专利名称：在移动自组网中进行负荷水平调整以支持端到端转送减少、服务质量和能量水平调整的制作方法
背景技术：
无线网络在过去的十年里已经有了很大的发展。发展最快的领域之一是移动自组网(MANET)。物理上，MANET包括共享一个或多个公共无线电信道的大量地理上分布的可能移动的节点。与例如蜂窝网或卫星网的其它类型的网相比，MANET的最不同的特征是没有任何固定的基础设施。网络由移动和静态的节点形成，并且被创建在空中作为彼此通信的节点。网络不依赖于具体的节点，并且在一些节点加入网络或者其它节点离开网络时动态地调整。
在固定通信基础设施不可靠或者不可用的恶劣环境中，例如在战场上或者在被地震或飓风袭击的自然灾害区中，MANET可以被快速地部署用于提供非常需要的通信。虽然军事仍旧是这些网络发展背后的主要驱动力，但是自组网正快速地在民用或商业领域中寻找新的应用。MANET将使得人们和应用程序能够在除了他们通过简单地打开他们的计算机或PDA所建立的网络结构之外不使用任何网络结构而在操场中或者在教室中交换数据。
因为无线通信日益渗透到每日生活中来，所以MANET的新应用将继续出现并成为无线通信中的重要因素。然而，MANET向设计者提出了严峻的挑战。由于没有固定基础设施，节点必须在它们移动、加入或离开网络时自组织并重新配置。所有节点基本上是相同的，并且在网络中没有自然分层结构或中心控制器。所有功能必须被分布在节点中。节点通常由电池供电，并且具有有限的通信和计算能力。此外，系统的带宽通常是有限的。两个节点之间的距离经常超出无线电传送范围，并且传送在到达其目的地之前可能不得不被其它节点转送。结果是，MANET网典型地具有多跳拓扑，并且该拓扑在节点移动时改变。
互联网工程任务组(IETF)的MANET工作组一直在积极地评价和标准化路由协议，包括组播协议。因为网络拓扑在节点移动时任意改变，所以信息会变得过时，并且不同节点经常具有不同的网络视野，在时间上(信息可能在一些节点是过时的而在其它节点是当时的)和空间上(节点可能只知道在其邻近的网络拓扑而不知道离其较远的)都是这样。
路由协议需要适应频繁的拓扑改变，可能只有不精确的信息。由于这些特殊要求，这些网络中的路由与其它网络中的非常不同。收集关于整个网络的最新信息通常是很贵且不可行的。一些路由协议是反应式(即，按需)协议。即，它们只在必要时并且只对它们需要路由到的目的地收集路由信息，并且不保留未使用的路由。在这种方式下，与在所有时间都保留到所有目的地的最佳路由的先反式协议相比，路由开销可以被减少。自组按需距离向量(AODV)、动态源路由(DSR)和临时排序路由算法(TORA)是存在于MANET工作组的反应式路由协议的代表。
先反式路由协议的实例是最佳链路状态路由(OLSR)。其它各种路由协议的实例包括在授予Perkins的美国专利号5,412,654中公开的目的地排序距离向量(DSDV)路由，以及在授予Haas的美国专利号6,304,556中公开的区路由协议(ZRP)。ZRP是使用先反式和反应式两种方法的混和协议。
这些传统路由协议在选择从源节点到目的地节点的路由时使用尽力传送的方法。典型地，最小化跳数是这种方法中的主要标准。
MANET中的服务质量(QoS)路由正赢得注意。为了提供服务质量，协议不仅需要找到路由，还需要识别和/或确保沿路由的资源。由于网络的可能有限的共享带宽，以及可以解决和控制这些有限资源的中心控制器的缺乏，节点必须彼此协商来管理QoS路由所需的资源。这还会由于频繁的拓扑改变而更加复杂。由于这些限制，QoS路由比尽力传送或最少跳路由更苛刻。
QoS路由方法的一些实例由Chenxi Zhu在标题为“MediumAccess Control and Quality-of-Service Routing for Mobile Ad HocNetworks”，2001中，以及由M.Mirhakkak等人的标题为“DynamicQuality-of-Service for Mobile Ad Hoc Networks”，MITRE Corp.，2000的出版物中提出。Zhu讨论在其拓扑以较低到中等的速率变化的小网络中建立带宽被保证的QoS路由。Mirhakkak等人关心的是指定QoS值范围的资源保留请求同时网络帮助提供该范围内的服务。
因为MANET仍旧处于发展的初期阶段，所以迄今用于在MANET中实现QoS功能的最多尝试主要集中在使用QoS参数来建立路由，这就是使用前面提到的现有技术方法的情况。然而，因为MANET在尺寸和复杂度上继续增加，所以进一步的QoS功能可能与用于对网络中的负荷进行水平调整以减小延迟和最优化能量使用的方法一起被需要。
发明内容
考虑到上述背景，因此本发明的目的是提供支持端到端延迟减小、QoS和能量使用水平调整的方法、移动节点和移动自组网。
根据本发明的这一和其它目的、特征和优点由用于在移动自组网(MANET)中将消息数据从源节点路由到目的地节点的方法提供。MANET具有在源节点与目的地节点之间的多个中间移动节点，以及将节点连接在一起的多个无线通信链路。方法包括根据服务类型(ToS)来按优先级排序消息数据，发现从源节点到目的地节点的路由，并根据服务质量(QoS)给发现的路由分级。消息数据被基于消息数据的ToS和所发现路由的QoS分配到所发现路由上的目的地节点，包括将具有相同ToS的消息数据分配到多个发现的路由上，以及将具有较高优先级ToS的消息数据，例如延迟敏感消息数据和/或大容量消息数据，分配到较高等级的发现路由上。
根据QoS给发现的路由分级可以包括确定所发现的在源节点与目的地节点之间的路由上的中间移动节点是否是服务敏感节点，例如对功率严格的节点和/或业务瓶颈节点。此外，根据QoS给发现的路由分级可以包括确定每一个被发现路由的端到端延迟，并且可以包括测量链路延迟、节点容量、节点可用容量和链路可靠性中的至少一个。路由入口可以被存储在路由高速缓存中，每一个路由入口对应于所发现路由中的一个。
根据本发明的目的、特征和优点还通过用在移动自组网中的移动节点提供。该移动节点包括用于经由无线通信链路与多个节点中的其它节点进行无线通信的通信设备，以及用于经由通信设备来路由通信的控制器。通信包括根据服务类型(ToS)来被按优先级排序的消息数据。控制器包括用于发现到目的地节点的路由的路由发现单元，用于根据服务质量(QoS)给所发现路由分级的路由分级单元，以及用于沿多个发现的路由基于消息数据的ToS和所发现路由的QoS将消息数据分配到目的地节点从而使得具有相同ToS的消息数据被分配到多个发现的路由上并且具有较高优先级ToS的消息数据被分配到较高等级的发现路由上的消息数据分配单元。具有较高等级ToS的消息数据包括延迟敏感消息数据和/或大容量消息数据。
路由分级单元优选地确定在源节点与目的地节点之间的发现路由上的中间移动节点是否是服务敏感节点，例如对功率严格的节点和/或业务瓶颈节点。路由分级单元可以确定每一个被发现路由的端到端延迟，并且可以测量链路延迟、节点容量、节点可用容量和/或链路可靠性。路由分级单元优选地包括路由高速缓存，用于存储与所发现路由之一对应的路由入口。
图1到3是根据本发明移动自组网的示意图。
图4是图示了根据本发明用于移动自组网的方法步骤的流程图。
图5是图示了根据本发明网络的节点路由器的示意图。
图6是图示了图5中路由器的控制器的细节的示意图。
具体实施例方式
现在将参照附图在下面更完整地描述本发明，在附图中本发明的优选实施例被示出。但是，本发明可以以许多不同的形式实现，不应该被解释为限制到这里提出的实施例。实际上，这些实施例被提供使得本公开将是全面和完整的，并且将完整地将本发明的范围传递给本领域的那些技术人员。相同的标号前后指代相同的单元，并且撇号被用于指代替换实施例中的类似单元。
如本领域技术人员将了解的，本发明的一些部分可以被实现为方法、数据处理系统或计算机程序产品。因此，本发明的这些部分可以采取全部为硬件的实施例、全部为软件的实施例或者组合软件和硬件的实施例方面的形式。而且，本发明的一些部分可以是在介质上具有计算机可读程序代码的计算机可用存储介质上的计算机程序产品。任何合适的计算机可读介质都可以被利用，包括但不限于静态和动态存储设备、硬盘、光存储设备和磁存储设备。
本发明在下面参照根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的流程示来描述。将理解，图示中的块和图示中块的组合可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或用于产生机器的其它可编程数据处理装置的处理器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的指令实现在一个块或多个块中指定的功能。
这些计算机程序指令还可以被存储在可以指导计算机或其它可编程数据处理装置以具体方式起作用的计算机可读存储器中，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现一个或多个流程块中所指定功能的产品物件。计算机程序指令还可以被装载到计算机或其它可编程数据处理装置上以使得一系列操作步骤将在计算机或其它可编程数据处理装置上被执行、从而产生计算机或其它可编程装置实现的过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现一个或多个流程块中所指定功能的步骤。
首先参照图1到4，用于在移动自组网20中将消息数据从源节点S路由到目的地节点D的方法现在将被描述。网络20包括多个移动节点30，包括源节点S和目的地节点D以及位于两者之间的中间节点IN。节点30，例如膝上型计算机、个人数字助理(PDA)或移动电话，被通过无线通信链路32连接，如本领域技术人员将了解的。方法开始(块100)，并且包括根据服务类型(ToS)来对消息数据按优先级排序，如图4中块102所表示的。在块104，路由被发现从源节点S到目的地节点D，然后所发现的路由被根据服务质量(QoS)分级(块106) 。
消息数据在所发现的路由上基于消息数据的ToS和所发现路由的QoS被分配(块108)到目的地节点，包括将具有相同ToS的消息数据分配到多个发现的路由上，以及将具有较高优先级ToS的消息数据，例如延迟敏感消息数据和/或大容量消息数据，分配到较高等级的发现路由上，如下面进一步详细描述的。当在这里使用时，“消息数据”意于包括可以在移动自组网中的节点之间被发送的任何数据，包括(但不限于)视频数据、音频数据、字母数字数据等，如本领域技术人员将了解的。
根据QoS给发现的路由分级可以包括确定所发现的在源节点S与目的地节点D之间的路由上的中间移动节点IN是否是服务敏感节点(块110)，例如对功率严格的节点和/或业务瓶颈节点。此外，根据QoS给发现的路由分级可以包括确定每一个被发现路由的端到端延迟(块112)，并且可以包括测量链路延迟、节点容量、节点可用容量和链路可靠性中的至少一个。路由入口可以被存储在路由高速缓存中，每一个路由入口对应于所发现路由中的一个。本发明的方法还可以遵从通过用于尽力传送服务的协议所建立的传统程序。
图1到3图示了涉及负荷水平调整的三种情形。情形包括单独的概念、两个可能互补的概念以及两个竞争的概念。第一情形，图1，图示了与QoS无关的性能增强。在这种情况下，源节点S产生具有相同服务类型(ToS)和目的地节点D的业务或消息数据A、B。有具有类似或不同QoS的两个被发现的路由，并且数据A、B被分开以减小两个数据流的延迟。换句话说，消息数据A和消息数据B在分开的路由上被发送到目的地节点D。
在第二情形，图2，同样源节点S产生具有相同目的地节点D但这次具有不同ToS的业务或消息数据A、B。再次，有两个路由，但是在该实例中，一个路由具有比另一个更低的QoS。例如，这里，第二路由包括多个跳并且更长。较高优先级的消息数据A被沿着较短的路由发送，并且较低优先级的消息数据被沿较长的路由发送。这是为了支持较高的ToS，但是它可能改善两个流的性能。
第三情形，图3，图示了网络20中用于能量使用水平调整的负荷水平调整的使用。这里，源节点S有两个被发现的路由可以选择，但是选择不使用较短的路由因为较短路由具有对一个或多个其它路由很重要的服务敏感或功率受限的节点X，并且有没有这一服务/功率问题的其它路由。这些情形不是穷举性的，只是想要说明这三个目标可以是单独的、合作的或竞争的，并且该负荷水平调整应该被以视所有这三者为整体的方式而被应用。
所描述的方法可以被应用到例如动态源路由(DSR)或自组按需距离向量(AODV)路由的按需或反应式路由协议的任何类型，或者被应用到例如区路由协议(ZRP)的任意混和先反式/反应式协议，如本领域技术人员将了解的。所述的过程可容易地应用于DSR协议。传统的DSR消息类型RREQ、RREP、RRER被定义为可选包类型，并且可以定义为被用于用来以向后兼容模式支持“尽力传送”业务的协议的传统操作。新的可选包类型可以被定义用于支持某些链路度量的测量。这些类型的所需报头域的定义是直接基于上述定义的功能的。
如讨论的，本发明提供了多个路由的发现和使用。路由高速缓存/表被定制以对每个目的地同时使用多达n个的路由。关于度量的使用改进的度量可以包括多种测量，例如链路延迟、链路/节点容量、链路/节点可用容量、链路可靠性。更重要的度量可以取决于业务等级，例如延迟敏感业务可以要求路由是基于延迟度量而被按等级排序的；大容量业务可以要求路由是基于容量度量而被按等级排序的。这样，如描述的，本发明支持例如DSR和AODV的传统自组路由协议，但是显著地改善了性能。多个路由可以被用于负荷平衡，并且多个路由的使用可以在路径故障出现时更及时地提供备用路由。
现在额外参照图5和6，将描述本发明的系统方面。移动自组网20包括多个移动节点30和将多个移动节点连接在一起的多个无线通信链路32。每一个移动节点包括路由器40(图5)，其具有用于经由无线通信链路32无线地且单向或双向与其它节点通信的通信设备42和用于经由通信设备42路由通信的控制器44。
此外，存储器46可以被包括作为控制器44的一部分或者可以与控制器连接。通信包括根据服务类型(ToS)被按优先级排序的消息数据。
如图6所示，控制器44包括路由发现单元50，用于将路由请求传送到其它节点以发现到目的地节点的路由。路由分级单元54根据QoS给发现的路由分级，并且消息数据分配单元58沿着多个发现的路由基于消息数据的ToS和所发现路由的QoS将消息数据分配到目的地节点，使得具有相同ToS的消息数据被分配到多个发现的路由上，并且具有较高优先级ToS的消息数据被分配到较高等级的发现路由上。具有较高优先级ToS的消息数据包括延迟敏感消息数据和/或大容量消息数据。再次，QoS分级优选地包括链路延迟、链路容量、链路可用容量和/或链路可靠性的测量。
消息数据分配单元58沿着多个发现路由的每一个分配不同的消息数据。路由分级单元54包括路由高速缓存56，用于存储每一个与发现路由之一相应的路由入口。分级单元54可以对例如延迟敏感消息数据和大容量消息数据的不同种类的消息数据重复路由高速缓存中的路由入口。
路由分级单元54优选地确定源节点与目的地节点之间的发现路由上的中间移动节点是否是服务敏感节点，例如对功率严格的节点和/或业务瓶颈节点。路由分级单元54可以确定每一个发现路由的端到端延迟，并且可以测量链路延迟、链路容量、链路可用容量和/或链路可靠性。路由分级单元54包括路由高速缓存56，用于存储与发现路由之一相应的路由入口。
权利要求
1.一种用于在移动自组网中将消息数据从源节点路由到目的地节点的方法，所述移动自组网包括在源节点与目的地节点之间的多个中间移动节点和将节点连接到一起的多个无线通信链路，所述方法包括根据服务类型(ToS)将消息数据按优先级排序；发现从源节点到目的地节点的路由；根据服务质量(QoS)将发现的路由分级；以及在发现的路由上基于消息数据的服务类型和所发现路由的服务质量将消息数据分配到目的地节点，包括将具有相同服务类型的消息数据分配到多个发现的路由上，以及将具有较高优先级服务类型的消息数据分配到较高等级的发现路由上。
2.根据权利要求1的方法，其中，根据服务质量将发现的路由分级包括确定在所发现的在源节点与目的地节点之间的路由上的中间移动节点是否是服务敏感节点。
3.根据权利要求2的方法，其中，服务敏感节点包括对功率严格的节点。
4.根据权利要求2的方法，其中，服务敏感节点包括业务瓶颈节点。
5.根据权利要求1的方法，其中，根据服务质量给发现的路由分级包括确定每一个发现路由的端到端延迟。
6.一种用在由多个移动节点和将多个移动节点连接到一起的多个无线通信链路限定的移动自组网中的移动节点，所述移动节点包括通信设备，用于经由无线通信链路与多个节点中的其它节点无线地通信；以及控制器，用于经由通信设备路由通信，所述通信包括根据服务类型被按优先级排序的消息数据，控制器包括路由发现单元，用于发现到目的地节点的路由，路由分级单元，用于根据服务质量(QoS)将发现的路由分级，以及消息数据分配单元，用于沿着多个发现的路由基于消息数据的服务类型和发现路由的服务质量将消息数据分配到目的地节点，使得具有相同服务类型的消息数据被分配到多个发现路由上，并且具有较高优先级服务类型的消息数据被分配到较高等级的发现路由上。
7.根据权利要求6的移动节点，其中，路由分级单元确定在所发现的在源节点与目的地节点之间的路由上的中间移动节点是否是服务敏感节点。
8.根据权利要求7的移动节点，其中，服务敏感节点包括对功率严格的节点。
9.根据权利要求7的方法，其中，服务敏感节点包括业务瓶颈节点。
10.根据权利要求6的移动节点，其中，路由分级单元确定每一个发现路由的端到端延迟。
全文摘要
本方法在移动自组网(MANET)中将消息数据从源节点路由到目的地节点。MANET包括在源节点与目的地节点之间的多个中间移动节点和将节点连接到一起的多个无线通信链路。所述方法包括根据服务类型(ToS)将消息数据按优先级排序(102)；发现从源节点到目的地节点的路由(104)；根据服务质量(QoS)将发现的路由分级(106)。消息数据在发现的路由上基于消息数据的服务类型和所发现路由的服务质量被分配到目的地节点，包括将具有相同服务类型的消息数据分配到多个发现的路由上，以及将具有较高优先级服务类型的消息数据，例如延迟敏感消息数据和/或大容量消息数据，分配到较高等级的发现路由上(108)。
文档编号H04L12/56GK1857012SQ200480027218
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月1日 优先权日2003年9月9日
发明者威廉·A.·温德哈姆, 理查德·C.·波恩哈特, 约瑟夫·B.·凯恩 申请人:哈里公司