。这个区域被表示为传递区域。传递区域是如下定义的。线RA′垂直于线SR。线R′A平行于线A′R，并且穿过A。在图5中，传递区域由线段XX′表示。
调度为了处理不能在其传递区域中传输的分组，设定了一个截止点(deadline)。令X″表示线段XX′的中点。移动节点在线段XX′上均匀随机选择一个点。这个点被称为所述节点的截止点。需要随机选择来避免多个截止点集中在一起。在图5中，截止点由D表示。假如移动节点M1在到达截止点D之前(也就是，在X到D的区间里)不能把分组传递给另外一个节点，那么该分组就会被丢弃。
最后，值得注意的是，在任何给定时刻，都会有多个分组在其传递区域中，因此会彼此竞争来被传递给另外一个移动节点。根据最早期限优先(EDF)命令来解决各个分组之间的竞争。例如，分组P1的截止点是D1，分组P2的截止点是D2，假如它们中的任意一个可以被传递给移动节点M2，那么其截止点早的哪个分组就被先传递。
整个过程会自行重复，直到移动节点距离目的节点的距离小于 将在下面讨论合适的常数c。
应该注意的是1.注意到所述过程是完全分布式的，也就是说两个移动节点之间的通信不会给来自其它移动节点的传输施加任何限制。
2.值得注意的是，角度 的选择是任意的。事实上，在(0，π/3)的角度内移动的任何一个节点的传递是足够的，因为在每个步骤，都能缩短和目的节点之间的距离。存在一种折衷，即角度越小意味着等待时间越长，反之，角度越大意味着等待时间越短，但是可能需要更长的路径到达目的节点。
3.4.2对移动节点-到-移动节点阶段的分析如果分组被从一个移动节点Mi递送给一个移动节点Mj，使得在递送时所述分组处于传递模式中，并且它是在到达截止点之前被递送的，那么传递被认为是成功的。如下确定成功实现传递的条件设R是接收移动节点，M1，…，Mm是在圆盘中独立均匀分布的移动节点。假设M1试图和R通信。那么，在R处接收的来自M2，…，Mm的信号将干扰M1和R之间的通信。设Ij表示R处接收的来源于Mj的信号。为了确定M1和R之间成功传输的概率，总干扰I2+…+Im被限制。
因此，假设m-1个均匀分布在一个圆盘上的移动节点都以单位功率传输。设R是圆盘内的一个点。那么，如果M在离点R的距离为χ<β-1a∈πm]]>处，那么从M到R的传输的成功概率大于1-∈。尤为具体的，假如χ<β-1a(8πmlogm)-12,]]>那么传输成功的概率至少是 让r0表示距离β-1a(8πmlogm)-12.]]>假设两个移动节点M1和M2仅当相互间的距离等于或者小于r0时才通信。可以得出，假如在[t0，t0+t]内的某个时刻，M1和M2之间的距离小于 那么称M1和M2在t时间内相遇，其中t0表示当前时间。感兴趣的是，在这个相遇时间内M1能够传递到另一移动节点的数据的总量。这个总量将取决于M1遇到的移动节点的数目和每次相遇能传输的数据量。
因此，假如λmm表示为移动节点-到-移动节点数据传输分配的带宽，那么1。在每个相遇期间被成功传输的期望数据至少是λmmr02||v||(1-1/8logm).]]>2.让E表示事件，其中该事件指每个相遇至少有 个数据被成功传输，那么Pr[E]≥(1-1/4logm)。同样，在k次相遇中至少有 个数据被成功传输的概率至少是(1-1/4logm)。
现在考虑在t时间里移动节点M1具有的相遇数目。假设移动节点M1想给方向η上的目的节点传递数据。因此，M1将把分组传递给沿方向φ移动的某个其它节点Mj，其中φ∈[η-π6,η+π6].]]>给定M1，假如满足以下条件则称移动节点Mi是有用的1.Mi沿方向φ移动，其中φ∈[η-π6,η+π6].]]>2.Mi在[t0，t0+t]里的某个时间和M1相遇。
设X(η，t)＝|{i|i＞0且Mi是有用的}|也就是说，X(η，t)是随机变量，它表示有用的移动节点的数量。
现在来计算X(η，t)的期望值，并且一定要获得希望的结果。
设M0是一个移动节点，而X(η，t)如上面定义。那么，对于任意一个η∈(0，2π)则E[X(η,t)]>124mr0t||v||.]]>而且，对于任意一个常数k＞0，假如t>logmm||v||,]]>那么Pr[X(η,t)<12·124mr0t||v||]=o(1logm).]]>因此，假如X(t)表示一个移动节点M在时间t里传输的数据总量，那么假如t>logmm||v||]]>并且n足够大，则Pr[X(t)>148·β-2α8πlogmλmmt]>1-13logm]]>无论M试图传输的方向如何，这都成立。
已经示出了一个移动节点能够传递给其它节点的数据的限制，下面将说明一个移动节点能从其它节点接收的数据的限制。这里允许限制一个分组因为没能在截止点前实现传递而被放弃的概率。
设D表示源节点到目的节点的最大距离。因此，D=2/π.]]>假如一个分组距离目的节点的距离在 和 之间，称这个分组处在第k阶。因为每次传递之后，距离至少以因子 缩短，并且所述距离只能在最大 和最小 之间变化，所以遵循下述1.不同阶段的数目最多是 该值小于logm。因为每个静止节点以最大为λ(n)的速率产生数据，所以数据能以总速率nλ(n)产生。因此，假如一个分组变成第k阶分组，则有一个到达k阶的事件，并且类似的，假如分组离开第k阶进入第k+1阶或者更高阶，则有一个离开k阶的事件。利用这个特性，每个分组最多只能通过每个阶一次，所以它遵循下述2.到达每个k阶的平均到达速率最大是nλ(n)。回想到，一个目的是为了限制移动节点接收的数据。因为存在n个移动节点，所以可期望的是，每个节点以大约nλ(n)/m的速率接收k阶的分组。但是，这不是非常准确。移动节点沿一个特定的方向移动并且位于一个特定的位置的事实，将影响移动节点接收k阶分组的速率。但是，速率被限制在6nλ(n)/m以下。基于本发明传递方法的特征，这个想法是，即使位于位置 的所有分组都被沿一个特定方向θ发送，它们也会传播到沿θ-π/6到θ+π/6之间的一个方向移动的移动节点。
现在考虑一个分组，所述分组处于距离d处的传递区域的截止点中。这个分组碰到它的截止点的概率受到下述限制。
给定一个处于自己移交区域中的分组P，所述传递区域的截止点在距离d处，让H(d)表示其截止点快于P的截止点的数据的量，那么，E[H(d)]<78λ(n)lognndm||v||.]]>因此，存在一个常数c＞0，使得假如λ(n)≤cWmnlog3n,]]>则传递不成功的概率最大是 3.5静止节点-到-静止节点阶段最后，应该注意的是，经过移动节点-到-移动节点阶段之后，分组距离目的领导节点的距离最长是 在下一个阶段(例如，图4中的步骤440)，中间的静止领导节点将所述分组直接传递给目的领导节点。领导节点之间的合作如下完成。
在每个时隙，选择 百分比的静止节点，使得它们相互间的距离至少是 注意到，如果c足够小，那么这个百分比的节点能够同时将所述分组直接传输给期望的目的节点。
因为对于静止节点-到-静止节点阶段中的通信，每个领导节点可用的带宽是W/4，这将λ(n)限制为Θ(mWnlog2m).]]>函数f(n)是Θ(g(n))，假如存在常数c1，c2和N，使得c1g(n)≤f(n)≤c2g(n)，n＞N。因此，这个阶段可实现的每个领导节点的吞吐量是Ω(Wlog2m).]]>因为每个领导节点有o(n/m)个静止节点，所以这将可得到的λ(n)限制为Ω(mW/nlog2m)。
4.模型概括依照本发明，在这一部分中，提供了关于前面已定义模型的概括。
应当明白的是，移动节点可以是发送节点和/或接收节点。可以做一个关于模型的假设，即，移动节点有一个指定的静止节点，在该静止节点，它可以周期性地收集它的分组。如果情况是这样，那么就能获得时延保证。
还应该明白的是，依照本发明，移动节点和静止节点的角色可以互换。事实上，移动节点可以是源节点和目的节点，而静止节点可用于中继。相对于这些移动节点(例如，正在飞行的一架飞机用作一个节点)，静止节点可以看成是“移动节点”。也就是说，从一个移动节点的角度看，一个静止节点可视为正在到处移动。因此，通过使用相对于最终目的节点(例如可以是作为节点的正在飞行的另外一架飞机)的其它静止节点的“移动性”信息，一个静止节点可以相应地做出转发决定(如上所述)。
此外，如果κ的值(在改变方向之前移动节点移动的距离)远小于网络的直径(d)，那么可以做下面两件事1.或者修改路由方法，使得不是使用移动节点从静止源节点S向静止接收节点R发送分组，而是选择中间节点S1，…，Sd/κ，使得分组首先被从S路由到S1，随后从S1路由到S2，等等。值得注意的是，网络的容量变得直接与κ成比例。因此，κ越小，网络的容量越小。
2.或者，可以做下面的事情如果它在那个方向上移动的距离或者超过κ或者大于两倍于距离目的节点的距离(如前面第3部分)，那么将分组转交给一个移动节点。在第一种情况下，在κ/2和3κ/4之间随机设置截止点。应该注意的是，节点按照这种方式至少移动κ/2的距离，并且可以找到一个满足该特性的常数比例(＞1/e)的移动节点。因此，至多存在1/κ这样的步骤。在第二种情况下，分析保持与第3部分中的分析相同，存在logn个这样的步骤。因此，得到数量级为Wm/(nlog2n(logn+1/κ))的吞吐量。
最终，注意到，上面的结果可以扩展到下述情形1.对于某些模型，在该模型中，静止节点的稳态分布是某种同分布，而不是均匀分布的特殊情况，所述结果同样成立。这里，同分布是指概率分布函数位于常数cmin和cmax之间的分布。
2.同样地，移动节点的速度不必相同。如果它们的上限和下限分别为vmax和vmin，除了常数不同外，上面的分析都适用。
3.对于三维设置，也能得到这样的结果。
5.结果的暗示在这部分，提供了前面部分得到的结果的一些暗示。可以得出下面这些1.分组经历的时延与移动节点的速度成反比。
2.获得的吞吐量λ(n)与移动节点的速度无关。
3.上面，仅仅得到保证分组的丢失概率至多为0.5的λ(n)的限制。出现这个结果是因为每次传递时的丢失概率受限于1/2logm。应该注意的是，发生所述分组丢失是由于两件事情。第一，发生分组丢失是由于无线通信。为了处理这种情况，可以减少x的值(也就是，两个节点仅在非常靠近时才通信)。第二，分组丢失还在当移动节点未能在到达截止点前将它的全部分组传递给恰当的移动节点并且因此不得不丢弃它们时发生。通过在马尔可夫(Markov)不等式的应用时选择一个较大的常数，可以解决这种情况。这使λ(n)的值减少了同样的常数(也就是，如果p是丢失概率，那么λ(n)∞p)。
4.可以在移动节点上得到预期的缓存区的占有值的限制。尤为具体的，通过应用Little法则(J.Little，“A Proof of the Queuing Formulal＝λw，”Operations research，9383-387，1961，其公开的内容在此引入作为参考)，预期的缓存区中的数据的数量可以被限制为2dvWlog3n.]]>因此，如同上面的详细讨论，本发明为ad-hoc网络提供了一种路由方法，其目的是为了获得接近最佳的容量，而同时保持低时延。这个方法利用了节点移动性模式来提供延时保证。而且，该方法得到的吞吐量仅仅按多对数因子偏离最佳值。
虽然此处结合附图描述了根据本发明的示例性实施例，但是应该理解的是，本发明不局限于那些精确的实施例，并且本领域的技术人员可以根据本发明做出各种其它的变化和修改而不会偏离本发明的范围或精神。
权利要求
1.一种可在ad-hoc网络的节点中使用的方法，用于路由一个或者多个分组，该方法包括下述步骤获取与所述ad-hoc网络中的一个或者多个其它节点相关联的移动性信息，所述移动性信息涉及与所述一个或者多个其它节点相关联的、相对于所述一个或者多个分组的目的节点的方向；和基于所述移动性信息，将所述一个或者多个分组路由到所述一个或者多个其他节点中的一个节点上，以用来中继给所述目的节点。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或者多个分组的源节点和所述目的节点中至少一个节点是移动节点。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或者多个分组的源节点和所述目的节点中至少一个节点是静止节点。
4.如权利要求1所述的方法，其中，用于中继所述一个或者多个分组的节点是移动节点。
5.如权利要求1所述的方法，其中，用来中继所述一个或者多个分组的节点是静止节点。
6.如权利要求1所述的方法，其中，节点具有与之相关联的传递区域。
7.如权利要求1所述的方法，其中，节点具有与之相关的传递截止点。
8.一种用来在分布式网络中路由一个或者多个分组的方法，该方法包括将所述分布式网络中的至少一部分静止节点集群成组，并且在每组确定领导节点；将一个或者多个待发送给目的节点的分组从源节点转发到组中的领导节点；通过所述分布式网络中的一个或者多个可用移动中继节点转发来自所述领导节点的所述一个或者多个分组；并且将所述一个或者多个分组从所述一个或者多个移动中继节点中的一个节点转发到至少一个其它组中的至少一个其它领导节点，以用来递送到所述目的节点。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述源节点和所述目的节点中至少一个是静止的。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述源节点和所述目的节点中至少一个是移动的。
11.如权利要求8所述的方法，其中，最初从所述源节点接收所述一个或者多个分组的所述领导节点，存储所述一个或者多个分组，直到移动中继节点位于邻近于所述领导节点的给定邻近区域。
12.如权利要求8所述的方法，其中，最初从所述源节点接收所述一个或者多个分组的所述领导节点，存储所述一个或者多个分组，直到移动中继节点被确定为沿朝向所述目的节点的方向移动。
13.如权利要求8所述的方法，其中，可以将所述一个或者多个分组从一个中继节点转发到另一个中继节点，使得每次转发后所述一个或者多个分组距离所述目的节点越来越近。
14.如权利要求8所述的方法，其中，在节点之间的分组转发可以根据不同的频率信道来实现，至少使得干扰最小化。
15.如权利要求8所述的方法，其中，移动中继节点具有与之相关联的传递区域。
16.如权利要求8所述的方法，其中，移动中继节点具有与之相关联的传递截止点。
17.如权利要求8所述的方法，其中，领导节点是源节点。
18.如权利要求8所述的方法，其中，在所述分布式网络中存在有m个移动节点和n个静止节点，并且其中每个源节点可以获得平均吞吐量 其中W是最大可用带宽，c是一个大于0的常数。
19.如权利要求8所述的方法，其中，一个分组引发的最大时延最多为 其中d是网络直径，v是所述移动节点的速度。
20.如权利要求8所述的方法，其中，所述分布式网络是ad-hoc网络，而且进一步，其中节点经由无线链路进行通信。
21.一种可在分布式网络中的静止节点中用来路由分组的方法，该方法包括以下步骤将所述节点确定为所述分布式网络中的静止节点组的领导节点，并且在所述领导节点中存储一个或者多个待发送给目的节点的一个或多个分组；并且将所述一个或者多个分组从所述领导节点转发到所述分布式网络中的至少一个可用的移动中继节点，使得所述一个或者多个分组随后可以被转发给至少一个其它组的至少一个其它领导节点，以用于递送到所述目的节点。
22.一种可在分布式网络中的移动节点中用来路由分组的方法，该方法包括以下步骤从所述分布式网络中被确定为领导节点的节点接收一个或者多个分组，所述领导节点充当所述分布式网络中的静止节点组的领导节点；和通过所述分布式网络中的一个或者多个其它的移动节点，中继来自所述移动节点的所述一个或者多个分组，使得所述一个或者多个分组可以被从所述一个或多个移动节点中的一个转发到至少一个其它组的至少一个其它领导节点，以用于递送到所述目的节点。
23.一种可被ad-hoc网络中的节点用来路由一个或者多个分组的装置，该装置包括存储器；和至少一个耦合到所述存储器的处理器，其用来(i)获取与所述ad-hoc网络中的一个或者多个其它节点相关联的移动性信息，所述移动性信息涉及与所述一个或者多个其它节点相关联的、相对于所述一个或多个分组的目的节点的方向；和(ii)基于所述移动性信息，将所述一个或者多个分组路由到所述一个或者多个其他节点中的一个节点，以用于中继到所述目的节点。
24.如权利要求23所述的设备，其中，所述一个或多个分组的源节点和所述目的节点中至少一个节点是移动节点。
25.如权利要求23所述的设备，其中，所述一个或者多个分组的源节点和所述目的节点中至少一个节点是静止节点。
26.如权利要求23所述的设备，其中，用来中继所述一个或者多个分组的节点是移动节点。
27.如权利要求23所述的设备，其中，用来中继所述一个或者多个分组的节点是静止节点。
28.如权利要求23所述的设备，其中，节点具有与之相关联的传递区域。
29.如权利要求23所述的方法，其中，节点具有与之相关联的传递截止点。
30.一种制造的物品，可在ad-hoc网络中的节点中用来路由一个或者多个分组，所述物品包括机器可读介质，该机器可读介质包含一个或者多个程序，在被执行时所述程序实现以下步骤获取与所述ad-hoc网络中的一个或者多个其它节点相关联的移动性信息，移动性信息涉及与所述一个或者多个其它节点相关联的相对于所述一个或者多个分组的目的地的方向；并且基于所述移动性信息，将所述一个或者多个分组路由到所述一个或者多个其他节点中的一个节点，以用于中继到所述目的节点。
全文摘要
本发明提供了高效的路由技术，其满足了与ad－hoc网络环境等相关联的性能目标。尤为具体的，本发明提供了路由方法，其被证明可以提供高(例如，接近最佳值)吞吐量和保证低时延。此外，本发明优选地考虑了同时具有静止节点和移动节点的网络。移动节点优选地遵循一种特殊的运动模型，此处指移动性模型。
文档编号H04L12/28GK1771694SQ03826546
公开日2006年5月10日 申请日期2003年7月21日 优先权日2003年3月28日
发明者尼克希尔·邦萨尔, 刘震 申请人:Ibm公司