专利名称：用于分布式电信网络的路由算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及分布式电信网，更具体地说，涉及通过这些分布式电信网的信号路由。
本发明可应用于无线网络的收发站中，在无线网络中随机分布的位置处配置了多个这样的站，并且其中由这些站本身通过对网络中各站之间的呼叫进行路由来实现电路或者分组交换，其中在必要时利用网络中的其它站来转发这些呼叫。
本发明还可与因特网路由一起使用，其中多个路由器、桥以及网关执行与转发信息分组类似的功能。
在很多国家，尽管有供城镇和一些主要乡村使用的电话业务，但大多数人口不能有效使用电话。这些国家需要这样的电话网密度几乎所有人口生活在仅距公用电话几公里的距离。然而，这可能要求安装包括大量间隔很开的电话的网络，如果使用传统的有线电话系统，则这会因价格昂贵而无法使用。S.A.G.Chandler、S.J.Braithwaite、H.R.Mgombelo等人的论文“用于发展中国家的分布式乡村无线系统”(Fourth IEE Conference on Telecommunications，IEEConference Publication No.371，April 1993)中描述了一种乡村无线电话系统，此系统因其无交换网络结构，非常适合向间隔很开的站点提供基本电话业务。
这种无线电话系统使用协同操作的无线节点构成的网络，该网络不需要中心交换机或者互联基础设施。每个节点由包括两个单信道数字收发信机的收发站、至少一个电话接口和包含实现用于实现所需通信控制的协议的软件的控制器。这些节点之间的链路是电话业务中双工语音所需的固定容量链路(这与分组交换或者统计复用链路相反)。每个收发站包括太阳能供电的与一个或多个电话相连的数字无线单元。合理范围之内的呼叫(在合理的有利地形中50公里左右)通过站站之间的直接通信进行。不过，超过这个范围，呼叫必须由呼叫时网络中其它未使用的站转发。网络服务区域外的呼叫，或者需要过多跳数的呼叫，可能通过网关节点路由到公用业务电话网。
国际出版的专利申请NO.WO 97/13333披露了一种无线电话系统，其中每个收发站包括呼叫路由控制单元，用于为呼叫转发目的选择源站至目的站的呼叫将要发送到的另一站。呼叫路由控制单元发送由网络中发送站范围内将由其它站接收的询问信号，每个其它站的路由控制单元响应接收到的询问信号，在该站可用于转发呼叫时，发送确认信号，经延迟之后发送的确认信号表示该站适合向该呼叫的目的站转发该呼叫。接着，发送站的呼叫路由控制单元根据接收自延迟最小的站的确认信号，选择转发该呼叫的站。关于这个方面，还可参考S.A.G Chandler和J.Ni的论文“分布式乡村无线电话网分析和仿真”(Fourth European Conference on Radio RelaySystem，11-4 october 1993，Conference Publication No.386)。
本发明的目的是提供用于如上所述的分布式电信网的改进路由算法。
根据本发明，提供一种用于电信网的收发站，在该电信网中随机分布的位置处配置了多个这种收发站，该电信网中还提供路由装置，用于对网络中各站之间的呼叫进行路由，其中在必要时利用网络中的其它站来转发这些呼叫。所述站包括呼叫路由控制单元，用于为了呼叫转发目的而选择呼叫将要传送到的一个其它站并包括(a)存储装置，用于为多个可能的目的站以及从接收自网络中其它站的信息，存储有关可能适于将呼叫转发到目的站的其它可能站点的信息；(b)汇编装置，用于在存储装置中汇编有关可能适于将呼叫转发到目的站的其它可能站点的信息，所述汇编装置适于检测由所述其它站向网络中别的站发送的信号，以便更新存储装置中的信息；(c)询问装置，用于发送由发送站范围内网络中至少一个其它站接收的询问信号；(d)确认装置，响应从另一站接收的询问信号，在该站可用于转发呼叫时发送确认信号；以及(e)站选择装置，以根据收到的确认信号选择将呼叫转发至目的站的另一站，该确认信号来自存储装置判定为适合将呼叫转发至目的站的站。
如果存在一条极其可能的路由时，这种方法能够在节点之间找到路由，且实现迅速，只需要很少的信息交换。
呼叫路由控制单元最好包括优先权装置和站选择装置，优先权装置用于在存储装置根据接收自其它站的信息，判定为适合将呼叫转发至特定目的站的其它站中建立优先权；站选择装置择优地选择可用于转发呼叫的具有最高优先权的站作为转发呼叫的站。最可取的是，这种优先权建立在使到目的地的成本最小的基础上。这种成本可估计为从中继站接收的所有这样的成本数字可能经时间加权的最小值，作为以前消息或呼叫期间源自目的站的分组内的字段。分组内成本字段中的值是累加值，当按照依赖于例如拥塞或延迟的因素的常(没有一般性一致的损失)量或者变量转发分组时，该值增加。如果使用常量，这将把有待最小化的成本定义为将呼叫转发至目的站过程中所涉及的站的数目。
为了更容易理解本发明，本发明的实施例将参照附图通过示例加以描述，附图中
图1是分布式电路交换电信网的说明图；图2是这种网络中的收发站框图；图3、4和5是说明这种网络中呼叫路由方法的说明图；以及；图6是说明这种网络中各站之间数据分组传送的说明图。
图1显示假设的分布式电路交换无线电信网中节点的位置，该网包括一系列随机分布的固定节点1，收发站位于这些节点处。除了网络节点1，还显示了几个网关节点2，它们提供对公用业务电话网3的访问，在公用业务电话网中，通信以传统的方式通过有线链路，在集中式交换机的控制下进行。如图中虚线4所示，呼叫可在网络节点1之间，或者网络节点1和网关节点2之间，要么在节点彼此足够接近时直接进行，要么通过用于转发呼叫的其它节点1进行。
图2是收发站6的框图，收发站6包括两个发射/接收天线7、8，两个单信道数字收发信机9、10，至少一个电话接口11、12以及相关电话13、14，收发信机接口15和用于实现网络内各站之间通信控制的控制单元16。每个站6可用于终结多至两个呼叫，这两个呼叫使用电话13、14同时进行，或者可选地，通过同时使用两个收发信机9、10转发单个呼叫，从而在两个方向接收和重发呼叫信息。尽管在区域足够小以致时间偏差不会引发问题时可使用时分复用，但收发信机9、10一般使用单独的频率信道。尽管在某些情形下可以使用更多数目的信道，但一般从200个可用信道集合中选择两个信道。
来自发出到目的站D的呼叫的源站的呼叫路由，由合适的路由算法控制，该算法通过源站和目的站以及用于转发呼叫的任何其它站的控制单元之间的合作而实现，这利用了在这些站之间传送的路由分组。路由算法建立从源站S开始到目的站D结束的一系列通信链路，如果目的站D不在源站S的单跳范围内，则利用迭代过程。
在抽象术语中，路由问题可以通过有向图描述，有向图的节点就是网络中的站点，连接它们的弧线具有关联的成本或者量度。问题是找到由源点到目的点的这种路由循着这些弧线的方向或对该路由的试探性逼近得到的成本最低。如果存在由x到y的一条弧线，如果总是存在由节点y到节点x的一条弧线，并且如果相关成本相同时，则网络是互易网络，可以用非定向图表示。如果有待最小化的成本为跳数，使弧线成本都为1，则这将是所述无线系统的情形。
图3说明一种对这种路由的已知简单试探性方法，该方法包括在每一迭代阶段，确定离目的站D最近的前一站的无线范围内的站。如果最近的站不比路由中所用的前一站近，那么路由被阻塞。如图中所示，这种可以称之为直接路由的已知方法，通过两个中间站20和21转发呼叫，与源站S和站20和21相关的无线范围用虚线22、23和24表示。
尽管存在后叙的实现直接路由算法的其它方法，现在将要描述以前路由控制单元的各个站使用先有技术方法实现这种路由算法的方式。前一站的控制单元将以CQL消息广播询问信号，该询问信号将由范围中所有可用于转发的站接收。如果该询问信号由目的站D接收，目的站的控制单元提供立即确认信号，以表示呼叫可由前一站直接转发至目的站。其它接收询问信号的站提供确认信号，该信号在一个延迟以后被发送，该延迟随着该站与目的站D之间距离的增加而增加。这种延迟量由每个站根据该站离目的站D的距离计算，而该站离目的站D的距离由存储于该站中的其它站的位置列表确定。前一站一旦收到来自另一站的确认信号，它就向选中的站发送确认信号。范围内其它离目的站D较远的其它站(确认之前提供较大延迟的)，也将接收确认信号，从而将被禁止确认该询问信号，这样可避免呼叫信道上的不必要拥塞。
另一种如图4所示的路由方法，可称之为扩散式路由，它也使用迭代过程。在这种情形中，源站S的控制单元将以CQF消息形式广播询问信号，该询问信号将由范围中所有可用于转发的站接收，并且每个接收站将记录发送站的身份，它本身将以CQF消息形式广播包含其自己身份以及源站和目的站身份和迄今为止的路由累积成本的询问信号。严格地讲，在非互易网络中，为从x到y的每一路由步骤求和得到的成本应当为从y到x的逆成本。在非互易连接，即有从x到y的弧线，但反方向没有的情形下，所谓的马可波罗(MarcoPolo)路由(如下描述)从不会选择这样的路由。在真实的网络中，这只在一个方向中的链路失败的情况下才发生。在那种情况下，通过完全避开该链路，损失就会很小。范围中各站的登记CQF消息(除非之前它已登记该消息)以及广播它自己的询问信号的迭代过程将继续，直到目的站D收到询问信号，此时将利用到路由沿线各站所记录的前面的站的反向链路，完成源站和目的站之间的呼叫路由。
图4显示这种方法应用于通过两个站25、26转发呼叫，以及还显示通过另一站27从源站S接收询问信号，通过另一站28从站25接收询问信号，通过另一站29从站28接收询问信号。这种扩散路由的缺点是范围内所有可用站将针对每个呼叫，发送CQF消息，导致呼叫信道拥塞。为了限制因冲突而损失的路由分组数，必须对路由分组发送速率加以限制，这导致该方法建立呼叫很慢。如果成本就是跳数，有可能允许扩散的每一跳有充分的时间在下一次开始之前完成。对于其它成本函数，如果节点通过接收到具有比其自己的CQF消息所基于的值更低值的CQF消息从而降低其成本，则必须为节点留出容限，以便重发它们的CQF消息。然而，该方法具有这种理论优势它是寻找成本最低路由的Bell Ford Moore算法的一种实现，在本情形中，是寻找具有最小跳数的路由。因此，它将不会错过任何可能的路由，除非呼叫信道拥塞如此高，以致路由分组丢失。即使出现这样的拥塞，路由将会找不到几乎是不可能的(尽管找到路由可能比所需要的稍长一些)，这只可能出现在极其稀疏的呼叫信道业务很少的网络中。
在如图5所示的另一路由方法中，可以为其使用术语马克波罗路由，网络中的站在它们的存储器中记录可能在网络中各站彼此之间的呼叫中用作下一中继站的站的有序列表(马克波罗路由表)。(这种表达引用这个事实中世纪的探索者应该是靠来自中国的那些旅行者的报导找到通往中国的路径的)。此表不是静态路由表，而是由串音路由的站或者由各站转发的从源站到目的站的其它信号产生并不断更新的。如果某站具有比表中现有表项更低的累加值，则它被加入到马可波罗路由表中，作为向串音信号的源站转发呼叫的一种选择。这样，不管串听呼叫路由的方法是什么，马可波罗方法总是趋于得到一个最小成本，不像扩散路由，它不保证搜索到所有可能的路由，从而在理论上可能锁定在某个只是局部最优的路由中。然而，这不可能对性能有重大影响，因为任何路由失败将导致调用扩散路由。
成本函数的选择可能是使来自源站S的呼叫的路由所需的跳数最小化(使用马可波罗路由时，它可能是将呼叫路由到目的站的跳数)，但可以基于一些其它的因素，例如通过该站进行呼叫的过程中可能碰到的最小总延迟、链路上的差错率或者拥塞度的某种量度。判断可以基于这些因素中的任意一种或者其它因素，或者基于相组合的几个这种因素。作出此判断所需的一些信息、自源站开始的累加成本，必需在所有路由分组(CQS，CQF以及CQT)中发送。
因此，参考图5，站33检测由站32发送的路由分组，表示它试图建立呼叫，其中，站32在将呼叫从站30转发至站31的过程中充当中继。作为这种检测的结果，站33在它的马可波罗路由表中建立表项，以致任何到站30的呼叫可以有效地通过站32路由。以这种方式，每个站可以在其马可波罗路由表中建立表项列表，表示其范围内可用于将呼叫转发至其范围之外其它站的那些站。
上述路由方法没有一种适合所有情形。例如，直接路由的缺点在于，通过这种方法不可能找到所有可能的路由，其结果是，如果路由到达进一步的路由被阻塞的死端，例如由于存在地形障碍或者只是因为特定区域中节点密度低，使用这种方法定位备选路由可能是困难的，或者不可能的。而且，任何使用回溯修改的路由(例如WO 97/13333中所披露的那样)有可能很慢(因为缺乏时隙)，致使拥塞呼叫信道上的性能下降。而且，如果站点位置目录中特定站的位置项输入错误，则直接路由可能完全失败。扩散路由在忙碌的网络中引起拥塞，而马可波罗路由依赖另一路由算法建立其表格。该路由算法不必是最优的，但如果它是，则马可波罗路由表的更新速度和效率都将得以提高。一种好的试探性算法或者甚至完全随机的选择就足够了，只要它足够随机以致不会将可能的路由排除在它的搜索之外。
因此，推荐的路由方法利用相结合的直接路由、扩散路由和马可波罗路由的组合。应该理解，在该方法的最佳实施例中，网络内的每一站包括存储器，它由有关呼叫范围内网络中其它站的信息定期更新，比如站活动状态(呼叫是否正在开始、终结抑或转发)，突发模式中协定的站工作频率，站的信号强度等。在呼叫建立或者清除时(当接听站自己不参与呼叫时)，该信息由接听其它站发送的信息的站核对。可能在各种条件下利用NNT表中的信息，例如，用于在根据NNT表的表项看显然某站在忙时禁止呼叫该站。此外，NNT表中信息可用于发起特殊的呼叫中断功能(如之前引用的WO97/13333中所述)，允许对正由其它站转发的呼叫被重新路由，以使该站能够用于新的呼叫。尽管存在一些共性，但NNT表与前述的马可波罗路由表明显不同。表NNT具有只针对在站的直接无线电范围内的那些站的表项，而马可波罗路由表具有针对网络中所有站的表项。马可波罗路由表中的所有表项将包含NNT表中的站数。尽管马可波罗路由表是实现所提议路由方法所必需的，但表NNT任何时候却具有改善算法性能的特性。
在所提议的路由方法中，已经描述的扩散和直接路由方法以及串听第三方马可波罗路由分组，它们都用于在各站存储器内汇编可能路由的马可波罗路由表中针对各站的表项，这些可能路由可用于将呼叫转发至该站。所提议的实现直接路由的方法不同于针对现有的已知先有技术方法的描述，这将在下面将看到。应该注意，使用直接路由决不是强制的。在某些情形中，例如包含位置信息的目录不可用时，它可以由其它试探性算法或者随机选择代替，或者简化为只剩下扩散路由，而不会影响这种方法的生命力。然而，这将会影响总的性能。应理解，在站已开始运行并投入使用后，该站将收到来自范围内其它站发送的信号，并且将逐渐在马可波罗路由表中建立关于可用于向网络内其它站转发呼叫的站的表项，直到该表包括两个或者多个针对网络中站列表内各站的表项，这些表项给出两个或者多个备选的可用于向该站转发呼叫的相邻站的细节。
当存储器中包括这种汇编的马可波罗路由表的源站S(或者已经选中的用于转发来自源站S的呼叫的站)要向目的站D发起呼叫时，首先向目的站D发送分组，以明确它是否在范围之内，并且如果该站没有完全忙于转发、发起其它呼叫或者终结其它呼叫(这种情形中它将不会收听呼叫信道)，路由则已成功，目的站D将用分组应答以对此确认。然而，如果目的站D不在范围之内，它就不会在NNT表中有表项表示它在另一信道上忙(在某些情形下这可能允许中断该信道)，通过依次尝试马可波罗路由表中去目的站D的表项，继续路由，如下所述。首先检查表NNT中的每个表项的转发呼叫的可用性。如果该站忙，就尝试下一个表项。然而，如果该站根据表NNT可用于路由，则向该站发送分组以确认这是实际情况。如果该站予以肯定确认，则选择该站并切从它继续进行路由选择。
如果马可波罗路由表中目的站D的所有表项经尝试，没有发现适合路由的站，则根据直接路由标准，使用与马可波罗路由所用的同样的协议，尝试其它可能的中继站。基于它们与目的站D的距离的判据，使用目录中的位置信息，将表NNT上的所有合适的站放入有序列表中。然后，使用针对马可波罗路由表中表项的上述的同样过程，以该顺序对它们进行尝试。仅当对所有这些站的尝试不成功时，使用直接路由的路由尝试才会被放弃。这种情况将会通知源站S，如果这不是路由失败发生的所在站本身，那么将开始从源站S到目的站D的扩散路由。如果延迟太长，发起扩散路由的呼叫尝试可能失败，但扩散应该继续，以便获得所需的路由。然而，一旦目的站D接收到扩散路由信号，目的站D接着开始返回源站S的扩散路由。此目的如下源站S发起的扩散路由将确保在参与扩散路由的每个节点中存在返回源站S的马可波罗路由表项。然而，作为将呼叫路由到目的站D的尝试的结果，出现了发起扩散路由的问题，网络上每个节点实际需要的是具有通向目的站D的马可波罗路由表项，而不是源站S。反扩散路由正好能取得这个目的。可以使用马可波罗路由从目的站D开始执行返回源站S的呼叫路由，但是在这种情况下，必须将返回源站S的扩散路由调度为在所述呼叫之后。响应原扩散路由的反扩散路由将会更加简单和更有规律。
已经发现，所提议路由方法在各种网络拓扑上以及各种地形范围上提供大大改进的性能和可靠性。它不单单依赖于扩散路由，那样作将引起呼叫信道上的拥塞，且它没有仅使用直接路由的严重缺点，用直接路由，万一遇到死端，例如由于存在地形障碍，呼叫就会阻塞。
尽管以上描述主要是与无线网络路由有关，但本发明的系统也可用在数据网络中对分组作路由。这样的路由系统和已描述系统之间的主要差异是(i)数据网络路由器没有机会使用开销信号，因为它将只能监视实际通过其路由的信息；以及(ii)直接路由部件所用的离开目的地的地理距离在这里意义很小或者没有意义。第一差异将会减少马可波罗表的更新速率。然而，在IP数据报网络中，仅在IP分组中添加累加量度字段(以及如果跳计数是量度，则已经有跳计数了)，则所有分组可用于提供更新。关于第二差异，如所述，直接路由仅被选作为好的试探性方法。在数据网络中，没有理由不使用随机选择代替。
包括因特网的网络体系结构具有限制网络复杂性的效果，要求任何路由算法在其中能够发挥作用，而且这减少了路由算法具有与上述系统一样多智能的需要。
权利要求
1.一种用于电信网的收发站，在所述电信网中随机分布的位置处配置了多个这种收发站，并且其中配置了路由装置，用于对所述网络中各站之间的呼叫进行路由，其中在必要时利用所述网络中另外的站来转发这些呼叫，所述站包括呼叫路由控制单元，用于为了呼叫转发目的选择呼叫将要传送到的一个其它站并包括(a)存储装置，用于为多个可能的目的站并从接收自网络中其它站的信息中，存储有关可能适于将呼叫转发到所述目的站的其它可能站点的信息；(b)汇编装置，用于在所述存储装置中汇编有关可能适于将呼叫转发到所述目的站的其它可能站点的信息，所述汇编装置适于检测由所述其它站向网络中别的站发送的信号，以便更新存储装置中的信息；(c)询问装置，用于发送询问信号，所述询问信号由所述发送站范围内网络中至少一个其它站接收；(d)确认装置，它响应于从另一站接收的询问信号，在所述站可用于转发呼叫时发送确认信号；以及(e)站选择装置，用于根据收到的确认信号选择将呼叫转发至目的站的另一站，所述确认信号来自所述存储装置判定为适合将所述呼叫转发至所述目的站的站。
2.如权利要求1所述的站，其特征在于所述呼叫路由控制单元包括优先权装置，以在所述其它站中建立优先权所述其它站是由所述存储装置根据从所述其它站接收的信息，判定为适于将呼叫转发至特定目的站的其它站，所述站选择装置适于择优地将可用于转发所述呼叫的具有最高优先权的站选作转发所述呼叫的站。
3.如权利要求2所述的站，其特征在于所述优先权装置适于至少部分地在使所述呼叫转发至所述目的站的成本最小的基础上，比如使相关站数目最小的基础上，来建立优先权。
4.如权利要求2或3所述的站，其特征在于所述优先权装置适于至少部分根据记录的所述其它站的信号流量拥塞来建立优先权，在不存在其它不同因素的情况下，赋予具有最小拥塞的所述其它站的优先权高于具有最大拥塞的所述其它站的优先权。
5.如权利要求2、3或4所述的站，其特征在于所述优先权装置适于至少部分根据在所述其它站转发呼叫信号或数据的过程中的可能延迟来建立优先权，在不存在其它不同因素的情况下，赋予具有最小可能延迟的所述其它站的优先权高于具有最大可能延迟的所述其它站的优先权。
6.如权利要求2、3、4或5所述的站，其特征在于所述优先权装置包括累加部件，用于对与通过多个其它站转发呼叫有关的信息连续求和，从而获得所有用于通过所述其它站路由呼叫的总路由信息。
7.如权利要求6所述的站，其特征在于所述汇编装置适于在响应于接收自呼叫站的确认信号时，检测范围内另一站发送的信号，以及根据所述检测信号中表示所述其它站将呼叫转发至所述呼叫站的适合性的信息，更新所述存储装置中包含的信息。
8.如之前任何一项权利要求所述的站，其特征在于所述呼叫路由控制单元包括直接路由装置，配置为在如果所述存储装置判定没有合适的站可用于将所述呼叫转发至目的站时，则发送询问信号到范围内至少一个其它站，使确认信号能够发送回到该站；站选择装置适于择优地选择距离所述目的站最近的站作为转发所述呼叫的站。
9.如之前任何一项权利要求所述的站，其特征在于所述呼叫路由控制单元包括扩散路由装置，配置为在如果所述存储装置判定没有合适的站可用于将所述呼叫转发至目的站时，使标识所述发送站的询问信号发送到范围内的其它站，所述其它站收到所述询问信号，又使那些站发送标识所述其它站的其它询问信号，这又可能使另外的其它站以迭代过程发送询问信号，这样最终导致由所述目的站接收到询问信号，使得确认信号能够发送回到所述发送站，所述确认信号中给出了适合在所述发送站和所述目的站之间转发所述呼叫的一系列站。
10.如之前任何一项权利要求所述的站，其特征在于所述存储装置包括表格NNT，它包括与所述发送站范围内其它站的当前活动状态有关的信息以及还可选地包括其它参数，比如所述其它站的工作频率和信号强度。
11.如之前任何一项权利要求所述的站，其特征在于所述站适于在数据网中对数据分组进行路由。
12.一种数据网络，包括如权利要求11所述的站，用于在所述网络中为数据分组进行路由。
13.一种用于电信网的收发站，它实质上为上文中参照附图所述的那样。
全文摘要
在电信网中随机分布的位置处提供多个收发站。提供路由装置，用于为网络中各站之间的呼叫作路由，其中在必要时利用网络中的其它站转发这些呼叫。每个站(S，30－3，D)包括呼叫路由控制单元，用于为呼叫转发目的选择呼叫将要传送到的另一个站，呼叫路由控制单元包括存储器，用于为多个可能的目的站D以及从接收自发送站范围内网络中其它站的信息来汇编与适于将呼叫转发到目的站D的其它可能站点有关信息。控制单元还包括询问装置，用于发送询问信号，该询问消息由网络中至少一个其它站接收；以及确认装置，它响应于从其它站收到的询问信号，在该站可用于转发呼叫的站时发送确认信号。
文档编号H04Q3/66GK1478358SQ0181964
公开日2004年2月25日 申请日期2001年11月21日 优先权日2000年11月28日
发明者斯蒂芬·安东尼·格拉德·钱德勒, 斯蒂芬 安东尼 格拉德 钱德勒 申请人:斯蒂芬·安东尼·格拉德·钱德勒, 斯蒂芬 安东尼 格拉德 钱德勒