专利名称：用于多跳网络中建立的连接的快速/机会性分布式资源重新分配的制作方法
用于多跳网络中建立的连接的快速/机会性分布式资源重新分配发明背景发明领域本发明一般涉及一种实施反应式路由选择协议的多跳网络，节点使用该协议来响应多跳网络中的拓扑改变持续调整多跳网络的资源，以优化源节点与目的节点之间的连接的性能。相关技术说明多跳网络(无线自组织网络)固有的一个问题是它们具有随时间改变的拓扑，因为节点是移动的，这可能导致为特定连接中继业务的两个节点之间的连接中断。除了移动节点外还有若干其他导致拓扑随时间改变的原因。例如，拓扑改变可能发生在甚至没有节点移动的情况下，例如由无线电波在其上反射的移动物体所导致的变化或通信媒体的改变。这些拓扑改变包括例如，(本身和/或干扰信道的)信道变化、业务模式改变、发射模式改变和资源分配改变。为了适应这些拓扑改变，多跳网络可以采用主动式路由选择协议或反应式路由选择协议。在采用主动式路由选择协议的多跳网络中，通常通过持续地更新节点之间的路由选择路径来调整拓扑改变。以及，在采用反应式路由选择协议的多跳网络中，首先在通常称为路由发现阶段的过程中建立节点之间的路由选择路径。一旦路径建立完成，则转到路由维持阶段。面对拓扑改变时，该阶段负责维持活动源/目的地对之间的路径，例如当在朝目的节点的路径上的两个节点已经移开太远而导致连接中断时，则调用路由修复过程(路由维持阶段的部分)作为恢复操作来尝试并修复节点之间的连接。如果该恢复操作未成功，则需要执行新一轮的路径发现。反应式路由选择协议的例子包括在IETFMANET工作组内开发的AODV (自组织按需距离矢量)和DSR (动态源路由选择)，如下的文献中对它们有描述: “ 自组织按需距离矢量路由选择”(C.Perkins、Ε.M.Royer 和 S.R.Das, " Ad HocOn-demand Dista nce Vector Routing" , RFC 3561,2003 年 7 月)。 “自组织无线网络中的动态源路由选择”(D.Johnson和D.Maltz, " DynamicSource Routing in Ad Hoc Wireless Networks" , draft-1etf-manet-dsr-09.txt, 2003年4月)。这些文献的内容由此通过引用结合于本文。虽然这些路由选择协议一般表现不错，但是它们仍有缺点，它们无法做到足以优化两个节点之间的连接的性能。因此，需要一种实施优化两个节点之间的连接的性能的新反应式路由选择协议的多跳网络。通过本发明的多跳网络、节点和方法满足该需求以及其他需求。发明概述本发明包括一种实施反应式路由选择协议的多跳网络，该协议使节点能够响应多跳网络内的拓扑改变以分布式/机会性方式持续调整网络资源，以优化源节点与目的节点之间的连接的性能。可以调整的资源的类型包括例如:⑴路由；⑵信道；和/或⑶物理层参数。以及，可能发生的不同类型的拓扑改变包括例如:(I)节点的移动；(2)源节点与目的节点之间的信道的质量变化；(3)多跳网络中业务模式的改变；(4)多跳网络中发射模式(例如功率、波束赋形方向)的改变；以及(5)多跳网络(100、400)中资源分配的改变。附图简要说明可以参考以下详细说明同时结合附图来获得对本发明的更全面的理解，图中:
图1是说明根据本发明具有实施反应式路由选择协议的节点的示范多跳网络的框图；图2是说明根据本发明用于在图1的多跳网络内实施反应式路由选择协议的优选方法的步骤的流程图；图3是根据图2的方法中的步骤202可以从图1的多跳网络内的活动节点发射的示范信标的框图；以及图4A-4D是说明可以使用反应式路由选择协议来调整图1的多跳网络中源节点与目的节点之间的路由的不同方式的框图。附图的详细i兑明参考图1，公开一种示范多跳网络100的框图，它具有实施根据本发明的方法200的反应式路由选择协议的节点102a、102b、...、102q(示出17个)。如图所示，多跳网络100
具有多个在无线媒体中操作的节点102a、102b.....102q，其中在两个节点(例如)102a与
102m之间发送的业 务称为流104 (示出I个)。始发传输在流104中的数据的节点称为源节点102a，以及终接数据的节点称为目的节点102m。在每个瞬时，多跳网络100可以在任何两个节点102a、102b、...、102q之间具有零个、一个或多个流104。每个流104在连接106中承载，其中示出节点102a与102m之间的仅一个连接106。应该认识到多个流104可以复用到连接106中，以及可以为每个源节点102a以及为每个目的节点102m建立多个连接106。此外，相同的源节点102a与目的节点102m可以具有多个连接106以及多个流104。限定每个连接106通过路径108 (路由)并由如下项表征:(I)活动节点(例如)102a、102f、102h、102k、102k和102m的身份；(2)信道；以及(3)沿路径108的链路参数。在本发明的替代实施例中，连接106由如下项表征:(I)路径108 ；⑵链路参数；以及(3)发射实例。后一种类型的连接106在时域中与非时隙发射相关联，而前一种类型的连接106更面向TDMA (时分多址)、FDMA (频分多址)以及OFDMA (正交频分多址)。如图所示，路径108由构成连接106的相邻活动节点102a、102f、102h、102k、102k和102m之间的较短链路组成。与沿路径108的流104的发射相关联的链路的参数由例如如下项表征:(I)发射功率；⑵调制；(3)方向；以及⑷MMO(多输入多输出)参数。以及，与沿路径108的流104的接收相关联的链路的参数可以包括例如有关天线阵列的调谐的信息，前提是这些参数被使用。每个连接106通常具有数据速率上限，以及流104可以使用可
用的数据速率的一部分或全部带宽。在彼此达到范围内的节点102a、102b.....102q称为
邻节点。术语“在达到范围内”有若干定义。例如，无论何时只要当在发送节点使用最大允许发射功率且不存在干扰节点时一个节点在接收时具有超过预定电平的平均SNR(信号噪声比)，这些节点可以在彼此的“达到范围内”。最后，应该认识到多跳网络100内的通信是在通常为正交的分离信道上，因此应该不会彼此干扰。以及，节点102a、102b、...、102q中从一个信道改变到另一个信道称为信道切换。根据本发明，多跳网络100内的节点102a、102b、...、102q中的每个节点实施在前述常规反应式路由选择协议之上显著改进的反应式路由选择协议(方法200)。同样，像AODV和DSR的常规反应式路由选择协议有无法做到足以优化两个节点之间的连接的性能的缺点。本发明的多跳网络100通过实施一种新的反应式路由选择协议(方法200)来解决该需要，该新反应式路由选择协议响应多跳网络100中的拓扑改变调整多跳网络100中的一个或更多个资源，以优化源节点102a与目的节点102m之间的连接106的性能。可以调整的资源的类型包括例如:(I)路由；(2)信道；和/或(3)物理层参数。以及，可能发生
的不同类型的拓扑改变包括例如:(1)节点102a、102b.....102q的移动；(2)源节点102a
与目的节点102m之间的信道的质量变化(不一定仅限于正在为考虑的连接转发数据的链路，而且还有可以替代使用的链路)；(3)多跳网络100中业务模式的改变；(4)多跳网络100中发射模式(例如功率、波束赋形方向)的改变；以及(5)多跳网络100中资源分配的改变。以下参考图2-4提供有关反应式路由选择协议(方法200)的不同方面和特征的更详细说明。参考图2，有说明用于在多跳网络100内实施反应式路由选择协议的优选方法200的步骤的流程图。开始于步骤202，位于连接106内的活动节点(例如)102a、102f、102h、1021、1021和102m发射含有连接106的一个或更多个性能测量的信标302 (参见图3)。在一个实施例中，可以一个帧304 —次地生成信标302，信标包括控制部分306和TDMA数据承载部分308。可以对信标302指定小型时隙310，以便它将不会与从相邻节点发射的信标302 (未示出)冲突。可以以某个功率电平和数据速率来发射信标302，以使在选择该功率电平和数据速率的情况下信标302具有与由节点102a、102f、102h、102k、1021和102m发送的其他消息一样远或比之更远的达到。信标302还包括普通广播部分312和连接特定部分314。在普通广播部分312中， 指示信标302的功率。这使“在达到范围内”的任何节点102a、102b.....102q可以确定开
环路径损耗。还指示发射节点(例如)102&、102110211、102丨、1021^或102111的10。在连接特定部分314中，可以指示连接ID、连接速率、发射/接收ID和/或发射功率/CIR (载波干扰比)。此外，连接特定部分314指示每个连接106的性能测量。性能测量可以是整个连接106的累积成本。每个时隙或等效连接的最大允许功率Pmax是另一性能测量。Pmax反映发射节点102a、102f、102h、102k、102k或102m的功率能力或可以使用的而不会与其他正在进行的连接106相干扰的最大功率。在步骤204，相邻节点(例如)102b、102d、102e、102g、1021、102j、102q、102p 和 /或102o接收从活动节点102a、102f、102h、102k、102k和102m发射的信标302中的一个或更多个。活动节点102a、102f、102h、102k、102k或102m还接收从其他活动节点102a、102f、102h、102k、1021或102m发射的信标302。例如，活动节点102f和102k从活动节点102h接收信标302。在步骤206，每个相邻节点 102b、102d、102e、102g、1021、102j、102q、102p 和 / 或102ο基于每个接收的信标302中的性能测量和其他信息(任选)计算成本函数。相似地，每个活动节点102a、102f、102h、102k、102k和/或102m基于每个接收的信标302中的性能
测量和其他信息(任选)计算成本函数。
在步骤208，每个相邻节点 102b、102d、102e、102g、1021、102j、102q、102p 和 / 或102ο以及活动节点102a、102f、102h、102k、102k或102m确定是否可以通过调整多跳网络100中的至少一个资源(例如路由、信道和/或物理层参数)来改进源节点102a与目的节点102m之间的连接106的成本函数。如果在步骤208的答案是“是”，则由相关的相邻节点(例如)102g或活动节点(例如)102f来执行步骤210，调整至少一个资源来改进源节点102a与目的节点102m之间的连接106的成本函数。通常，相邻节点(例如)102g会如以下参考图4A、4B和4D更详细描述的来调整路由资源。以及，活动节点(例如)102f会如参考图4C更详细描述的来调整路由资源、信道资源或物理层参数资源。在一个实施例中，当使用拓扑改变的如平均路径损耗的平均性能来确定是否可以在源节点102a与目的节点102m之间改进连接106的成本函数时，相关的相邻节点(例如)102g或活动节点(例如)102f可以较快地以分布式方式调整或重新分配资源。在另一个实施例中，当使用如瞬时CIR的瞬时或实时拓扑改变的性能测量来确定是否可以在源节点102a与目的节点102m之间改进连接106的成本函数时，相关的相邻节点(例如)102g或活动节点(例如)102f可以以机会性方式调整或重新分配资源。在任何一个实施例中，相关的相邻节点(例如)102g或活动节点(例如)102f被允许在调整不会负面影响多跳网络100中另一连接的性能的情况下调整资源。如果在步骤208的答案是“否”，则执行步骤212，其中相邻节点102b、102d、102e、102g、1021、102j、102q、102p 和 / 或 102ο 或活动节点 102a、102f、102h、102k、102k 或 102m只是维持源节点102a与目的节点102m之间的连接106中的资源。以下参考图4A-4D提供有关可以使用方法200和反应式路由选择协议来调整源节点与目的节点之间的路由的一些不同方式的更详细说明。为了更好地描述本发明的一些特征，以下使用的多跳网络400具有比多跳网络100更简单的配置。当然，应该注意，多跳网络100和400内示出的节点的数量是为简化说明而选择的，以及节点的数量和它们的配置不应该是对本发明的限制。参考图 4A4D，关于可以如何根据方法200的步骤210调整源节点A与目的节点E之间的连接的路由，示出四种基本情况。在图4A所示的第一种情况中，节点F在时间h监听由活动节点(例如)B和D发送的信标302 (未示出)。然后在时间h，节点F将自己插入该连接，并将节点C从源节点A与目的节点E之间的连接中排除，前提是根据方法200的步骤206、208和210优化目标成本函数。应该注意，在该情况以及反应式路由选择协议以分布式方式调整资源的以下所述的其他例子中，则优选地一次发生一个事件以避免并发调
M
iF.0在图4B所示的第二种情况中，节点F在时间h监听由活动节点(例如)A、B、C、D和E发送的信标302 (未示出)。然后在时间h，节点F将自己插入该连接，并将多个节点B、C和D从源节点A与目的节点E之间的连接中排除，前提是根据方法200的步骤206、208和210优化目标成本函数。在图4C所示的第三种情况中，活动节点C在时间tQ监听由活动节点(例如)B和D发送的信标302 (未示出)。然后在时间h，节点C注意到它提供次优路径并启动路径改变，其中它将自己从源节点Λ与目的节点E之间的连接中排除，前提是根据方法200的步骤206、208和210优化目标成本函数。正如可以看到的，在该情况中活动节点C能够执行方法200中的步骤204,206,208和210。
有关可以如何根据方法200来实施这三种情况,存在若干方式。在一个例子中，一个好的选择是利用沿路径分布且在信标3()2中声明的累积成本(性能测量)。然后可以将沿路径的成本与由侦听信标302并检查它是否应该在源节点A与目的节点E之间的连接中插入/排除自己的节点所确定的成本比较。在另一个例子中，可以使用发射功率(性能测量)作为成本度量。例如，考虑基于来自节点j-Ι的实际成本估计节点j+ι的成本的节点j。从节点j-Ι到j以及从节点j到j+Ι产生的成本以AC和相关的指标来表示。在节点j+Ι的总估计成本则为:
权利要求
1.一种用于优化多跳网络(100,400)中源节点(102a, A)与目的节点(102m, E)之间的连接(106)的性能的方法(200)，所述方法的特征在于如下步骤: 从与源节点和目的节点之间的连接相关联的至少一个活动节点(102f、102h、102k、1021、B、C和D)发射(202)含有连接(106)的性能测量的信标(302)； 在与源节点和目的节点之间的连接相关联的至少一个相邻节点(102b、102d、102e、1028、1021、102」、102 、1020、卩和6)接收(204)发射的信标中的至少一个； 在所述至少一个相邻节点基于每个接收的信标中的性能测量计算(206)成本函数； 在所述至少一个相邻节点确定(208)在所述至少一个相邻节点调整多跳网络中的至少一个资源时是否可以改进源节点与目的节点之间的连接的成本函数；以及 如果是的话，调整(210)至少一个资源以改进源节点与目的节点之间的连接的成本函数；或 如果否的话，维持(212)源节点与目的节点之间的连接中的至少一个资源。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个活动节点能够执行接收步骤、计算步骤、确定步骤、调整步骤和维持步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一个资源包括: 路由(108)； 信道；或 物理层参数。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述调整步骤包括将相邻节点中的至少一个插入源节点与目的节点之间的连接以及从源节点与目的节点之间的连接中移除活动节点中的至少一个。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述调整步骤包括从源节点与目的节点之间的连接中移除活动节点中的至少一个。
6.如权利要求1所述的方法，其中当多跳网络中有拓扑改变时，执行所述调整步骤，所述拓扑改变包括: 节点之一的移动； 源节点与目的节点之间的信道的质量变化； 多跳网络内业务模式的改变； 多跳网络内发射模式的改变；或 多跳网络内资源分配的改变。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个相邻节点响应多跳网络中的瞬时拓扑改变，以机会性方式调整多跳网络的至少一个资源。
8.如权利要求1所述的方法，其中每个信标包括普通广播部分(312)和含有性能测量的连接相关部分(314)，所述性能测量包括: 源节点与目的节点之间的连接的累积成本；或 发射活动节点的最大允许功率。
9.一种实施反应式路由选择协议以优化源节点(102a、A)与目的节点(102m、E)之间的连接(106)的性能的无线多跳网络(100、400)，所述无线多跳网络的特征在于: 位于源节点与目的节点之间的连接中的至少一个活动节点(102f、102h、102k、1021、B、C和D)，其中每个活动节点执行以下步骤: 发射(202)含有源节点与目的节点之间的连接的性能测量的信标(302)； 与源节点和目的节点之间的连接相关联的至少一个相邻节点(102b、102d、102e、102g、.1021、102j、102p、102o、F和G)，其中每个相邻节点执行以下步骤: 接收(204)发射的信标中的至少一个； 基于每个接收的信标中的性能测量计算(206)成本函数； 如果改进源节点与目的节点之间的连接的成本函数是可能的，则调整(210)无线多跳网络中的至少一个资源。
10.如权利要求9所述的无线多跳网络，其中每个活动节点也执行接收步骤、计算步骤和调整步骤。
11.如权利要求9所述的无线多跳网络，其中所述至少一个资源包括: 路由(108)； 信道；或 物理层参数。
12.如权利要求9所述的无线多跳网络，其中所述调整步骤包括将相邻节点中的至少一个插入源节点与目的节点之间的连接以及从源节点与目的节点之间的连接中移除活动节点中的至少一个。
13.如权利要求9所述的无线多跳网络，其中所述调整步骤包括从源节点与目的节点之间的连接中移除活动节点中的至少一个。
14.如权利要求9所述的无线多跳网络，其中当无线多跳网络中有拓扑改变时，每个相邻节点执行调整步骤，所述拓扑改变包括: 节点之一的移动； 所述源节点与所述目的节点之间的信道的质量变化； 无线多跳网络内业务模式的改变； 无线多跳网络内发射模式的改变；或 多跳网络内资源分配的改变。
15.如权利要求9所述的无线多跳网络，其中当无线多跳网络内有实时拓扑改变时，每个相邻节点以机会性方式执行调整步骤。
16.如权利要求9所述的无线多跳网络，其中每个信标包括普通广播部分和含有性能测量的连接相关部分，所述性能测量包括: 源节点与目的节点之间的连接的累积成本；或 发射活动节点的最大允许功率。
17.一种用于优化多跳网络(100、400)中源节点(102a、A)与目的节点(102m、E)之间的连接(106)的性能的装置(200)，所述装置的特征在于: 用于从与源节点和目的节点之间的连接相关联的至少一个活动节点(I O 2 f、IO 2h、.102k、1021、B、C和D)发射(202)含有连接(106)的性能测量的信标(302)的单元；用于在与源节点和目的节点之间的连接相关联的至少一个相邻节点(102b、102d、.102e、102g、1021、102j、102p、102o、F和G)接收(204)发射的信标中的至少一个的单元；用于在每个相邻节点基于每个接收的信标中的性能测量计算(206)成本函数的单元；用于在每个相邻节点确定(208)是否可以通过调整多跳网络中的至少一个资源来改进源节点与目的节点之间的连接的成本函数的单元， 如果是的话，调整(210)至少一个资源以改进源节点与目的节点之间的连接的成本函数；或 如果否的话，维持(212 )源节点与目的节点之间的连接中的至少一个资源。
全文摘要
本文描述实施反应式路由选择协议的多跳网络(100、400)和节点(102a-102q和A-G)，该协议使多跳网络(100、400)的资源能够响应多跳网络(100、400)内的拓扑改变以分布式/机会性方式来持续地调整，以优化源节点(102a、A)与目的节点(102m、E)之间的连接的性能。可以调整的资源的类型包括例如(1)路由；(2)信道；和/或(3)物理层参数。以及，可能发生的不同类型的拓扑改变包括例如(1)节点(102a-102q和A-G)的移动；(2)源节点(102a、A)与目的节点(102m、E)之间的信道的质量变化；(3)多跳网络(100、400)中业务模式的改变；(4)多跳网络(100、400)中发射模式(例如功率、波束赋形方向)的改变；以及(5)多跳网络(100、400)中资源分配的改变。
文档编号H04W40/28GK103220806SQ20121057660
公开日2013年7月24日 申请日期2003年12月19日 优先权日2003年12月19日
发明者P.拉森, N.约翰森 申请人:艾利森电话股份有限公司