用于无线网状网络的联合频道及路由分配的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用和优先权
[0002] 本申请要求于2012年5月17日提交的发明名称为"Distributed化int化annel and Routing Assignment for Multimedia Wireless Mesh Networks"的美国临时专利申 请No. 61/688, 573的优先权及其权利，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明主题主要设及无线网状网络（WMN)，尤其设及考虑网络通信量（traffic flow)为WMN作出联合频道及路由分配。
【背景技术】
[0004] WMN是一种由射频节点组成的组织成网状拓扑结构的通信网络。WMN通常可自组 织并且可自配置，还具有低成本、易部署和/或高可靠性等优点。由于该些优点，WMN可W 具有重要的商业应用价值。例如，WMN可W被用作社区无线网络W向住户提供宽带因特网 接入。
[0005] 多射频多频道（MRMC)WMN是一种多跳通信网络，其由可W在不同频道上传输和/ 或接收数据的射频节点（例如，IEEE 802. 11射频节点）构成。例如，在MRMC网络中，节点 经过不同的正交频率频道来与相邻节点通信，从而同时传输和接收数据。因此，MRMC WMN能 够比传统单频道单射频WMN获得高的系统吞吐量。所W，MRMC WMN在学术界和商业界都引 起了兴趣。
[0006] MRMC WMN的吞吐量会被干扰显著地影响。MRMC WMN中的频道和路由分配会引起或 加剧该种干扰。不幸的是，解决路由和频道分配的问题很复杂。因此，典型地，频道和路由 分配被独立地而非联合地执行。在一些路由的传统方法中，通过多个跳点来路由源节点和 目标节点之间的路径。很多路由算法采用最短路径优先方法来分配在源节点和目标节点之 间的路线。该些算法考虑跳点距离、期望的传输时间和/或期望的传输次数。还有其他方 法执行独立于路由分配的频道分配，并随后执行联合速率分配和多径路由，该导致高复杂 度和计算效率的降低。不幸的是，其他算法忽视了通信流量负载（traffic load)在网络干 扰上的影响或者不适于通信流量负载的变化。还有其他算法需要在节点间具有高精度的时 钟同步。该些算法需要根据同步的时间时隙要求选择路由和频道，由于商品的成本原因，该 种要求经常是不现实的。而且，大量算法受到集中式运算所限，并且不能扩展到分布式环境 中。因此，需要一种考虑了通信流量的低复杂度联合频道及路由分配的系统、设备和方法。
【附图说明】
[0007] 图1是根据本发明描述的一个或多个实施例的示例性非限制MRMC WMN的示意图， 其中可W实施考虑了通信流量的联合频道和路由分配（CRAFT)。
[000引图2是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用了联合CRAFT的MRMC WMN中 干扰的示例性非限制示意图。
[0009] 图3是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用了联合CRAFT的示例性非限制 链路干扰模型。
[0010] 图4是根据本发明描述的一个或多个实施例的可W执行联合CRAFT的在MRMC WMN 内的示例性非限制节点的框图。
[0011] 图5、图6、图7、图8、图9和图10是根据本发明描述的一个或多个实施例的联合 CRAFT系统的操作方法的示例性非限制流程图。
[0012] 图11是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和传统的路由和/或频道分配方法的丢失率和每单位通信流量的关系的示例性 非限制曲线图。
[0013] 图12是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和传统的路由和/或频道分配方法的累积百分比和丢失率的关系的示例性非限 制曲线图。
[0014] 图13是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和传统的路由和/或频道分配方法的累积用户数据报协议扣D巧丢失率和节点数 量的关系的示例性非限制曲线图。
[0015] 图14是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和传统的路由和/或频道分配方法的累积UDP丢失率和算法运作次数的关系的示 例性非限制曲线图。
[0016] 图15是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和传统的路由和/或频道分配方法的平均端到端延时和每单位通信流量的关系 的示例性非限制曲线图。
[0017] 图16是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和路由的传统的路由和/或频道分配方法的总传输控制协议（TCP)吞吐量和每单 位通信流量的关系的示例性非限制曲线图。
[001引图17是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和传统的路由和/或频道分配方法的累积分布和每单位流量的TCP吞吐量的关系 的示例性非限制曲线图。
[0019] 图18是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和传统的路由和/或频道分配方法的UDP丢失率和通信流量数量的关系的示例性 非限制曲线图。
[0020] 图19是根据本发明描述的一个或多个实施例的采用联合CRAFT-TP、联合 CRAFT-RD和传统的路由和/或频道分配方法的总TCP吞吐量和通信流量数量的关系的示例 性非限制曲线图。
[0021] 图20是根据本发明描述的一个或多个实施例的可操作使用联合CRAFT的示例性 非限制计算机框图。
[0022] 图21是根据本发明描述的一个或多个实施例的能够使用联合CRAFT的示例性电 子设备框图。
【具体实施方式】
[0023] 下面的详细描述仅是说明性的，并无意限制本实施例、或其应用及使用。此外，在 前面技术领域或【背景技术】部分、或在W下的【具体实施方式】部分提出的任何明示或暗示的理 论也并非旨在进行限制。
[0024] WMN已经越来越多地用于承载具有流需求的多媒体通信。MRMC WMN的性能在很大 程度上依靠路由和频道分配。因为路由和频道决定是相互依存的，理想地，分配应该被联合 地优化W获得最好的性能。该就是所谓的路由及频道分配（路由及频道分配）问题，其被 认为是NP难度的。没有在考虑了网络中多媒体通信需求的联合路由和频道分配优化上有 足够的考量。
[0025] 由于前述的缺点，本发明描述了为ad-hoc网络提出了联合和分布式路由和频道 分配的系统和方法。一个目标函数被设计为恰当地描述由MRMC WMN中的通信流的干扰导致 的网络吞吐量W合作地和分布地提高网络性能。由此，目标函数的优化可W达到MRMC WMN 的最大吞吐量。采用目标函数可分布的和合作的方法优化路由和频道分配。
[0026] 本发明描述的实施例包括为MRMC WMN使用联合CRAFT的系统及其方法。为了优 化的联合CRAFT,可W只分布地使用MRMC WMN中的节点来执行联合CRAFT ;或者，在一些具 体实施例中，为了优化的联合CRAFT,可W集中地使用一个执行计算并与MRMC WMN中的节 点通信信息的中央控制器来执行联合CRAFT。采用联合CRAFT-TP和/或联合CRAFT-RD，本 发明描述的一个或多个实施例能够优化联合频道及路由，该优化通过由MRMC WMN内的节点 之间的消息交换来持续改进联合频道及路由分配，直到贯穿网络覆盖范围的分配达到产生 优化的目标函数的状态。
[0027] 例如，在一些实施例中，一种方法包括通过具有处理器并位于具有多个节点的网 络中的第一节点来为该第一节点决定所产生的联合频道及路由分配信息。产生的联合频道 及路由分配信息是至少基于与网络中通信干扰影响的吞吐量相关的预定条件。该些实施 例中，节点考虑了受具有各种不同频道及路由分配的通信流的干扰影响的吞吐量，并重复 更新所述联合路由及频道分配信息直到获得吞吐量的最优值。联合CRAFT-TP和/或联合 CRAFT-RD能够被节点采用。选择给定了网络中的通信的最优吞吐量相关的联合路由和频道 分配。该方法为分布式的解决方案，其利用在网络中的一个或多个节点之间交换的信息，为 网络生