相关申请的交叉引用
本申请案要求由grabowsky等人于2009年09月11日提交的，发明名称为“dynamictransmissioncontrolforawirelessnetwork”的美国临时专利申请案第60/241,854号的权益，在此将此案的全部内容并入本文作为参考。
本发明是关于用于无线网络的动态传输控制。
背景技术：
诸如无人操纵飞行器(unmannedaerialvehicle,uav)的小型无人操纵载具系统(smallunmannedvehiclesystem)可以使用数字数据链接(ddl)通讯完成所述无人操纵载具系统的任务。例如，uav透过ddl传送大量的数据(视频)至地面控制器，有少量的数据被传输到uav。由于无人操纵载具通常是功率约束的，来自uav的ddl数据、视频数据是由功率约束的uav所传输。
此外，很重要的是，许多的ddl信号是实时的。要控制遥控驾驶的载具，操作者接收、检视并处理实时视频，然后实体地反应(即移动控制杆)以传输控制信号到载具，载具依据信号采取行动。这需要在两个方向上的全动态实时数据。
传统系统、wimax和蜂巢式电话可最佳化而不考虑功率约束，且依据信号内的信息本质而不考虑关键的时序约束。在传统系统中，对于高质量的视频而言，时间不是很关键，因此通常会缓冲，以充分利用时间的差距。在uav中，由于对视频信号的响应是关键的，不可能有这种缓冲。在封包语音或视频电话，数据大量的压缩，数据传输速率较低，且不是全动态高质量实时数据。但是在uav，这些数据需要在准备好时快速地传送给操作者，而不是缓冲用于当媒体或协议方便时。
此外，在uav，ddl必须满足一些不存在于传统系统中的操作情境。
因此需要可使飞机和地面装置完成飞机和地面装置的使命的有计划的ddl服务和功能。
技术实现要素：
在一个可能的实施例中，提供一种具有动态传输控制的无线网络，所述无线网络包括多个节点。这些节点包括一仲裁器和多个客户端节点。仲裁器经配置以响应于来自所述客户端节点的频宽请求而控制所述客户端节点的运作，此控制是透过定义通讯运作周期及以每周期为基础分配一频宽给所述客户端节点的每者。
附图说明
参照下述说明、后附权利要求书及随附图式将更为了解本发明的特征及优点，于图式中：
图1是说明范例ddl环境的方块图。
图2绘示网络架构及协议层。
图3a及3b绘示范例ddl对话的节点地址的方块图，所述方块图系从与地面控制站联机的膝上型计算机的观点。
图4a及4b绘示由一个地面控制站控制的一架飞机的仲裁器周期于任务期间的传输槽分配的方块图。
图5a及5b绘示范例视频中继情境的仲裁器周期于任务期间的传输槽分配的方块图。
图6a及6b绘示范例视频中继情境的仲裁器周期于任务的一部分的传输槽分配的方块图。
具体实施方式
在不同的实施例，无线网络有多个节点(操作系统控制的传输器/接收器)，其中一个节点的作用为仲裁器以控制其它节点的运作。仲裁器定义操作周期，每一操作周期划分成一组时间区段。仲裁器还指派网络中的每个节点传输开始时间(一时间区段)和每个周期的传输期间(时间区段数)。仲裁器可以改变每个节点和每个周期(动态)的传输开始时间和期间。节点可以是地面控制站(groundcontrolstations,gcu)、无人操纵载具，如无人操纵飞行器或uav或类似者。在一些实施例，地面站可运作为仲裁器，且uav将是被给予不同传输时间的节点。由于小型uav需要非常缺乏的无线电频谱，取决于节点的瞬间需求以及操作者的需要，透过调整分配到每个节点的频宽，而使得所分配的无线电频谱由多个节点(可能是多个uav和地面系统)有效率地共享。这使得操作者可控制每个uav是要传输全视频、传输降级的视频或静止图像，或不传输任何图像，这可将最想要的传输目的可用的频宽最大化，以及减少较不想要目的的频宽。
图1是说明范例ddl环境10的方块图。在频段x的一个ddl对话15中，ddl环境10整合无人操纵载具uav1和uav2，如飞行器，每者分别包含ddl节点100和300。ddl环境10可进一步整合有人操纵地面站gcu1和gcu2，每者分别包含ddl节点200和300。分别连接到gcu1和gcu2的手持控制器205和405是由操作者使用(未绘示)以产生uav1或uav2的控制信号。可选地，ddl环境10也可整合如膝上型计算机的外部装置210和410，分别实体连接到ddl节点200和300，例如透过以太网络联机215和415。此外，可包括一或多个可选的包含ddl节点500的远程检视终端(remoteviewingterminal,rvt)。在图1中，远程检视终端和/或地面站台可选择包含对讲(push-to-talk,ptt)功能(未绘示)。除了ddl对话15，运作于其它运作频段的其它ddl对话25也可能存在于ddl环境10中。
图1所示的ddl环境10和相关架构是用于说明目的，并允许多个装置、组件或上面讨论的各种对象，或其它装置或对象类型。此外，一些装置、组件或对象可如所要求地合并或省略。例如，地面站台gcu1和手持控制器205可以合并成单一装置。或者，例如，外部装置210可以省略，也可为膝上型计算机以外的装置。
取决于实施例，ddl系统可能包含不同的功能和设计上的限制。在不同的实施例，ddl系统应提供以下部分或全部功能：
●ddl节点应该能够彼此寻址。
●膝上型计算机(或手持控制器)应该能够寻址本地ddl节点。这是地面站台内、膝上型计算机接入的节点。
●膝上型计算机(或手持控制器)应该可以寻址所有的ddl节点(不只是本地ddl节点)。
●膝上型计算机应该能够寻址其它膝上型计算机(接入到其它ddl节点)。
●ddllan应该支持连接到本地ddl节点及广域网络以提供两者之间连接性的路由器。
此外，在各种实施例，ddl系统设计可符合下列部分或全部限制：
●手持控制器是可选的。在没有手持控制器的情况下，本地ddl节点应该能够连接到ddl网络。
●膝上型计算机是可选的。在没有膝上型计算机的情况下，本地ddl节点应该能够连接到ddl网络没。
●应该不需要操作者设置。基本ddl情境可以得到满足而无需操作者预先设定ddl节点。进阶情境可能需要极少的操作者设定。
●应该不需要非标准膝上型计算机软件。正常的操作系统软件足以将膝上型计算机连接到ddl网络。控制飞机需要特殊的软件。
●引入ddl节点或附加外部装置应该不会造成服务中断。
范例ddl情境
下面表1中范例情境的清单代表在各种uav实施例中ddl可操作的各项任务以及部分任务。其它实施例和情境是可能的。部分任务的情境可能出现为多个其它任务的一部分。举例来说，gcs交递情境可能会在经典情境所代表的任务期间发生，在这种情况下，所述两情境会施加规定于ddl设计上。
如表1所示，设想了多个操作ddl网络的情境。某些情境包含整个任务，其它情境包含一部分的任务。某些情境可为许多任务的组件。下列表1的清单是阐明适用于ddl网络设计的功能的情境集合。表1
表1检索表
网络协议层
如图2所示，网络架构包含数个协议层。正如图2所示，ddl网络可以被看作是从最低的实体层到标准的网络层的垂直堆栈。这些层是：
网络层-最高层，在连接到ddl节点的外部装置之间传输以太网络封包。封包具有外部装置用来互相通讯的mac地址。正常的网络通讯量透过一个ddl边缘节点进入ddl网络，并从所有其它的ddl边缘节点出去，这提供了这些外部装置相互通讯的信道。在网络层中，外部装置与其它外部装置通讯。
链路层-中间层，在ddl节点之间传输ddl封包。这些封包有ddl地址，包含识别ddl节点的ddl随机单元识别符(randomunitidentifier,ruid)(有时也称为对话用户识别符(sessionuseridentifier,suid))及识别ddl节点的特定输入/输出端口的ddl端口。
实体层-最底层，处理传输时序和准备调制到rf能量的数据，rf能量由传输器辐射且由多个接收器拦截和处理。
仲裁器
参考图1，每个ddl网络对话15是由ddl节点100、200、300、400或500中的一者协调，ddl节点是以“仲裁器”的角色运作。此仲裁器节点通常安装在uav1或uav2上以受惠于在空中的有利位置。在其它各种网络环境中(未绘示)，例如，在完全基于地面的网络环境，仲裁器可能在有利于、有能力或特别是有效地与其它节点通讯的节点。或者，如果想要的话，仲裁器可在安全位置的的节点中。在图1，uav1中的ddl节点100是以仲裁器的角色绘示。仲裁器的主要职责是排程每个节点可传输的时槽。透过时间排程来进行通讯信道的共享称为“分时多任务存取”(timedivisionmultipleaccess,tdma)。
仲裁器100控制客户端节点200、300、400及500的每者的频宽。仲裁器100设定每个节点200、300、400及500的频宽。如果节点200、300、400及500的任一者不需要仲裁器100分配的频宽，仲裁器将频宽给节点200、300、400或500中的另一节点。仲裁器调整频宽分配。这使得仲裁器100可基于节点100、200、300、400及500的每者的需要分配大频宽给一个节点，小频宽给另一节点。因此，仲裁器100控制网络对话15的所有通讯。
此外，所有的通讯是在ddl节点200、300、400或500与仲裁器100之间。一般来说，仲裁器100是在飞机里，但是节点200、300、400或500的任何一者可为仲裁器。仲裁器100可在地面上，但通常置于飞机上，因为飞机有最好的视线用于传输无线信号。如图1所示，在另一飞机uav2中的节点300可以透过飞机uav1中的仲裁器100中继到其它节点200、400或500。在此实施例，除了作为仲裁器，ddl节点100可能也有它自己的对话视频、载具控制数据或其它数据用以通讯。因此，ddl节点100也在仲裁器100参与频宽分配。
在传统的tdma的应用中，使用预定的周期。在本案的不同实施例，仲裁器100可设定固定周期进行传输，但仲裁器100可依据对话15的频宽需求改变分配给每个节点200、300、400或500的频宽。仲裁器100不会被锁定在预定的周期中。每个节点200、300、400或500的频宽可以在每次传输时改变。如何分配频宽是由仲裁器100决定。如果有低频宽的数据，例如只有语音数据时，仲裁器可以建立类似tdma的较有结构的网络。如果数据需求改变，仲裁器100可以改变频宽分配。例如，有时仲裁器100可能需要高频宽以发送新视频的完整讯框至地面站台gcu1，或此后仲裁器100可能只需要发送低频宽增量视频到地面站台gcu1。随着数据量的变化，仲裁器100可以改变到每个节点200、300、400和500的分配量。仲裁器100可响应在对话15的数据传输需求。
节点寻址
图3a及3b绘示范例ddl对话16的节点地址的方块图，系从与地面控制站gcu1联机的膝上型计算机1的观点。图3a是方块图，绘示随机单元识别符(randomunitidentifier,ruid)以及ddl节点100、200、300、400及500的特定输入/输出信道或端口。对于ddl节点100、200、300、400与500之间的通讯，随机单元识别符(ruid)(有时也称为对话用户识别符(suid))以及特定输入/输出信道是以ddl端口号指定：01为ddl控制、11为以太网络、21为串行通讯、31为低电压差分信号(lvds)以及02为仲裁器。
对于通讯，膝上型计算机所连接的地面控制站的ddl节点将已知ddl节点映像至ip端口号的范围，以允许在膝上型计算机上的软件使用传统ip地址和端口号对来寻址ddl节点。图3b绘示由地面控制站ddl节点200于网络对话16中映像已知网络节点100、200、300、400与500的方块图。膝上型计算机1210连接由膝上型计算机1210使用的ip端口号范围。这使得在膝上型计算机1210上的软件使用传统ip地址和端口号对来寻址ddl节点。传统ip地址(xxx.xxx.xxx.xxx)和基本端口地址是由gcl1ddl节点200产生以提供给膝上型计算机1210。ddl网络表202显示传统ip地址(xxx.xxx.xxx.xxx)与基本端口地址(即50000、50100、50200、50300和50400)的例子，基本端口地址是由gcl1ddl节点200指派以提供给膝上型计算机1210用于对话16。ddl节点200使用图3a所示的ruid地址和端口号与其它ddl节点100、300、400和500通讯。
参考图3a，在这个例子，仲裁器101和uav1系统102分别有不同的ruid地址0和47034。因此，仲裁器101和uav系统102指派不同的基本端口50000和50100。
注意图3b的例子中，ddl节点500是被动的听者，因此不可由膝上型计算机1210寻址，因此不会出现在网络表ddl202。在其它实施例中，rtv500可能是可寻址的。类似地，在这个例子中，膝上型计算机2410是不可寻址的，但在其它的实施例可能可以。例如，在一些实施例，rtv500或膝上型计算机2410可能是可寻址的以传送文字或其它消息。
参考图3b，有膝上型计算机连接的每个ddl节点为各自的膝上型计算机产生自己的ddl网络表(未图示)。因此，不同的ddl网络表(未绘示)将由gcu2ddl节点400产生用于膝上型计算机410。
消息和封包
ddl消息在ddl节点之间传达指令。频宽分配策略管理ddl节点如何共享rf信道以与其它ddl节点通讯，并支持与外部装置的连接和外部装置之间的连接。ddl节点之间的通讯是以具有特定标头信息和消息内容的小的封包集合传达。ddl节点透过表2中描述的消息相互通讯。注意到这些消息中的一者携有来自外部装置的数据。
参考图1，在各种实现中，每个节点200、300、400或500向仲裁器100请求各自需要的频宽量。正如表2所示，节点200、300、400和500请求各自所要求的频宽(所要求的频宽)，及请求最低频宽(请求频宽)。此外，在不同的实施例中，因为某数据可能有与所述数据相关联内在大小，节点200、300、400和500可以请求服务间隔(使用时槽开始和时槽期间发送更多的数据之前的最长等待时间)，并请求想要的分配频宽。根据这些请求，仲裁器100以节点200、300、400和500的每者控制频宽。
表2–ddl消息
表2的消息是以ddl封包传送，表2的消息还包括表3所示的字段。ddl消息包括表3所示的字段以协助接收器。
表3-ddl消息控制字段
范例情境和消息
一飞机和一gcs
(图4a和4b)
图4a及4b绘示由一个地面控制站(gcu)控制的一架飞机的仲裁器周期于任务期间的传输槽分配。在简单任务通讯情境600中的此范例通讯中，操作者激活一uav和一gcu、进行飞航前检查、起飞、飞行到有兴趣的区域、观察这些区域、飞回基地并降落。
在此情境600中，在方块610，飞机侦听以决定是否有对话正在进行，并于没有对话正在进行时，在此接收地理区域，透过担任此信道的仲裁器的角色激活仲裁器对话。仲裁器对话已准备好接收可能在任何时间签入的任何uav和gcu。仲裁器将于讯框620(讯框1)分配最高频宽给方块624用于uav下行视频流。这是因为最初时信道上唯一其它的要求相对较低：飞行指示从gcu1到飞机的上行链路及仲裁器分配的争用时槽625以用于新节点的签入及频宽请求。
gcu侦听仲裁器，并在讯框630(讯框m)加入对话以取得频宽分配。在讯框630(讯框m)，gcu1于争用时槽635发出请求636，并在讯框640(讯框m+1)控制uav，将于任务期间保留请求636。
由gcu1的请求636于讯框640(讯框m+1)被授予时槽646，gcu1于争用时槽645发出指令647。指令647于讯框650(讯框m+2)被授予时槽657。gcu1于争用时槽655发出指令648。gcu1发送指令数据657，但并不需要整个时槽657，致使仲裁器于650e结束讯框650并开始下一讯框660(讯框m+3)，其中指令658被授予时槽667。仲裁器提供争用时槽665用于新的请求。
调至此信道并具有用于此对话的正确加密密钥的rvt可检视自uav1传输下来的视频。
视频中继：二飞机和一gcs
(图5a和5b)
图5a及5b绘示范例视频中继情境700的仲裁器周期于任务期间的传输槽分配。在这个例子中，操作者利用一uav1作为“中继”以与第二远程“传感器”uav2通讯。传感器uav2不能与gcu1直接通讯，因为传感器uav2不是在gcu1的无线电范围之外，就是不在gcu1的视线内。操作者首先激活gcu1和中继uav1，并让中继uav1飞行到中继站，当中继uav1到达时中继uav1计划的操作区域时，中继uav1可从中继站与gcu1及传感器uav2通讯。然后操作者激活传感器uav2，让传感器uav2飞行到中继站并操作传感器uav2。在完成任务后，传感器uav2会先恢复，接着是中继uav1。当中继uav1的电量快耗尽时，可透过缓解中继uav1来达到延长中继的任务期间：描述于中继缓解情境图6a和6b中。
在首次激活时，中继uav2没有侦听到进行中的对话，并在可接收的地理区域内透过担任这个信道的仲裁器的角色来开始中继uav2自己的对话。仲裁器对话准备好接收可能在任何时间签入的额外的uav和额外的gcu。显示于讯框710(讯框m)，gcu1正在控制uav1，而uav1正在传输在时槽714的高频宽视频。仲裁器将首先自仲裁器的uav1分配最大频宽至视频时槽714至下行链路视频流，因为仅存在信道上的其它要求是从gcu1到uav1的飞行指令716上行链路，及仲裁器分配给新节点签入及请求频宽的争用时槽725机会，绘示于讯框720(讯框m+1)。这种分配在中继uav1飞往中继uav1的中继站时亦继续进行。
当中继uav1在空中时，操作者可激活传感器uav2进行飞航前检查、起飞、飞行到传感器uav2运作的区域。当激活时，传感器uav2听到中继uav1进行的现有对话，签入并以请求726请求高频宽以支持传感器uav2的视频流。在这个例子中，在讯框720(讯框m+1)，仲裁器于时槽725邀请新的请求，uav2请求中等频宽视频726，但中等频宽视频726超出了能力。仲裁器在此前已授予最大频宽给在724的中继uav1视频，仲裁器现在必须调整频宽分配，以满足传感器uav2的请求。仲裁器根据当时有效的频宽政策来调整频宽分配，通常会减少现有数据流的分配和授予分配给传感器uav2。用于传感器uav2视频流的分配将设定为认知到中继uav1有接收传感器uav1数据流和重新传输的需要。
在讯框730(讯框m+2)，gcu1于时槽737控制uav2并发送引导指令。在讯框740(讯框m+3)，uav2分别于时槽748和749传输遥测和非常低频宽的视频。在讯框750(m+4)，gcu1指示uav1于时槽757降低到最小频宽。在讯框760(讯框m+5)，uav2分别于时槽768和769传输遥测和中等频宽的视频。在讯框770(讯框m+6)，uav2传输遥测778和视频779，但并不需要整个时槽775，因此讯框770(讯框m+6)结束于770e。仲裁器早早激活下个讯框780(讯框m+7)。在讯框780(讯框m+7)，gcu1于时槽787发送引导指令给uav2。在讯框790(讯框m+8)，uav2分别于时槽798和799传输遥测和中等频宽的视频
仲裁器控制对话，因此，仲裁器于讯框710授予gcu1频宽。仲裁器于讯框720邀请新的请求。在讯框730，仲裁器授予gcu1频宽。在讯框740，仲裁器授予uav2可用频宽。在讯框750，仲裁器授予gcu1频宽。仲裁器于讯框760和770授予uav2中等频宽。然后，在讯框780，仲裁器授予gcu1频宽。此后，仲裁器再次于讯框790授予uav2中等频宽。
调至这个信道并具有此对话的正确加密密钥的rvt可以检视自中继飞机传输下来的视频。
中继缓解：二飞机/二gcs
(图6a和6b)
图6a及6b绘示范例视频中继情境的仲裁器周期于任务的一部分的传输槽分配800。在这个例子中，当新的飞机uav2缓解中继飞机uav1时，仲裁器的传输时槽分配会循环(cycleover)任务的部分。操作者使用一架飞机作为“中继”来与其它飞机或gcu通讯，而中继飞机已达到耐力极限。操作者激活uav2并让uav2飞到中继站，在那里从中继uav1下载对话消息，并承担仲裁器的工作。
在讯框810(讯框m)，仲裁器于时槽816授予gcu1频宽，gcu1于816为gcu1的外部客户端从外部客户端转发数据至gcu2。在讯框820(讯框m+1)，仲裁器于时槽826授予gcu2频宽。gcu2于826为gcu2的外部客户端从外部客户端转发数据至gcu1。在讯框830(讯框m+1)，仲裁器邀请新的请求，因此uav2在已开启并侦测进行中的对话的情况下等待争用时槽835，然后在时槽836请求传输uav2遥测的频宽。在讯框840(讯框m+3)，仲裁器授予uav2频宽且uav2于时槽846传输uav2遥测。
在讯框850(讯框n)之前，uav2起飞并攀升到站台。在讯框850(讯框n)，仲裁器授予gcu1频宽，在856，gcu1指示uav2担任仲裁器。在讯框860(讯框n+1)，在uav1中的仲裁器授予uav2频宽，在866，uav2请求在uav1中的仲裁器放弃对话仲裁器的角色。在讯框870(讯框n+2)，在uav1中的仲裁器没有授予分配时槽，因为在uav1中的仲裁器于时槽876发送uav1仲裁器表，以允许uav2在不强迫客户端再次签入的情况下担任仲裁器的角色。在讯框880(讯框n+3)，uav2担任仲裁器的角色并授予gcu2频宽，gcu2为外部客户端于896将数据从外部客户端转发至gcu1。在讯框890(讯框n+4)，uav2中的仲裁器授予gcu1频宽，gcu1为外部客户端于896将数据从外部客户端转发至gcu2。
值得一提的是，任何提及“一个实施例”或“一实施例”是指该实施例中描述的一个特定功能、结构或特征可能包含在一个实施例中，如果想要的话。词语“一实施例”虽然出现在说明书中的各个地方，但不一定都指相同的实施例。
本文提供的说明和实例系用于解释目的，而不是为了限制后附权利要求书的范围。本揭示案旨在提供本发明的原则的实例，而不是为了限制本发明的精神和范围及/或说明实施例的权利要求书。
熟习本技术领域者可针对本发明的特定应用而对本发明进行修改。
包括在本申请案的讨论旨在提供基本的描述。读者应该知道，本文具体的讨论没有明确描述所有可能的实施例且替代实施例是隐式的。此外，此讨论可能无法完全解释本发明的通用本质，且可能没有明确说明每个功能或组件实际上如何作为代表或等效组件。再次说明，这些都隐式地包含在此揭示案中。本发明是以装置导向的术语来描述，装置的每个组件隐式地执行一个功能。还应该了解，在没有偏离本发明的本质的情况下，可能有各种各样的变化。这种变化也隐式地包含在此揭示案中。这些变化仍属于本发明的范围。
此外，本发明及权利要求书的每个不同组件也可以各种方式达成。本揭示案应理解为包括每个这样的变化，无论是任何装置实施例的变化、方法实施例的变化、甚至仅仅是任何组件的变化。特别是，应该了解，当本揭示案涉及发明的组件时，即使只是功能或结果相同，每个组件应以等效的装置术语表示。这种等效、更广、甚至是更通用的术语应该被认为是包含在每个组件或动作的描述中。可在所要求之处替换这些术语，以使本发明包含的隐式宽广范围明确。应该了解，所有的动作可能表现为用于执行该动作的构件或致使该动作的组件。类似地，揭示的每个实体组件应被理解为包括揭示该实体组件所辅助的动作。这种变化和替代术语应理解为是明确包括于本说明中。
本发明已以数个实施例来描述，对于熟习本技术领域者而言，肯定建议了类似更改。范例实施例不是用于限制，不同的配置和功能组合是可能的。因此，除了后附权利要求书的要求外，本发明不限于揭示的实施例。