专利名称：无线多跳网状网络中的联合的关联、路由和速率分配的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线城域(municipal)网状网络，并且具体地涉及用于以公平的方式 提供联合的关联、路由和速率分配的方法和装置。
背景技术：
在多跳无线网络中，已经证明干扰对网络性能具有显著影响。在现有技术的一项 研究中，使用假定干扰为“全有或全无(all-or-nothing) ”现象的协议模型、以及考虑干扰 传输对信噪比的影响的物理模型来调查在两种干扰模型下的无线网络的吞吐量。现有技术 的另一项研究考虑干扰对多跳无线网络性能的影响。它使用干扰图(conflict graph)来 对无线干扰的影响建模，并且呈现了用于对于给定的网络和工作负荷计算最优吞吐量的上 限和下限的方法。除了吞吐量之外，公平性也是无线网状网络中的重要方面。已经在无线网络中 广泛地研究了公平性。现有技术的又一项研究证明了对于无线回程网络使用当前的IEEE 802. 11媒体访问协议可能导致严重的不公平性并且甚至导致对于较远离网关的流的饥 饿匮乏(starvation)。据此，研究者开发了分布式层2公平性算法以实现在网状接入点 (MAP)-聚合粒度(aggregategranularity)的公平性。在另一项研究中，研究者提出用于 最大化无线网络中的用户效用(utility)之和的调度方案，并且指出最大-最小公平性可 以被实现为使用效用函数的特定选择的特殊情况。为了导出对最大-最小公平带宽分配的 解，其他研究者使用具有数个简化假设的网络模型。例如，他们假设不共享节点的链路将永 远不竞争信道访问。此外，只考虑了单跳流。其他现有技术研究了任意链路竞争图，但仍然 只考虑了单跳流。在现有技术的又一项研究中，研究者关注于多跳无线局域网(WLAN)中的 公平带宽分配。给定所确定的树结构，经由“泵出和吸入(Pump-and-Drain) ”操作来执行公 平带宽分配。另外，研究者设计了构造树结构以改善吞吐量的算法。然而，现有技术研究都 未联合地处理无线网状网络中的关联、路由和带宽/速率分配的问题。期望具有一种方法和装置，其联合地处理关联、路由和带宽/速率分配的问题以 便向参与的站点分配最大可能带宽，同时以公平的方式(尽可能均勻地)分配带宽。
发明内容
在无线城域网状(muni-mesh)网络中，关联机制(通过该关联机制，使客户端站点 (STA)变为加入网状接入点(MAP))和路由机制(通过该路由机制，确定中继回程的逻辑拓 扑)将MAP和STA组织为两级的通信结构。如这里所使用的，“/”表示相同或类似的组件或 结构的可替换名称。即，如这里所使用的，“/”可被视作含义“或”。在本发明中，受到对由 关联和回程路由所确定的通信结构影响作为结果的所分配的速率的观察的启发，而调查无 线muni-mesh网络中的联合的关联、路由和带宽/速率分配的问题。使用捕捉专用于所述 两层的muni-mesh网络的组件的干扰图来对无线干扰建模。最优化目标是最大化网络吞吐 量并同时改善公平性。首先，以最大化吞吐量为目标而公式化线性规划(LP)问题。然而，简单地将吞吐量最大化将导致对向STA分配的速率的严重偏差。为了实现吞吐量和公平性 之间的良好权衡，考虑最大-最小公平性模型。提供了严密的公式从而以保证的最大最小 速率分配来最大化网络吞吐量。在这里对于允许多MAP关联和多路径回程路由的情况来开 发用于联合的关联、路由和速率分配的最优算法。然后考虑整体(integral)关联和单路径 路由的约束。如果整体关联和单路径路由是必要的，则问题公式归为混合整体非线性规划， 其一般性地为 NP 难(NP-hard, nondeterministic polynomial (非确定型多项式)-hard) 的。为此，描述了将逻辑拓扑构造的问题和速率分配的问题解耦的方法。使用试探方法来 构造两级的逻辑通信拓扑，然后在所确定的逻辑拓扑内向STA分配带宽。无线城域网状(muni-mesh)网络作为对于最后一英里宽带因特网接入的有前途 的解决方案而出现。不像平坦型自组织(flat ad hoc)网络，网状网络具有层级架构，如 图1中所示。上层(也被称作中继层)包括网状接入点(MAP)。MAP经由无线链路而互连 以形成多跳回程，为客户端站点(STA)提供网络接入和数据转发。MAP中的一些连接到有 线因特网主干。这些MAP被称作网关。客户端节点/STA(例如膝上型计算机、计算机、处理 器、移动终端、个人数字助理(PDA)、双模智能电话等)形成下层(也被称作接入层)。STA 将它们自身与附近的MAP关联以接入网络。STA不参与分组中继和路由处理，即它不在意 (oblivious of)MAP后面的回程拓扑。STA以与其在单跳WLAN中相同的方式，简单地向其 关联的MAP发送分组或从其关联的MAP接收分组。由MAP通过回程路由来操纵无线回程中 的分组递送。一般地，中继层和接入层工作在正交的信道上以避免干扰。期望无线muni-mesh网络中的大部分数据流量是通过MAP和网关而介于STA和因 特网之间的。需要通过接入链路(接入层)和多跳回程路径(中继层)而在带宽有限的无 线信道上高效地递送这样的流量。另外，公平地向全部STA分配有限的带宽(即控制STA 可以向网状网络发送或从网状网络接收的流量)是重要的，这是因为用户通常支付相同的 统一费率来得到因特网接入。在本发明中，以最大化网络吞吐量和改善公平性为目标来调查无线网状网络中的 联合的关联、路由和速率分配的问题。由于无线介质的共享特性，在共同邻域中的传输将彼 此干扰，这使得速率分配问题与有线网络中的速率分配问题完全不同。在无线muni-mesh 网络中，如果任何一对节点(STA和MAP)在彼此的直接传输范围中，则在它们之间存在链 路。这里节点包括STA或MAP。然而，被实际使用并承载数据/流量的STA-MAP和MAP-MAP 链路的集合是由关联和回程路由确定的。因此，全部节点(MAP和STA)被组织为逻辑拓扑 以进行通信。因为不同的逻辑拓扑由不同的链路集合组成并且具有不同的干扰样式，因此 具体的逻辑拓扑确定在给定的速率分配策略下可以向STA分配多少带宽。期望分配给STA 的总速率/带宽尽可能大，并且分配给每个STA的速率/带宽在公平性方面尽可能均勻。描述了一种方法和装置，其包括收集网络信息；基于所收集的网络信息来确定 关联、带宽分配和路由方案；向网状接入点通知所述关联、带宽分配和路由方案；以及向客 户端节点通知其关联信息。还描述了一种方法和装置，其包括测量链路质量和信道状况； 向控制器报告所述测量行动的结果；从控制器接收路由决定和数据转发指令；以及将所述 路由决定和数据转发指令转发到客户端节点。进一步描述了一种方法和装置，其包括测量 链路质量和信道状况；向控制器报告所述测量行动的结果；从集中控制器接收关联指令； 以及用所接收的关联指令更新先前存储的关联指令。
在结合附图阅读时，从以下详细描述中最佳地理解本发明。所述附图包括下面简 要描述的附图，其中图上的类似标号表示类似元件图1为本发明所针对的网络的示意图。图2a为3MAP网络的示意图。图2b为图2a的3MAP网络的连通图。图2c为图2b的连通图的干扰图。图3为本发明的方法在网关中的示例实施例的流程图，其中网状网络具有集中控 制器，并且网状网络使用集中式MAC协议。图4为对于MAP(系统具有集中控制器并且使用集中式MAC协议)的本发明的方 法的示例实施例的流程图。图5为对于STA(系统具有集中控制器并且使用集中式MAC协议)的本发明的方 法的示例实施例的流程图。图6为对于使用分布式MAC协议的集中控制器的本发明的方法的示例实施例的流 程图。图7为对于MAP(系统具有集中控制器并且使用分布式MAC协议)的本发明的方 法的示例实施例的流程图。图8为对于STA(系统具有集中控制器并且使用分布式MAC协议)的本发明的方 法的示例实施例的流程图。图9为根据本发明的原理的网关的示例实施例的框图。图10为根据本发明的原理的MAP的示例实施例的框图。图11为根据本发明的原理的STA的示例实施例的框图。
具体实施例方式参考图1，图示了本发明中所考虑的网络系统。该网络系统包括三种元素中继节 点(RN)105(例如MAP)、客户端STA(终端设备)110、以及网关115(基站)。中继节点可以 具有多个物理无线电接口或被划分为多个逻辑接口的单个物理无线电接口。一个或多个物 理或逻辑无线电接口是接入接口。其他接口是中继接口。接入接口用于供终端用户/客 户端节点/STA与一个或多个MAP/RN关联以接入网络，而中继接口用于构造用于在中继节 点之间进行分组转发的主干多跳无线网络。一个或多个中继节点通过有线因特网回程接口 125与有线基础设施120连接，作用为因特网网关或基站。客户端/终端设备/STA 110不 参与分组中继或路由处理，并且需要与一个或多个MAP/RN 105关联以获得对网络的接入。 STA 110仅仅向它们的关联的MAP105发送分组或从它们的关联的MAP 105接收分组。从源 到目的地的其余分组递送由中继节点105使用路由协议来执行。在本发明的系统模型中， 全部无线接口都是半双工的，即接口在给定时间只能发送或接收。期望基础设施多跳网络中的大多数流量是去向/来自有线网络或因特网的流量。 在本发明中，关注于改善经由网关/基站进行客户端/STA和外部有线因特网之间的通信的 性能。为了保证回程的连通，全部MAP的中继接口都被调谐到公共信道。每个MAP支持两种接口。MAP的接入接口为与该MAP关联的STA提供网络接入，而MAP的中继接口用于构 造在网关和与该MAP关联的STA之间中继数据/流量的回程以及在该回程上进行通信。注 意，通过对干扰图的修改，同样可以将本发明的方法推广到多无线电多信道网络。在接入层 中，重叠的蜂窝被调谐为在正交的信道上操作以避免蜂窝间干扰。中继接口和接入接口也 在正交的信道上工作，使得接入层处的通信和中继层处的通信不彼此干扰。客户端设备/ STA只需要支持用于接入的单个接口。用于该接口的工作信道由与该STA关联的MAP确定。 假定每个节点以相同的固定的传输功率进行传输，即存在与每个节点相关联的固定的传输 范围Τ,和固定的干扰范围I,。在网络中，只有STA生成数据/流量。MAP在STA和网关之 间中继分组。给定具有M个MAP和N个STA的网状网络，如下导出连通图G(V+，E)，其中V+ = Va+Vs。每个顶点a e Va对应于网络中的MAP。如果d(ai，a2)彡 ；(其中d是Ei1和a2之间 的欧几里德距离)，则边(edge) e = (a1 a2) e E对应于Ei1 e Va和a2 e Va之间的无线链 路。每个顶点u e Vs是STA。如果d(u，v)彡 ；且ν e Va是MAP，则存在u和ν之间的边。 边(u，ν)对应于STA u和MAP ν之间的无线链路。第二个条件意味着STA只与MAP通信。 两个STA之间的直接通信是不允许的。即，STA不在它们之间形成点对点网络。以下，使用协议模型来定义成功无线传输的条件，并且使用干扰图来对干扰建模。 在协议模型中，如果以下条件全部满足，则节点i和节点j之间的传输是成功的1.节点i和节点j在相同的信道上通信2. d(i，j) ( Tr，其中d(i，j)是i和j之间的距离3.在传输期间，使得d(k，i) ^ I,或d(k，j) ^ I,的任何节点k保持静默。第三 个条件意味着发送者和接收者两者都无干扰。发送者应当无干扰以成功地接收接收者的应 答。因为每个节点以相同的固定功率传输，并且无线电固有地是广播介质(其中在干扰范 围之内的多个相邻节点共享通信信道)，所以节点i的干扰区域可以被想象为中心在i、具 有半径L的圆盘Dp在不产生混淆的前提下，Di也被用于表示由圆盘Di覆盖、并且在与i 相同的信道上的节点的集合，即Di用于表示节点i的干扰节点的集合。使用该定义，与链 路e = (i，j)干扰的链路/边的集合可以被写作Ie = {(U，V) |u e〕1或11 e 或￥ e 01或￥ e DjI为了将无线干扰并入至问题公式，定义干扰图G’(V’，E’)，其顶点对应于连通图 G的链路。如果在G中链路el和e2彼此干扰(即它们不能同时有效)，则在G’(V’，E’) 中存在顶点el = (χ, y)和e2(u，ν)之间的边。基于协议模型，如果(u，ν)被Ixy或Iel覆 盖，则画边。在回程中继层中，这包含了由于链路(x，y)和(u，v)具有共同的端点而产生冲 突的情况(因为中继接口在相同的信道上工作，共享端点的两个链路处于彼此的干扰集合 中)。然而，对于接入层来说情况不同。每个STA仅支持一个接入接口。该接口的工作信 道不是预配置的。替代地，工作信道被动态地调谐至关联的MAP的工作信道中的一个。在 问题公式中，允许动态的部分关联，即STA可以与多于一个MAP关联，这暗示STA需要以时 分方式在多个信道上工作，因为它只有一个无线电。潜在地，STA可以与其范围Tr内的全 部MAP关联，以使得在连通图G中存在STA和每个这样的MAP之间的链路。基于上述干扰 图构造，在G’中在这些链路的任何一对之间将不存在边，因为这些链路工作在正交的信道 上。然而，由于每个STA具有单个无线电，因此这些链路不能在同时有效。即STA —次只能工作在一个信道上并且向一个MAP传输。因此，STA-MAP链路的干扰集合明确地包括共享 与给定链路的无线电相同的无线电的链路，并且因此在干扰图G’中在任何一对这样的链路 之间画边。使用干扰图，可以以另一种方式表示与链路e = (x,y)干扰的链路的集合
权利要求
一种方法，所述方法包括收集网络信息；基于所述所收集的网络信息来确定关联、带宽分配和路由方案；向网状接入点通知所述关联、所述带宽分配和所述路由方案；以及向客户端节点通知所述关联。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括基于所述带宽分配而调度数据传输。
3.根据权利要求1的方法，进一步包括向所述客户端节点通知对所述客户端节点的所 述带宽分配。
4.根据权利要求1的方法，其中所述收集行动是经由集中式媒体访问控制协议而实现的。
5.根据权利要求1的方法，其中所述收集行动是经由分布式媒体访问控制协议而实现的。
6.根据权利要求1的方法，其中所述方法由驻留于网关中的集中控制器执行。
7.根据权利要求1的方法，其中所述确定行动产生最大吞吐量带宽速率分配。
8.根据权利要求1的方法，其中所述确定行动产生最大最小带宽速率分配。
9.根据权利要求2的方法，其中所述调度行动是经由集中式媒体访问控制协议而实现的。
10.根据权利要求1的方法，进一步包括接收更新后的网络信息。
11.一种装置，其包括 用于收集网络信息的部件；用于基于所述所收集的网络信息来确定关联、带宽分配和路由方案的部件； 用于向网状接入点通知所述关联、所述带宽分配和所述路由方案的部件；以及 用于向客户端节点通知所述关联的部件。
12.根据权利要求11的装置，进一步包括用于基于所述带宽分配而调度数据传输的部件。
13.根据权利要求11的装置，进一步包括用于向所述客户端节点通知对所述客户端节 点的所述带宽分配的部件。
14.根据权利要求11的装置，其中所述用于收集的部件是使用集中式媒体访问控制协 议而实现的。
15.根据权利要求11的装置，其中所述用于收集的部件是使用分布式媒体访问控制协 议而实现的。
16.根据权利要求11的装置，其中所述装置是驻留于网关中的集中控制器。
17.根据权利要求11的装置，其中所述用于确定的部件产生最大吞吐量带宽速率分配。
18.根据权利要求11的装置，其中所述用于确定的部件产生最大最小带宽速率分配。
19.根据权利要求12的装置，其中所述用于调度的部件是使用集中式媒体访问控制协 议而实现的。
20.根据权利要求11的装置，进一步包括用于接收更新后的网络信息的部件。
21.一种方法，所述方法包括2测量链路质量和信道状况；向控制器报告所述测量行动的结果；从所述控制器接收路由决定和数据转发指令；以及将所述路由决定和所述数据转发指令转发到客户端节点。
22.根据权利要求21的方法，其中所述路由决定是回程路由决定。
23.根据权利要求21的方法，其中所述方法由网状接入点执行。
24.一种装置，其包括用于测量链路质量和信道状况的部件；用于向控制器报告所述测量行动的结果的部件；用于从所述控制器接收路由决定和数据转发指令的部件；以及用于将所述路由决定和所述数据转发指令转发到客户端节点的部件。
25.根据权利要求24的装置，其中所述路由决定是回程路由决定。
26.根据权利要求24的装置，其中所述装置是网状接入点。
27.一种方法，所述方法包括 测量链路质量和信道状况； 向控制器报告所述测量行动的结果； 从所述控制器接收关联指令；以及基于所述所接收的关联指令而更新先前存储的关联指令。
28.根据权利要求27的方法，进一步包括 从所述控制器接收带宽分配指令；以及 更新所述带宽分配指令。
29.根据权利要求27的方法，其中所述报告行动是经由网状接入点而实现的。
30.根据权利要求27的方法，其中所述接收行动是经由网状接入点而实现的。
31.根据权利要求27的方法，其中所述方法是由客户端节点实现的。
32.一种装置，其包括用于测量链路质量和信道状况的部件；用于向控制器报告所述测量行动的结果的部件；用于从所述控制器接收关联指令的部件；以及用于基于所述所接收的关联指令而更新先前存储的关联指令的部件。
33.根据权利要求32的装置，进一步包括用于从所述控制器接收带宽分配指令的部件；以及 用于更新所述带宽分配指令的部件。
34.根据权利要求32的装置，其中所述用于报告的部件是经由网状接入点而实现的。
35.根据权利要求32的装置，其中所述用于接收的部件是经由网状接入点而实现的。
36.根据权利要求32的装置，其中所述装置是客户端节点。
全文摘要
描述了一种方法和装置，其包括收集网络信息；基于所收集的网络信息来确定关联、带宽分配和路由方案；向网状接入点通知所述关联、带宽分配和路由方案；以及向客户端节点通知其关联信息。还描述了一种方法和装置，其包括测量链路质量和信道状况；向控制器报告所述测量行动的结果；从控制器接收路由决定和数据转发指令；以及将所述路由决定和数据转发指令转发到客户端节点。进一步描述了一种方法和装置，其包括测量链路质量和信道状况；向控制器报告所述测量行动的结果；从集中控制器接收关联指令；以及用所接收的关联指令更新先前存储的关联指令。
文档编号H04W28/08GK101971664SQ200880128004
公开日2011年2月9日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者刘航, 吴明全, 李德凯, 罗琳 申请人:汤姆森特许公司