多跳网络中的健壮编码的制作方法

专利名称：多跳网络中的健壮编码的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种在传输系统(比如但不限于无线局域网(WLAN))中执行到多 个其他传输端的多用户传输的发送装置、接收装置、系统和方法。
背景技术：
现今，例如在IEEE802. 11规范中定义的无线局域网(WLAN)几乎无所不在。可用信 道的吞吐量的增加是一个主要问题，并且研究集中在改进物理协议层内的调制和编码上。根据802. 11标准，无线节点或站实现分布式协调功能(DCF)，这是载波侦听多路 访问/冲突避免(CSMA/CA)的一种形式。CSMA/CA是基于竞争的协议，其确定所有站在发送 之前首先侦听介质。其主要目的是避免多个站同时发送，从而导致冲突和相应的重发。如 果想要发送帧的站侦听到介质上超过特定阈值的能量(这可能意味着另一站的发送)，则 想要访问的站在发射帧之前将等待直到介质空闲。协议的冲突避免方面涉及使用接收站向 发送站发送的用来验证无误差接收的确认。尽管稍微更加复杂，但是访问介质的该过程可 被看作会议，会议中每个人都 是有礼貌的并且每个人只在没有其他人讲话时发言。此外，理 解此人正在谈论的内容的参与者一致点头。在随机运行的回退过程中，有要发送的数据分组的站生成0与竞争窗口(CW)大小 之间的随机数，该随机数确定了如以时隙数量计数的回退计时器的持续时间。该CW具有最 小初值15，在冲突后加倍，可以升高到1023，并且在通过确认(ACK)帧指示的成功传送之后 减小。在检测到介质空闲达DCF帧间间隔(DIFS)的持续时间之后，移动台递减计数回退计 时器直到它达到零为止，随后开始其发送。如果在所述递减计数期间，另一个移动台占用介 质，则回退中的所用移动台都中断它们的递减计数并推迟直到它们检测到介质空闲达至少 DIFS0该标准包括在传输之前可选的请求发送(RTS)-清除发送(CTS)握手。最近，网络编码与广播的结合已经在基于802. 11的多跳无线网络中得到应用以 增加每次传输的信息内容，并且已经证实针对数据应用的吞吐量的益处。图1示意性描绘了若干无线节点的拓扑。在该图所呈现的场景中，根据在每个节 点处提供的路由表，节点1和2需要将它们的分组a和b分别发送到节点4和5。节点2必 须充当这些分组的转发器，因为节点4和5不在节点1的无线电射程内。根据网络编码的 基本原理，节点2向节点4广播编码的分组(例如，a b)而不是向节点4转发分组a，以 及向节点5广播分组b。以此方式，节点4和5 二者都可以仅仅利用在物理层的来自节点2 的一次广播传输而不是两次专用传输来解码它们的原始分组。这可能导致更高的吞吐量。 然而，基于该原理已经提出的实践方案使用对分组的机会性编码和传输，这意味着在现有 的媒体访问控制(MAC)协议上它们对于完整性不是健壮的。而且，它们需要MAC与路由协 议之间的跨层的交互，这妨碍了潜在的干净(clean)的解决方案。在用于网络编码的所谓的“机会性方法”中，无线节点依靠本地信息来实时检测 并使用编码机会。如果节点参与机会性监听，则它们探听它们在无线介质上听到的所有通 信。这些节点还可以注解它们发送的分组以告知它们的邻居它们已经听到了哪些分组。当节点发送时，它可以使用它知道的其邻居已经接收到的信息执行机会性编码，这可能意味 着如果每个预期的接收机具有足够的信息来解码器其分组，则该节点可以结合(例如XOR， “ ”)多个分组并且以单次传输来发送它们。
然而，当前的无线网络编码方案所面临的问题在于，节点机会性地无意听到不是 针对它们的分组传输。例如在图1中，节点1发送针对节点2的分组a，但是它被在节点1 的无线电射程内(并且在节点2的无线电射程内)的节点5无意听到。然而，根据现有的 MAC协议，不是预期的接收机的节点(例如图1中的节点5)不能确认无意听到的分组的正 确接收。这意味着使用网络编码算法的节点(例如图1中的节点2)不能知道它已经做出 的编码判决是否是正确的判决。错误的编码判决最终导致更低的吞吐量，其距离网络编码 在理论上可能的吞吐量很远。在2006 年的 SIGC0MM 中的 Sachin Katti 等人的 “XORs in The Air =Practical Wireless Network Coding”中，提出了作为解决上述问题的方法的异步带外确认。然而，根 据该方法，当节点决定哪些分组要编码时，它必须仍然使用随机的方法以估计无意听到的 分组的命运。显然，这不是供网络编码实际采用的可行方法。此外，另一个重要问题是隐藏的节点问题。考虑例如图1中的节点1正在发送分 组a。然而，节点t2在节点1的无线电射程之外。如果MAC协议正在使用基于竞争的机制 (如802. 11 DCF或WiMedia MAC中的基于竞争的机制)，则节点t2将发送将与从节点1发 送的分组a冲突的分组。然而，如果节点5是机会性接收机并且不确认所述传输，则节点1 或2将不知道它未接收该分组。该事实使得节点2不能确定地知道什么是它必须做出的最 优编码判决，不管所采用的算法如何。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于无线多跳网络的更加健壮的编码方案。该目的是通过如权利要求1所述的装置、如权利要求9所述的方法和如权利要求 12所述的多跳广播分组信号实现的。因此，可能增加整个系统的吞吐量，因为必须被若干个预期的接收机接收的分组 只能被发送一次。而且，单个分组数据单元的传送可以减少描述预期接收机所需的字段，并 且不需要来自路由协议的跨层信息。因此多个接收机分组可以以这样的方式构造可以通 过网络编码功能做出最优编码判决。所述装置可被实现为网络节点或站中提供的处理器设备、模块、芯片、芯片组或电 路。所述处理器可以由计算机程序产品控制，该计算机程序产品包括用于在计算机或处理 器设备上运行时执行上述方法权利要求的步骤的代码装置。根据第一方面，多跳拓扑信息可以通过信标过程获得。在特定实例中，所述多跳拓 扑信息可以包括目的节点的最近邻居的信标群以及所述信标群的至少一个节点的邻居节 点的扩展信标群。因此，上述拓扑推理(inference)问题可以通过使用在现有媒体访问控 制协议中可能已经可用的信标过程来解决。根据可以与上述第一方面结合的第二方面，接收节点群可以基于要求潜在的接收 节点已经接收到先前发送的分组的第一条件和要求至少一个附加的潜在接收节点能够解 码待发送的分组的第二条件而被确定。因此，网络编码不是基于概率性标准，而是基于关于先前发送的分组的命运的确定性知识。
根据可以与上述第一和第二方面中任意一个或两个方面相结合的第三方面，至少 一个信道访问参数可以根据待发送的分组的信息内容而被动态地配置。由此，网络编码可 以以扩展的方式被使用并且系统吞吐量被最大化。在示范性实现方式中，所述至少一个信 道访问参数可以包括竞争窗口尺寸与仲裁帧间间隔中至少一个。根据可以与上述第一到第三方面中任意一个或全部结合的第四方面，所述至少一 个信道访问参数可以通过估计作为预定业务等级的函数的吞吐量而被动态地配置。该方法 允许基于最优性能的分析模型来选择参数值。根据可以与上述第一到第四方面中任意一个或全部结合的第五方面，所述至少一 个信道访问参数可以通过使用存储了所述至少一个信道访问参数的预定值的查找表而被 动态地配置。这提供了以下优点从全面的实验获得的最优值可被预先存储。其他有利的发展在从属权利要求中定义。


现在将基于参照附图的各种实施例描述本发明，在附图中图1示出无线多跳网络中若干个无线节点的示意性网络拓扑；图2示出根据实施例的帧聚合结构；图3示出根据实施例的选择过程的示意性流程图；图4示出根据实施例的用于计算最优接收群的示范性计算方案；图5示出具有核心节点和边缘节点的另一示意性网络拓扑；以及图6示出归一化吞吐量相对于不同业务等级的节点数目的分析结果。
具体实施例方式在下文中，基于如图1所示的无线多跳网络拓扑来描述优选实施例。为了以系统方式解决上述问题，提出了网络编码方案，其可以通过任何线性网络 编码算法促进最优编码判决。更具体地，提出了多接收机(MR)帧聚合以用于将数据单元(例如MAC协议数据单 元(MPDU)打包到单个物理层分组数据单元(PPDU)中，从而使得需要由至少两个接收机对 单个MPDU的确认。该MR聚合方案特别地设计用于下述情况相同的分组去往具有不同MAC 地址的接收机。此外，使用关于网络节点的邻居的双跳或多跳拓扑信息，以便在MAC层面上解决 拓扑推理的问题。该拓扑信息可以通过使用分布式信标过程(比如现有的MAC协议中可用 的信标过程)而获得。在这种信标过程中，每个节点可以周期性地将信标发送到广播MAC 地址，包含其标识符(例如，因特网协议(IP)地址)和位置。在比超时间隔长的时间内在 没有接收到信标时，路由器假定所述邻居发生故障或已经被移出，而从其表中删除该条目。而且，在每个节点处需要一个过程来决定除了分组的主目的节点之外还有什么节 点应当确认分组传输。该过程基本上以这样的方式“构造"MR分组可以通过网络编码算法 做出最优编码判决。随后，基于该编码判决执行实际的网络编码。由此，保证了最优MR分 组的构造。所提出的过程的益处在于，它不是基于概率性标准，而是基于关于先前发送的分组的命运的确定性知识。图2示出根据实施例的PPDU的示意性帧结构，其用于若干个预期的接收机和单个 MPDU。该帧结构可以基于例如 N. Sai Shankar 等人 2005 年在 International Conference on Wireless Networks, Communications and Mobile Computing 上发表的"Cooperative communication MAC(CMAC)-a new MAC protocol for next generation wireless LANs，， 中所描述的帧结构。由于单个MPDU的传输，可以减少描述预期接收机所需的字段。更具体 地，所述帧结构包括前导，随后是PLCP报头、持续时间字段、指定传输的MPDU的数量的字段 N、前向纠错(FEC)字段、预期接收机的地址、长度(LEN)和确认(ACK)字段、另一个FEC字 段、循环冗余码(CRC)字段和传送的MPDU。因此，在所提出的图2的帧结构中，在PPDU中指定了多个预期接收机，而仅仅存 在单个的MPDU作为有效载荷。该帧结构的益处在于，尽管应当确认MPDU的接收机群被通 知，但是必须被所有的预期接收机接收的分组仅仅被发送一次(到主接收节点和机会性节 点)。然而，这不是可靠的组播传输，这意味着在接收编码的分组时以及在解码后，所述节点 不应当向更高层传送非针对该特定节点的分组。所述接收节点通过应当添加在数据分组中的报头来知道它解码的数据分组的标 识(ID) 。尽管现存方案使用了几乎50字节的报头，但是所提出的实施例需要小得多的编码 /分组报头，因为它在IP层面以下运行。然而，当采用所提出的MR聚合时，发送器必须指定必须实际地返回确认的网络节 点，除了根据路由协议被认定的主接收机之外。将做出该决定的过程将基本上填充了称为 预期接收机的元组，如图2中所描绘。为了计算最优的接收机群，可以应用分布式信标过 程，因为它在新兴的无线MAC协议中是可用的并且可以用于开发针对拓扑推理的健壮过 程。在这种分布式信标过程中，每个信道可以被逻辑地分成循环超帧，其开始于时隙化的信 标周期，随后是数据传送周期。在信标周期期间，每个节点在其被指定的时隙中发送信标。 信标可以包括关于预定的安静周期、谱测量和数据通信的多信道预留的信息。一旦信标周 期结束，节点就可以其后到其他信道。基于图1，现在将解释信标过程及其针对维持不同的节点群的用途的优点。假设图 1的节点1 了解其最近的邻居(即信标群)。但是节点1的信标群(BG)中的所有邻居将它 们的邻居告知节点1。这最后两组节点的联合可以形成扩展的信标群(EBG)。例如，在图1 中，除了明显的信标群之外，针对节点1和2的扩展信标群给出如下BG(I) = {6 ；5 ；2}EBG(I) = 6 — {si} ；5 — {t2 ；2} ；2 — }5 ;4 ；3}最后的符号意味着节点1知道节点5的直接邻居是节点2和t2，以及节点2的直 接邻居是节点5、4和3。上文关于节点的BG和EBG的知识是在输出的MR分组中创建最优 的预期接收机群的关键。节点处的该最优接收群(ORG)针对每个特定目的地而被创建。当 分组预计去往“主”目的节点时，最优接收群表示必定无意听到该分组传输的节点群。为了 解释该群如何被填充，回来参照图1。根据节点1维持的EBG，知道节点5也可以听到来自 节点2的传输。因此，节点5可以机会性地获得节点1想要发送给节点2的分组a。这意味 着节点2也应当确认分组a。该动作的理由是，任何即将由节点2做出的编码判决/传输也 将被节点5无意听到。因此，节点5有机会接收分组a并允许节点2使用它以用于编码判决。利用该方法，节点精确地知道什么分组已被无意听到。还应当注意，根据该方案，节点6被排除在确认分组a之外，因为它对于该节点无用。这里，我们应当强调该判决可以在不 需要来自路由协议的跨层信息的情况下实现。图3示出根据实施例的网络编码方案的总体流程图。在初始步骤SlOl中，例如通 过上述信标过程或任何用于获得关于邻近节点的信息的其他适当过程来获得多跳拓扑信 息。此外，获得了关于邻近节点的在前分组的接收历史。随后，在步骤S102中，基于所述拓 扑信息和接收历史确定最优化的接收节点群。最后，在步骤S103中，所确定的群的至少两 个接收节点被指定为MR帧聚合方案中的预期接收机。图4示出用于计算在每个节点处上述最优接收群的计算或软件程序的更详细的 实例。图4的下半部部分呈现了实际的网络编码过程。在该部分中，变量decodmodes维 持可以解码当前被认为用于编码的分组的节点的数量。该过程的输入参数是目标节点X、目 标节点X的BG和EBG。该过程的输出应当是最优接收群(ORG)。下半部分的编码循环的第 一个if-条件(步骤2. 18)检查邻近区域中的哪个节点已经接收到先前发送的分组1，并 且因此能解码当前被考虑用于传输的分组的编码版本1’。应当注意，一般地假设0RG(k ；1) = 0RG(1 ；k)，并且这总是真实的。所述下半部分编码循环的第二个if-条件句(步骤2. 23)检查是否值得编码该分 组。这是必需的，因为如果只有一个节点可以解码分组的编码版本1’，则没有理由首先对它 进行编码。上述编码过程解决了新兴无线多跳网络中的基本问题，即增加整个系统的吞吐 量。更特别地，在高密度的ad-hoc无线局域网或网格中运行的高数据速率应用将明显获 益。所提出的编码过程或机制可以在如WiMedia MAC的现有协议上实现，如J. Prado del Pavon 等人在 2006 年 6 月的 IEEE Communications Magazine,44(6) :128_134 中发表的 “The MBOA-ffiMedia specification for ultra wideband distributed networks，，中所 述。在移动或无线机会性网络中，当一对节点移动到彼此的无线电射程中时，机会性 通信链路可被建立。上述网络编码过程可以用于利用无线信道的该广播属性，以便最大化 网络中的信息速率。然而，机会性网络编码与媒体访问协议之间的交互仍然可以得到改进。为了将无 线网络编码嵌入到真正的无线系统和标准中，必须设计一组基本机制和算法以便能够在 MAC层实施上述最优化编码判决。在下面的实施例中，将讨论无线介质上的编码的/未编码 分组的适当传输和优先化。增强的分布式信道访问(EDCA)是最初被定义为规范802. Ile的一部分的完全的 分步式服务区分机制。然而，它最近被WiMedia MAC采纳以便为基于竞争的媒体访问提供 服务区分。在EDCA中，通过使用基于竞争的机制来准许媒体访问，同时通过两个可配置的 参数竞争窗口尺寸(CW)和仲裁案帧间间隔(AIFS)实现不同业务等级的优先化。竞争窗 口尺寸确定了在可以作出传输尝试之前站必须递减计数的回退时隙的数量。AIFS值确定了 在回退过程被初始化/重新开始之前必须被侦听是空闲的时隙的数量。利用不同的参数值 配置已被分配给不同等级/优先级的分组和节点，以便增加/减少它们获得访问无线介质 的机会。
现存的EDCA方案的基本问题之一在于，它基于分组传输对系统的吞吐量具有相 同的影响而不管它们起源的节点的假设提供服务区分。然而，来自任何业务类型的成功的 分组传输可以以相同方式为整个系统的吞吐量做出贡献。例如，IP语音(VoIP)分组被分 配到高优先级EDCA业务等级，而尽力而为的业务被分配到较低的等级。这在节点仅仅转发 分组的传统无线网络中是有效的假设。然而，当线性编码的分组被发送时，则上述叙述得不 到支持，因为分组不再具有相同的信息内容。回来参照图1所示的分布式无线ad-hoc网络的简单拓扑，初始考虑节点1将尺寸 为d的分组发送到节点2。在成功传输之后，节点1将根据DCF或EDCA算法启动回退。随 后，所述信道将从回退计时器首先终止的节点被捕获。在节点2获得访问信道并发送名称 为c的另一分组的情况下，根据我们的场景，接下来所述信道将被节点3捕获，其发送分组b 到节点2。现在，如果应用网络编码，则节点2应当发送编码的分组(即a b)。然而，如果 使用典型的802. IlDCF机制，则节点2将不会被准许访问(至少直到节点4和5发送才会 被准许访问)并且很可能在节点1再次发送之后被准许访问。这引入了不可接受的延迟。 如果现在使用EDCA，则所有属于相同竞争等级的节点(这可能是根据802. lle/WiMedia规 范的相似的业务类型的情况)将如DCF —样竞争介质。为了突出性能上的影响，考虑例如节点2具有编码的分组，其可以导致在节点3和 4处成 功解码分组。因此，节点2应当基本具有访问介质的优先权，从而使得其他节点能更 快地解码所需的分组。前述情形表示今天的现实，即未被设计用于网络编码的健壮的互操 作的MAC协议。随着网络编码出现，现有的适配(adaptation)方法不仅是次优的，而且如 果被试探式使用，它们可能使得系统性能明显更差。为了能够最优地分配介质，EDCA可以结合参数AIFS和CW的动态适配来使用。然 而，节点应当接收的服务区分的精确的量不能直接计算。节点在其使用网络编码时应当利 用EDCA接收的服务区分的最优水平还没有被确定。因此，在下面的实施例中我们将要回答 的问题是，如何适配EDCA参数使得充分利用网络编码并且最大化系统吞吐量。用于网络编码的健壮服务区分机制可以通过使用上述最优化编码过程实现，从而 使得每个节点精确地知道可以无意听到传输的邻近节点以及来自哪些节点。而且，可确定 可以通过单个MPDU的单次传输在MAC层解码的分组的数量。此外，为了以系统的方式解决 前述问题，提出了一种服务区分方法，该方法例如可以在MAC层使用。更特别地，提出了用 于动态配置每个节点的EDCA参数(例如AIFS和CW)的过程。一般地，所述系统上的信息速率应当被最大化。节点之间的公平取得了完全的新 意义，因为信息速率被预期在节点传输之间按比例分配，而不仅仅是该数据速率。在图4的上述编码过程中，参数decodablejodes被用于表示可以在成功传输时 解码本地分组的节点的邻居的数量。为了方便标记，该参数现在被表示为c(l)，以便指示多 少节点可以解码分组1。基本上该数量可以被看作是分组1的信息内容。而且，参数 表 示属于等级j分配，而不仅仅是该数据速率。在图4的上述编码过程中，参数decodablejodes被用于表示可以在成功传输时 解码本地分组的节点的邻居的数量。为了方便标记，该参数现在被表示为c(l)，以便指示多 少节点可以解码分组1。基本上该数量可以被看作是分组1的信息内容。而且，参数 表 示属于等级j的节点的数量，而参数η」表示通过等级j的所有节点实现的总的数据速率。
根据所述实施例，网络中的信息流被最大化，而成比例的访问公平性也被提供给 不同的EDCA等级。因此，关键差别在于，信息流是成比例的(这意味着节点之间的数据速 率是不成比例的)。面对网络编码，每个等级j必须接受以下系统带宽的比率
权利要求
一种用于在多跳无线网络中广播分组数据的装置，所述装置(10)适于 获得目标节点的多跳拓扑信息； 基于所述多跳拓扑信息确定接收节点群；以及 在用于打包数据单元的多接收机帧聚合中指定所述群中的至少两个接收节点。
2.根据权利要求1的装置，其中所述装置适于通过信标过程获得所述多跳拓扑信息。
3.根据权利要求2的装置，其中所述多跳拓扑信息包括目的节点的最近邻居的信标群 和所述信标群的至少一个节点的邻居节点的扩展信标群。
4.根据权利要求1的装置，其中所述装置(10)适于基于要求潜在的接收节点已经接收 到先前发送的分组的第一条件和要求至少一个附加的潜在接收节点能够解码待发送的分 组的第二条件来确定所述接收节点群。
5.根据权利要求1的装置，其中所述装置适于根据待发送的分组的信息内容来动态地 配置至少一个信道访问参数。
6.根据权利要求5的装置，其中所述至少一个信道访问参数包括竞争窗口尺寸与仲裁 帧间间隔中至少一个。
7.根据权利要求5或6的装置，其中所述装置适于通过估计作为预定业务等级的函数 的吞吐量来动态地配置所述至少一个信道访问参数。
8.根据权利要求5或6的装置，其中所述装置适于通过使用存储所述至少一个信道访 问参数的预定值的查找表来动态地配置所述至少一个信道访问参数。
9.一种在多跳无线网络中广播分组数据的方法，该方法包括-获得目标节点的多跳拓扑信息；-基于所述多跳拓扑信息确定接收节点群；以及-在用于打包数据单元的多接收机帧聚合中指定所述群中的至少两个接收节点。
10.一种用于在多跳网络中广播传输的系统，所述系统包括至少两个网络节点，每个节 点具有根据权利要求1的装置。
11.一种计算机程序产品，其包括代码装置，该代码装置用于当在计算机设备上执行时 生成权利要求9的步骤。
12.—种多跳广播分组信号，其具有指定至少两个接收节点并包括单个媒体访问控制 协议数据单元的物理层帧结构。
全文摘要
本发明涉及一种方法和装置，其利用多接收机(MR)帧聚合来创建数据单元使得它们需要由若干个预期的接收机群来确认单个分组数据单元。关于目的节点的邻居的多跳拓扑信息可以用于获得除了该分组的主目的节点之外确认分组传输的预期的接收机。
文档编号H04W40/00GK101971671SQ200980108932
公开日2011年2月9日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月14日
发明者A·阿吉里奥厄 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司