專利名稱：利用鄰居信息和通告的傳輸時間的無沖突傳輸調度系統和方法
技術領域：
本發明涉及自組織(ad hoc)網絡中無沖突的傳輸調度，在自組織網絡中，路由器能夠移動，并使主機和網絡連接于其上。
背景技術：
對于無線網絡已提出許多媒體接入控制(MAC)協議。載波檢測多址(CSMA)協議是最先用在多跳分組無線電網絡中的協議。多跳網絡中CSMA的局限性在于相互隱藏的源不能檢測它們的傳輸，這將CSMA的性能降低到純ALOHA協議的性能。為了解決CSMA的隱藏終端問題，提出并實現了許多MAC協議。CSMA協議的吞吐量很好，只要在相同接收機的范圍內的多個發射器能夠檢測彼此的傳輸。不幸的是，“隱藏終端”問題顯著降低了CSMA的性能，因為這種情況下，載波檢測不能避免沖突。
忙音多址(BTMA)協議(F.A.Tobagi和L.Kleinrock，“Packetswitching in radio channelsPart II-the hidden terminal problem incarrier sense multiple-access modes and the busy-tone solution”，IEEETrans.Commun.，Vol.COM-23，no.12，pp1417-1433，1975)是解決CSMA的隱藏終端問題的第一個協議。BTMA是為基于臺站的網絡而設計的，將信道分成消息信道和忙音信道。只要基站在數據信道上檢測到載波，基站就在忙音信道上傳送忙音信號。由于基站在所有終端的視線之內，每個終端能夠檢測忙音信道，從而確定數據信道的狀態。BTMA的局限性在于使用單獨的信道來傳送數據信道的狀態，需要接收器在檢測數據信道中的載波的時候，傳送忙音，以及難以檢測窄帶信道中的忙音信號。
還提出一種用于分組無線電網絡的接收器發起忙音多址協議(C.Wu.和V.O.K.Li，“Receiver-initiated busy-tone multiple access in packet radionetworks”，ACM SIGCOMM 87 WorkshopFrontiers in ComputerCommunications Technology，Stowe，VT，USA，11-13，Aug.1987)。在這種方案中，在發送數據分組之前，發送器向接收器傳送請求發送(RTS)。當接收器獲得正確的RTS時，它在單獨的信道中傳送忙音，提醒其它源它們應后退。正確的源總是被告知它可繼續進行數據分組的傳輸。這種方案的局限性在于它仍然需要單獨的忙音信道，以及位于接收器的全雙工操作。
根據與小的控制分組有關的，并且當數據分組的源不能彼此聽見時意欲避免數據沖突的不同類型的“防撞”信號交換，提出了數種協議。現有技術中的防撞方法遵守Tobagi和Kleinrock在Split-ChannelReservation Multiple Access(SRMA)協議(F.A.Tobagi和L.Kleinrock，“Packet switching in radio channelsPart III-polling and(dynamic)split-channel reservation multiple access”，IEEE Trans.Commun.，vol.COM-24，no.8，pp832-845，1976)中首先提出的基本原理。在SRMA以及多數后續的防撞協議中，通過或者在發送RTS之間檢測信道，或者在RTS傳輸之前不檢測信道，發送器節點向預定的接收器發送請求發送(RTS)分組。收到無錯RTS的接收器清除發送(CTS)表示回答，在收到無錯的CTS之后，發送器可發送數據分組。
轉讓給Echelon Systems Corp.的美國專利No.5319641公開一種通過引入一旦臺站具有要發送的分組時，它們必須等待偵聽信道的隨機等待時間，改進CSMA p-持久協議的方法。所公開的方法在具有隱藏終端的網絡中無效。
轉讓給Apple Computer，Inc.的美國專利No.4661902公開一種方法，該方法實際上是在單一信道中實現SRMA，在臺站發送RTS之前，臺站在所述單一信道中使用載波檢測。
MACA(P.Karn，“MACH-a new channel access method for packetradio”，ARRL/CRRL Amateur Radio 9thComputer NetworkingConference，pp134-40，ARRL，1990)包括一種在單一信道上執行SRMA的技術，在不進行載波檢測的情況下，在所述單一信道中發送請求發送(RTS)分組。沒有關于如何支持分組串的任何描述。
轉讓給Proxim，Inc.的美國專利No.5231634公開一種同樣在單一信道上應用SRMA的基本途徑的方法。RTS規定來臨的數據分組的長度。
轉讓給International Business Machines Corporation的美國專利No.5502724公開一種方法，該方法擴展防撞信號交換，以便多個數據分組在一對通信站之間流動。打算與第二臺站建立連接的第一臺站檢測信道。如果信道空閑，則它向預定的接收器站發送連接請求(CR)分組。CR規定連接包括的數據分組的數目。預定的接收器向發送站發送連接確認(CC)分組；CC也規定連接中分組的數目。在交換正確的CR和CC分組之后，發送站可發送一個或多個數據分組，接收站可發送說明哪些數據分組被正確接收的確認分組。為了終止連接，發送站發送斷開請求(DR)，接收站發出斷開確認(DC)。接收CR分組的臺站后退對于要發送給接收器的通告數目的數據分組來說足夠長的一段時間。在收到CR或CC之后，當與連接中要發送的分組的數目成比例的計時器期滿時，或者當其收到DR或DC分組時，臺站可嘗試接入信道。美國專利No.5502724中公開的方法的局限性在于即使在接收器傳送CC分組的情況下，該方法也不能確保數據分組的無沖突傳輸。Fullmer和Garcia-Luna-Aeeves(C.L.Fullmer和J.J.Garcia Luna-Aceves，“Solutionsto Hidden Terminal Problems in Wireless Networks”，Proc.ACMSIGCOMM 97，Cannes，France，September 14-18，1997)證明了需要基于逐個分組的從接收器到其鄰居的反饋。由于接收器發送的CC分組可能與接收器鄰域的另一分組沖突，因此CC分組不能向隱藏節點提供充分的反饋；此外，Fullmer和Garcia-Luna-Aceves(C.L.Fullmer和J.J.Garcia-Luna-Aceves，“Floor Acquisition Multiple Access(FAMA)forPacker-Radio Networks”，Proc.ACM SIGCOMM 95，Cambridge，MA，Aug.28-Sept.1，1995)還證明了需要反饋分組長于請求分組。另外，即使公開的方法提到發送給臺站的所有鄰居的廣播分組，它也沒有提供確保不受發送站的所有鄰居的干擾，接收廣播或組播分組的任何措施。
轉讓給Xerox Corp.的美國專利No.5721725公開一種類似于SRMA的方法，并將其描述成對MACH的改進。所公開的方法通過在RTS分組中規定數據分組的理想數據速率，并允許發送器和接收器協商傳輸數據速率，擴展了MACH。該方法不能保證具有隱藏終端的網絡中的無沖突傳輸，因為對于大于任意RTS的長度的CTS的長度沒有做出任何規定，以確保隱藏臺站檢測到RTS和CTS的沖突。
DFWMAC IEEE802.11(K.C.Chen，“Medium Access Control ofWireless LANs for Mobile Computing”，IEEE Network，vol.8，no.5，pp50-63，1994)，FAMA-NCS(C.L.Fullmer和J.J.Garcia-Luna-Aceves，“Solutions to Hidden Terminal Problems in Wireless Networks”，Proc.ACM SIGCOMM97，Cannes，Frances，September 14-18，1997)，和RIMA(J.J.Garcia-Luna-Aceves和A.Tzamaloukas，“Reversing theCollision Avoidance Handshake in Wireless networks”，Proc.ACM/IEEEMobicom 99，August 1999)是防撞協議的三個最新例子。IEEE802.11是一種非常類似于具有關于RTS傳輸的載波檢測的SRMA的方法。FAMA-NCS的目的對于具有要發送的數據的臺站，在發送任意數據分組之前，獲得接收器(我們將其稱為“the floor”)附近的信道的控制，并確保在接收器無數據分組與其它任意分組沖突。FAMA-NCS使CTS的長度遠遠大于RTS的長度，以便檢測RTS與CTS的沖突，這在現有的防撞協議中是不能實施的。RIMA包括一系列的協議，所述一系列協議倒轉首先在SRMA中提出的防撞信號交換方法，并使接收器輪詢數據的發送器。對于基于類似的RTS-CTS交換，或者以其后跟隨暫停的RTS為基礎的單信道無線網絡或有線局域網，提出了幾種其它的媒體接入控制(MAC)協議。但是，不管過去幾年內，防撞協議和基于這些協議的系統獲得的普及，所有防撞MAC協議的兩個關鍵性能局限性在于(a)它們不能提供信道接入延遲保證，對實時應用來說這是一個較大的問題；和(b)它們缺少無沖突組播或廣播的明確支持，這意味著節點必須多次向每個組播組鄰哉傳送相同的組播分組，或者在接收可能性和ALOHA協議一樣低的情況下發送分組。另外，防撞協議要求載波檢測，在碼片速率很高的直接序列擴頻無線電中，從技術或經濟上來說，這是不可能正確實現的。
為了避免隱藏終端干擾問題，可向接收器或發送器分配唯一的代碼(擴展碼或跳頻序列)。
這種方法的一個例子是Metricom網絡。但是，面向接收器的代碼分配(ROCA)和面向發射器的代碼分配(TOCA)要求利用節點-代碼映像預先配置無線電，或者查找相鄰發射器或接收器正在使用的代碼。此外，簡單地通過確定TOCA方法，不能確保有效廣播；因為發射器的所有鄰居必須同意同時偵聽發射器，以使傳輸的數目降至最小。
在多跳無線網絡中使用的另一種信道接入方法包括建立傳輸時間表，即按照不發生沖突的方式，將臺站分配給不同的時間和數據信道(例如，頻率，擴展碼，或者它們的組合)。傳輸調度可以是靜態的或者動態的；基于動態傳輸調度的MAC協議研究無線電信道的空間復用，從而和諸如TDMA和FDMA之類固定調度方法相比，具有高得多的信道利用率。
在TDMA協議時，時間被分成包含時隙的幀。時隙被分配給特定的節點，或者集中式臺站被用于分配時隙。TDMA的局限性源于相對于節點的時隙固定分配，以及集中式分配的應用，所述固定分配較慢，不適應網絡變化，并且如果節點是通信的突發性來源，則使信道的利用效率不高。
在現有技術中存在基于動態TDMA方法的許多方法，在這些方法中，臺站在上行鏈路中使用ALOHA、分片ALOHA或其它連接協議向基站請求時隙。這種方法的一個例子是在轉讓給NEC USA，Inc.的美國專利5638371中公開的系統。本發明無需基站進行時隙分配。
最近提出了許多協議，以便在不需要中央基站的情況下提供動態時隙分配。這些協議可被分類成與拓撲結構無關的時間調度協議和與拓撲結構相關的時間調度協議。
Shepard(T.Shepard，“A Channel Access Scheme for Large DensePacket Radio Networks”，Proc.SIGCOMM 96，1996；T.Shepard，“Scalable，Self-Configuring Packet Radio Network Having DecentralizedChannel Management Providing Collision-Free Packet Transfer”，美國專利5682382，1997年10月28日)，Chlamtac等(I.Chlamtac等，“Time-Spread Multiple-Access(TSMA)Protoeols for Multihop MobileRadio Networks”，IEEE/ACM Transactions on Networking，Vol.5，no.6，1997年12月)，以及Ju和Li(Ji-Her Ju，Victor O.K.Li，“An OptimalTopology-Transparent Scheduling Method in Multihop Packet RadioNetworks”，IEEE/ACM Transactions on Networking，Vol.6，no.3，1998年6月)提出了與拓撲結構無關的時間調度協議。在這些協議中，節點被預先分配(例如借助它們的節點ID)，或者采用它們發布的傳輸時間表，這種時間表規定節點發射和接收的時間。協議保證或提供節點的時間表中的至少一個傳輸時間不會與一個或兩個中繼段之外的任意節點沖突的高可能性。在Chlamtac和Ju的方法中，節點不能確定哪些傳輸會取得成功，使高層(例如鏈路層)協議的工作變得復雜。這些方法還需要網絡中節點總數的數值，以及每個節點的鄰居的最大數目，作為算法的輸入參數，從而使它們為最壞情況條件而設計(從而，如果網絡不如預期那樣密集，則效率低)，或者對實際的網絡條件敏感(如果網絡比預期的大或者更密集)。通過假定節點與它們的鄰居同步，了解其鄰居的時間表，并且能夠同時從多個發射鄰居接收，Shepard的方法避免沖突。這種決定性的假定要求相當復雜的無線電硬件。
Zhu和Corson(C.Zhu.，M.S.Corson，“A Five-Phase ReservationProtocol(FPRP)for Mobile自組織Networks”，Proc.IEEE INFOCOM98)及Tang和Garcia-Luna Aceves(Z.Tang和J.J.Garcia-Luna-Aceves，“A Protocol for Topology-Dependent Transmission Scheduling”，Proc.IEEE Wireless Communications and Networking Conference 1999(WCNC 99)，New Orleans，Louisiana，September 21-24，1999；Z.Tang和J.J.Garcia-Luna-Aceves，“Hop-Reservation Multiple Access(HRMA)for Multichannel Packet Radio Networks”，Proc.IEEE IC3N 98SeventhInternational Conference on Computer Communications and Networks，Lafayette，Louisiana，October 12-15，1998)提出了取決于拓撲結構的調度協議，從而節點獲得允許節點在不受離其一到兩個中繼段的節點干擾的情況下，進行發射的傳輸時間表，從而隨著每個節點的鄰居數目的降低，信道復用被增大。這些協議要求節點競爭，以便保存無沖突時隙，在每個小時隙上完成競爭。此外，它們依賴于將每個時隙分成數個小時隙。所有這些限制了時隙可具有的最小持續時間。本發明不要求細分時隙，不要求節點在小于一幀時間內對鄰居作出響應。
提出了基于TDMA的數種方法，這些方法需要初始的與拓撲結構無關的時間表，隨后在網絡節點中進行通信，以便協商最終的時間表。Chlamtac(I.Chlamtac，“Fair Algorithms for Maximal Link Activation inMultihop Radio Networks”，IEEE Transactions on Communications，Vol.COM-35，no.7，July，1987)提出一種算法，所述算法以在算法的多次迭代之后，能夠適用于通信要求的重復鏈路時間表為基礎。該算法開始于“每個鏈路單一時隙”時間表，例如通過按照其節點ID向每個節點分配一個傳輸時隙提供的時間表。在每次重復，在路由樹(借助現有算法建立)來回發送調度信息和調度“權標”，根據其未滿足的通信要求的程度，向節點或鏈路分配額外的時隙。Ephremides和Truong(A.Ephremides，T.Truong，“Scheduling Broadcasts in Multihop RadioNetworks”，IEEE Transactions on Communications，Vol.COM-38，No.4，April，1990)提出一種類似的算法，其中一開始，每個節點被分配對應于其節點ID的一個時隙，隨后每個節點使用它們的分配時隙向其鄰居傳送“骨架”時間表。在接下來的兩幀(通信時間表的兩次重復)內，根據固定的節點優先權，節點能夠搶奪可用時隙，直到所有可用時隙被占用為止(即，在不導致沖突的情況下，不再存在可分配的任意時隙)。由于關于固定時間表的需要，需要反復幾次才收斂，以及由于調度-幀大小等于網絡的最大大小，因此這些方法的可擴展性和相對于移動性或其它動態的魯棒性有限。Young(C.D.Young，“USAPA Unifying DynamicDistributed Multichannel TDMA Slot Assignment Protocol”，Proc.IEEEMILCOM 96 OCTOBER 1996)提出的方法也需要每個節點一個時隙的初始分配，隨后要求關于其它時隙的分配的調度分組的協商。但是，初始分配的時隙被局限于每“幀”中的第一時隙。從而，每N個幀出現每個節點的分配時隙，這里N是最大網絡大小。由此，該方法不依比例縮放。另外，就適應動態通信條件來說，該方法相當緩慢，因為在鄰居確認提出的時間表增加(addition)之前，節點需要等待多達N幀。
結合近鄰建立的傳輸調度(NETS)協議(J.J.Garcia-Luna-Aceves，D.Beyer和C.Fullmer，“A Protocol for Neighborhood EstablishedTransmission Scheduling”，Docket No.003867.P005，1999年10月15日)，利用魯棒環境自適應鏈路/MAC(REALM)協議(D.Beyer，J.J.Garcia-Luna-Aceves，和C.Fullmer，“Adpative CommunicationProtocol for Wireless Networks”，美國專利申請，1999年2月10日，Docket No.003867.P001)消除了現有技術中關于MAC協議的多數上述局限性。
REALM是一種無需發送器和接收器之間的信號交換，實現防撞的MAC協議。REALM采取組織成分成時隙的時間幀的同步網絡。在REALM中采取的同步量和利用跳頻無線電，例如設計成在ISM波段工作，目前可從市場購得的那些跳頻無線電工作的任意網絡中所需的同步類型相同。實施REALM的節點必須了解其單跳和雙跳鄰居的身份和網絡中的當前時間(例如當前幀的編號)。根據該信息，以及輔助信息，每個節點評估某一函數(例如，散列函數)，所述函數確定性地規定哪個節點應在幀的哪個時隙中傳送。通過改變每幀中，指定節點能夠在幀的某一時隙中傳送的優先權，REALM實現公平性。一旦節點的雙跳鄰域中的所有節點具有關于其鄰域的一致信息，由于所有節點使用相同的確定性算法選擇指定時隙的優勝者，避免了沖突。
Bao和Garcia-Luna-Aceves(L.Bao和J.J.Garcia-Luna-Aceves，“ANew Approach to Channel Access Scheduling for自組織Networks”，Proc.ACM MobiCom 2001-Seventh Annual International Conference onMobile Computing and networking，July 16-21，2001，Rome，Italy；L.Bao和J.J.Garcia-Luna-Aceves，“Channel Access Scheduling in自組織Network with Unidirectional Links”，Proc.ACM Dia1M 2001-FifthInternational Workshop on Discrete Algorithms and Methods for MobileComputing and Communications，July 21，2001 Rome，Italy；L.Bao和J.J.Garcia-Luna-Aceves，“A New Collision-Free Medium AccessControl Protocol”，Proc.IEEE MILCOM 2000，Los Angeles，California，October 22-25，2000)提出了信道接入算法，所述信道接入算法按照和REALM類似的方式，在無需發送器和接收器之間的特定信號交換的情況下，實現防撞。這些算法要求每個節點具有雙跳鄰域內所有節點的標識符，并根據該鄰居信息，在指定的時隙內向節點賦予傳輸優先權。采取非特指的算法散布鄰居信息。
單獨使用REALM或者Bao和Garcia-Luna-Aceves提出的算法的局限性在于這些方法以雙跳鄰域中的所有節點競爭在指定給這種無沖突接入的幀的每個時隙中進行傳輸為基礎。如果能夠在先前一幀中傳送的那些節點通報其鄰居，它們將持續一段時間不競爭傳輸時隙，則可實現信道的更高效應用，這可有效減輕節點間的競爭，以及指定節點接入信道時經歷的延遲。
發明內容
本發明的目的在于解決上述提及的不足、缺陷和問題，通過閱讀和研究下面的說明，易于理解本發明。
本發明包括一種無沖突地將分組傳輸到信道中的媒體接入控制(MAC)協議，從而根據節點獲得的關于其本地鄰域的全體節點的信息，以及當本地鄰域中的節點試圖再次傳送時，時隙的通告，向節點分配用于無沖突傳輸的時隙。
根據本發明的一個方面，調度程序可利用網絡的年齡以及與節點相關的獨特標識符。
根據本發明的另一方面，利用其它節點通告的后續傳輸時間的列表，確定每個節點的候選傳輸時間。節點從潛在傳輸時間的列表中丟棄通告的傳輸時間，并利用為不斷變化的輸入樣本，提供不斷變化(偽隨機)的輸出分布的函數，計算其候選傳輸時間。該函數可以是散列函數，加密函數或者查表函數。候選傳輸時間的計算使用關于其未獲得任何通告的傳輸時間的那些節點的標識符。
圖1圖解說明了本發明可在其中工作的自組織網絡；圖2圖解說明了關于IR A-E分配的時隙的例證幀；圖3圖解說明用于選擇物理鄰居的列表，以便在網絡配置分組的壓縮鄰居部分中報告的程序；圖4圖解說明傳輸調度的程序；圖5表示了基本鄰域選舉的程序；圖6圖解說明了網絡配置傳輸程序；圖7圖解說明了當從鄰居接收網絡配置分組時的程序；圖8圖解說明了物理鄰居老化的程序；圖9根據本發明，圖解說明了網絡配置分組的內容。
具體實施例方式
在本發明的例證實施例的下述詳細說明中，參考了附圖，附圖構成所述詳細說明的一部分，并且附圖舉例表示了實踐本發明的具體例證實施例。足夠詳細地說明每個實施例，以使本領域的技術人員能夠實踐本發明，當然可以利用其它實施例，在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，可做出其它改變。于是，下述詳細說明不應被理解為對本發明的限制，本發明的范圍只由附加的權利要求限定。
在說明書和權利要求書內，下述術語采用這里明確相關的含意，除非上下文明確規定。參見附圖，相同的附圖標記表示相同的部分。另外，對單數的引用包括對復數的引用，除非另外指出或者與這里公開的內容不一致。
下面說明自組織網絡中傳輸調度的系統和方法。在下面的說明中，陳述了眾多的具體細節，以便充分理解本發明。但是，對本領域的技術人員來說，實踐本發明顯然不需使用這些具體細節。在其它情況下，為了避免不必要地使本發明難以理解，沒有詳細說明眾所周知的結構和電路。
簡要地說，本發明的目的在于為信道中分組的無沖突傳輸提供一種媒體接入控制(MAC)協議，從而根據節點獲得的關于其本地鄰域的全體節點(constituency)的信息，以及當本地鄰域中的節點試圖再次發射時，時隙的通告，向節點分配用于無沖突傳輸的時隙。
I.定義，基本服務和假定為了便于說明，網絡中使用的無線電接收裝置是半雙工的，并且每次被調到一個信道，不過無線電接收裝置可轉換到任意一個可用信道。類似于以前的基于傳輸調度的MAC協議，本發明假定時間被分片，時隙被組合成幀。幀進一步被組織成epoch。但是，注意根據網絡中使用的無線電接收裝置，即使基于防撞的協議(例如IEEE 802.11)也要求時間被分片，并被組織成幀。對于跳頻無線電接收裝置來說，情況就是這樣，因為所有無線電接收裝置必須一致同意跳頻的起始時間，以及跳變序列的長度。
本發明集中于通過共用信道的廣播傳輸用時隙的分配，從而節點能夠傳送用于建立多個數據信道的傳輸時間表的控制分組，或者數據分組。本發明假定相鄰節點之間的雙向物理鏈接；防撞MAC協議的情況也是一樣的。
在本發明的一個實施例中，利用指定幀中時隙的位置，以及epoch中幀的位置的獨物標識符，識別時隙。借助時間同步算法，利用節點之間達成一致的當前時間識別epoch。在本發明的說明中，術語時隙ID表示基于網絡的“網絡年齡(network age)”的時隙的標識符。每個epoch具有固定數目的幀，每幀具有固定數目的時隙。
執行本發明中描述的方法的節點被稱為因特網無線電接收裝置(IR)。在本發明的說明中，交替使用“節點”和“因特網無線電接收裝置”。
在本發明的一個實施例中，節點利用發射器分配的本地鏈路標識符(用XLID表示)，識別節點的每個鄰居。在本發明的另一實施例中，可利用節點的MAC地址識別節點。在這里給出的本發明的說明中，我們僅僅使用術語節點標識符來表示XLID或節點的MAC地址。借助這兩種節點標識符，ATOM正確工作。每個有效的單跳鄰居被賦予一個節點標識符；并且假定節點向有效鄰居指派連續的節點標識符。借助在本發明范圍之外的方法，實現向鄰居的節點標識符的指派。
圖1根據本發明，表示了本發明可在其中工作的例證自組織網絡。自組織網絡由許多子網20、30、40和50組成，每個子網通過多個IR(100、110、120、130、140、150、160、170和180)擴展因特網。每人IR，100-180是具有IP地址和MAC地址的無線路由器。自組織網絡20通過接入點IR 110連接到因特網900上。IR 110通過局域網40，與因特網路由器200耦接。
在有限時間之后，自組織網絡20中的IR(100-180)具有存在于網絡中的IR的相同列表。換句話說，IR知道其鄰居。
根據本發明的一個實施例，每個IR了解在離其預定數目中繼段范圍內，構成其鄰域的IR的獨特節點ID。例如，IR可了解離其一個、兩個、三個或更多中繼段的鄰居。根據本發明的一個實施例，借助鄰居發現和管理協議，可能還結合控制分組，IR獲悉其直接(單跳)鄰居的存在。借助控制分組，了解雙跳鄰居和離該節點兩個中繼段之外的節點。
不同的協議可用于通過自組織網絡發送信息的通信。
II.交換和保持的信息圖2根據本發明，圖解說明了為IR A-E分配的時隙的例證幀。如圖所示，時隙220(s0-s11)表示在幀230中。向每個時隙分配一個IR(參見220)。為了便于說明，IR按照順序被置于時隙s0-s11之下。IR A-F被賦予一個時隙，從而避免沖突。網絡中的IP被同步，并關于其間將調度分組(例如控制分組)的周期(稱為幀)達成一致。每個幀與因幀而異，并且在整個網絡中已知的“網絡年齡”(NetAge)相關。例如，在每幀恒定整數(S)的時隙，以及每個epoch恒定整數(F)的幀的情況下，借助epoch、幀和時隙使網絡同步。在每個epoch中，從1到F連續對幀編號(“幀編號”)。同樣連續對epoch編號，在E個epoch之后，最終繞回Epoch Number 1。上述網絡年齡可以是與epoch編號聯系的Frame Number，或者如果epoch中幀的數目足夠大，則僅僅是FrameNumber。
為了便于說明，本發明中在節點之間交換的控制分組被稱為“網絡配置分組”。
根據本發明的一個實施例，每個節點包含一個物理鄰域列表，每項包含下述字段地址32位MAC地址距離用該鄰居離當前節點的中繼段表示距離。如果最近從該鄰居成功收到分組(后面說明)，則認為其相隔1個中繼段。
節點標識符 網絡配置分組中用于更高效地識別該節點的編號(或者編號組)對于直接(1-中繼段)鄰居Nbr ID-表示該節點已分配給該鄰居的鄰居編號的編號。
對于間接的2-中繼段鄰居Rep ID-表示該鄰居正在報告該2-中繼段鄰居的編號。
Rep Nbr ID 直接(報告)鄰居用于識別該2-中繼段鄰居節點的Nbr ID對于間接的3-中繼段鄰居(如果繼續存在)Rep ID 表示鄰居正在報告該3-中繼段鄰居的編號。
Rep Rep ID 報告鄰居用于識別其該3-中繼段鄰居節點的報告鄰居的Nbr ID。
Rep Rep Nbr ID 直接鄰居用于識別該3-中繼段鄰居的NbrID。
Xmt Holdoff Time該節點的網絡配置分組傳輸之間的最小數目的幀。節點可增大該釋放(holdoff)時間，并開始報告增大的數目。為了降低其釋放時間，在轉換到降低的時間之前，節點必須在使用舊的釋放時間的同時，首先持續指定數目的幀，通告新的釋放時間。
Next Xmt Time在其之前保證該節點不傳送網絡配置分組的幀&時隙編號。它被初始化成NEXT_XMT_TIME_NOW。作為老化程序的一部分，并且為了避免翻轉問題，每當Next Xmt Time加上節點的XmtHoldoff Time等于或小于當前時間時，該Next Xmt Time也被重置為該值。
Reported Flag 如果在網絡配置分組中，該節點報告了該NextXmt Time，則設置為TRUE，否則設置成FALSE。
網絡配置分組的內容圖9根據本發明的一個實施例，圖解說明了網絡配置分組的內容。
管理消息類型901表示消息的類型。
NumNbrEntries 902是在消息中報告的鄰居的數目。報告的鄰居的數目可能是該節點已知的全體鄰居的一部分。在其后續的網絡配置傳輸中，節點可報告鄰居的后續子集。
NumBSEntries 903是在該消息中報告的網格(mesh)BS鄰居的數目。
嵌入分組標記904表示在網絡配置分組中是否存在嵌入的分組。
Xmt Power 905以2dBm步進，開始于8dBm(即，1111表示38dBm)。
Xmt Antenna 906是用于傳輸消息的邏輯天線。這便于自適應天線系統(AAS)支持多達8個天線方向。
NetEntry MAC地址標記907表示是否存在該項。
網絡基本信道908是節點的網絡中正在使用的基本信道，它是物理信道的邏輯編號，用于廣播調度控制信息。在網絡描述符中，可能的物理信道編號的子集被映像成邏輯信道。
保留字段909被保留。
Netconfig計數910是該節點傳送的網絡配置分組的計數器。
時間戳記911被鄰居用于檢測錯過的傳輸。對于該節點的每次網絡配置傳輸，該計數被加1。當使網絡同步時，同步跳躍計數被用于確定節點之間的優越性。節點可被指派為從外部(例如利用GPS)，使之同步的主時間保持器。這些節點傳送為0的同步跳躍計數。節點與具有較低同步跳躍計數的節點同步，或者如果計數相同，則與具有較小節點ID的節點同步。
Netconfig時間表信息912被用于保存Next Xmt Mx和Xmt HoldoffExponent。Xmt Holdoff Time是在Next Xmt Time之后，網絡配置傳送機會的數目(該節點不適于不傳送網絡配置分組的每個網絡控制子幀，存在網絡配置-1次機會)。
Xmt Holdoff Time＝2(Xmt Holdoff Exponent+4)，下一Xmt Mx包括Next XmtTime，Next Xmt Time是關于該鄰居的下一網絡配置合格間隔，并被計算成范圍2(Xmt Holdoff Exponent+4)*Next Xmt Mx＜Next Xmt Time＜2(Xmt Holdoff Exponent+4)*(Next Xmt Mx+1)。
例如，如果Next Xmt Mx＝3，并且Xmt Holdoff Exponent＝4，則在49和64(由于粒性(granularity)的緣故)傳輸機會之間，該節點將被認為有資格進行其下一網絡配置傳輸，在該時間之前，無資格進行其下一網絡配置傳輸。如果Next Xmt Mx字段被置為Ox1F(都為1)，則應認為該鄰居有資格從該值表示的時間開始，以及之后的每個網絡配置機會進行傳輸(即，視為Xmt Holdoff Time＝0)。
NetEntry MAC地址913表示新節點的存在或發起者。BS節點ID是報告的網格BS節點的節點ID。
跳躍數914是報告節點和報告的網格BS節點之間的跳躍的數目。
Xmt能量(energy)/位915因子是通過該節點需要到達的網格BS的能量/位的指示。Xmt能量/位被計算為Ei＝min/J∈Ni*[Ej->i+Ej]mW*μs，其中N是報告網格BS的一組鄰居，Ei->j＝PTx/Ri->j，其中PTx是從節點i到節點j的傳輸功率(mW)，Ri->j是從節點i到節點j的數據速率(Mbps)。Ej是鄰居j報告的Xmt能量/位。報告的Xmt能量/位因子是除以2(Xmt Energy Unit Exponent-4)的計算Xmt能量/位。Xmt Energy Unit Exponent是在網絡描述符中報告的4位字段。Nbr節點ID 916是報告的鄰居節點的節點ID。
根據本發明的另一實施例，網絡配置分組包括下述信息My MAC Adr 32位MAC地址(作為TSync報頭的一部分)Next Xmt Time 我的Next Xmt Time
Xmt Holdoff Time 我的Xmt Holdoff Time每個網絡配置分組還包括具有下述字段的項的列表(長度Y，TBD)。根據本發明的一個實施例，從節點的1中繼段鄰居(如果在3中繼段調度模式下，還在2中繼段鄰居中)，按照循環方式選擇該列表。可按照其它方式選擇該列表。
Nbr MAC Adr 32位MAC地址距離 1-中繼段(間接)鄰居或2-中繼段鄰居節點標識符或者(Nbr ID)或者(Nbr ID和Rep ID)Next Xmt TimeXmt Holdoff Time另外，每個網絡配置分組包含具有下述壓縮字段的項的列表(長度Z，TBD)。
距離1-中繼段(直接)鄰居或2-中繼段鄰居節點標識符或者(Nbr ID)或者(Nbr ID和Rep ID)Next Xmt TimeXmt Holdoff Time圖3圖解說明了用于選擇物理鄰居的列表，以便在網絡配置分組的壓縮鄰居部分中報告的程序。在開始方框之后，邏輯流動到方框310，在方框310，排除在上面說明的循環列表中報告的鄰居。邏輯轉到方框320，當按照2-跳躍-調度模式操作時，排除所有3-跳躍鄰居項。隨后，在方框330，排除具有“Reported Flag”的所有鄰居項。轉到方框340，依據NextXmt Time對剩余的鄰居項排序。在該網絡配置分組中報告具有未來最遠的Next Xmt Time的Z項。通常，獲悉具有未來最遠的Next Xmt Time的節點比獲悉具有很快副近的Next Xmt Time的節點更有價值，因為在其失時效之前，鄰居將有更多的時間使用該信息。轉移到方框350，當傳輸該網絡配置分組時，上述任意列表中關于所有鄰居的“Reported Flag”被設置成TRUE。該程序隨后轉移到結束方框，并返回處理其它操作。
III.傳輸調度圖4根據本發明，圖解說明傳輸調度的程序。在節點的當前傳輸(“Xmt”)時間(即，當節點傳輸其網絡配置分組時的時隙)中，節點使用下述程序確定其Next Xmt Time。
在開始方框之后，邏輯轉到方框410，在方框410，按照下一傳輸時間對物理鄰居表排序。轉到方框420，對于鄰居表中的每項，將節點的Next Xmt Time加入節點的傳輸釋放時間(Transmit Holdoff Time)，以便達到節點的最近后續傳輸Xmt Time。轉到方框430，程序將Temp Xmt Time設置成等于節點的通告Xmt Holdoff Time和當前XmtTime時間之和。在方框440，成功標記被設置成FALSE。在判定方框450，確定成功標記是否為FALSE。當是時，程序轉到方框455，在方框455，如果Temp Xmt Time等于物理鄰居列表中任意節點的Next XmtTime，則程序將Temp Xmt Time設置成等于下一網絡配置幀/時隙。否則，程序轉到方框460，在方框460，程序確定有資格的競爭節點，所述有資格的競爭節點是物理鄰居列表中，具有等于或小于Temp Xmt Time的最早后續Xmt Time的所有節點。在方框465，利用Temp Xmt Time作為seed，和所有有資格競爭的節點的MAC地址，在該組有資格競爭的節點中進行鄰域選舉。轉到判定方框470，確定該節點是否贏得該選舉。如果該節點未贏得鄰域選舉，則程序轉到方框475，在方框475，Temp Xmt Time被設置成等于下一網絡配置幀/時隙。否則，在方框480，將成功標記設置成TRUE，程序轉到方框485，在方框485，節點的NextXmt Time被設置成等于Temp Xmt Time。
在本發明的一個實施例中，在上面的程序中執行的鄰域選舉和在REALM協議中進行的選舉相同(同時待審的申請No.09/248738，“Adaptive Communication Protocol for wireless Networks”，申請日1999年2月10日)。
圖5根據本發明，表示了基本鄰域選舉的程序。在開始方框之后，程序轉到方框510，在方框510中，在每幀中，每個節點(i)通過利用全局已知的函數(SlotFunc)，計算其候選傳輸時隙(CS(i))，函數(SlotFunc)接受網絡年齡和節點的ID作為輸入。這可表示成CS(i)＝SlotFunc(ID(i)，NetAge)。
轉到方框520，通過利用它們的節點ID，全局已知的網絡年齡，以及相同的SlotFunc函數(CS(i)＝SlotFunc(ID(i)，NetAge))，每個節點計算其2-中繼段鄰域中每個節點(j)的候選傳輸時隙。
當然，每個節點的CS(k)將給出相同的結果，和哪個節點進行計算無關(本地節點，或者其2-中繼段鄰域中的節點之一)。于是，每個節點能夠確定其2-中繼段鄰域中的哪些節點共享相同的候選傳輸時隙(如果有的話)。根據CG(i)＝(jCS(i)＝CS(j))，將這些的ID置于節點i的關于該幀的競爭者組(CG(i))中。
轉到方框530，利用節點ID，調度幀編號，以及節點的優先權偏移(可選)作為全局已知的優先權函數(PriorityFunc)的輸入，每個節點(i)計算其競爭者組中每個節點的優先權PR(j)，確定這些競爭者中，哪個節點具有關于該幀的優先權。這可用PR(j)＝PriorityFunc(ID(j)，NetAge)+PB(j)表示。PriorityFunc(a，b)產生對每個可能的輸入“a”來說，唯一的編號。如果不使用優先權偏移，則PB(j)被置為0。
隨后，在方框540，如果PR(i)大于競爭者組中的任意PR(j)，或者如果PR(i)與最大值相同，如果所有的優先權偏移都為0，則理應成為最大值，則節點(i)將它自己看作競爭的優勝者。
如果節點(i)是其競爭者組中的優勝者，并且如果其PR(i)等于或大于優先權閾值，則節點(i)可在當前幀中傳送其候選傳輸時隙CS(i)。
程序隨后轉到結束方框，并返回處理其它操作。
圖6根據本發明，圖解說明了網絡配置傳輸程序。當達到當前節點的Next Xmt Time時，系統執行圖6所示的程序。
在開始方框之后，程序轉到方框610，在方框610，程序利用Xmit_Scheduling程序，確定節點的Next Xmt Time。轉到方框615，程序確定其Next Holdoff Time(基于其物理鄰居表的大小的函數，具有如上所述關于如何處理減少的一些限制)。轉到方框620，確定是否設置了“SKIP THIS NETWORK CONFIGURATION TRANSMIT”標記。當設置了該標記時，程序跳過剩余步驟，轉到結束方框，程序返回處理其它操作。轉到方框652，程序產生(如上所述)網絡配置分組)。隨后，在方框630，對于在循環列表或壓縮列表中報告的所有鄰居項，程序將“Reported Flag”設置成TRUE。在方框635，在適當的幀/時隙邊界，傳送網絡配置分組。
圖7根據本發明，圖解說明了當從鄰居接收網絡配置分組時的程序。在開始方框之后，程序轉到方框710，在方框710，如果需要的話，發射節點的距離被更新為1-中繼段(直接)。轉到方框720，對于通過鄰居，越過最小數目的中繼段到達的每個報告節點，到報告節點的距離被更新為1加上所報告的內容。轉到方框730，更新發射節點和所有報告的節點的Next Xmt Time和Xmt Holdoff Time。轉到方框740，如果找到具有等于當前節點的Next Xmt Time的Next Xmt Time的任意報告鄰居，則設置“SKIP THIS NETWORK CONFIGURATION TRANSMIT”標記(上面使用的)。這可表現為具有起因于信道動力學或活動性的拓撲結構變化的瞬時情況。隨后，在方框750，如果利用物理鄰居表中的信息，不能將壓縮鄰居表中任意報告節點的節點標識符還原成鄰居項(具有MAC地址)，則跳過該項。
圖8根據本發明，圖解說明了物理鄰居老化的過程。周期性地，該程序在物理鄰居列表上運行。在開始方框之后，程序轉到方框810，在方框810，對于Next Xmt Time加上其Xmt Holdoff Time等于或小于當前時間的任意鄰居，將Next Xmt Time設置成NEXT_XMT TIME NOW。轉到方框820，項的Aging Time被重置為現在。轉到方框830，對于具有NEXT XMT TIME NOW和等于過去某一(TBD)時間的Aging Time的任意鄰居，到該鄰居的距離被加1。轉到方框840，如果這種增大導致距離3-中繼段(或者在3-中繼段調度模式下，導致4-中繼段)，則刪除該鄰居項。否則，程序轉到方框850，在方框850，鄰居項的Aging Time被再次重置為現在。
壓縮方法在網絡配置分組中，Next Xmt Time可被壓縮成3-4位，形成相對于某一整體塊邊界四舍五入的Next Xmt Time(每個塊包含許多網絡配置傳輸機會)。利用公式Xmt Holdoff Time＝2(x+4)，可將Xmt Holdoff Time量化成范圍為16～2048幀/時隙的3位。
上述說明，例子和數據提供了本發明的組成物的制造和使用的完整說明。由于在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可做出本發明的許多實施例，因此本發明的范圍由下面附加的權利要求限定。
權利要求
1.一種分發分組調度的系統，包括物理鄰域列表，其中所述物理鄰域列表是與自組織網絡中的節點相關的數據結構，并且包括傳輸時間參數；和響應于所述傳輸時間參數而傳送的控制分組。
2.按照權利要求1所述的系統，還包括用于壓縮物理鄰域列表的壓縮器。
3.按照權利要求1所述的系統，其中所述控制分組是網絡配置分組。
4.按照權利要求1所述的系統，其中所述傳輸時間參數是傳輸釋放(holdoff)時間。
5.按照權利要求1所述的系統，其中所述傳輸時間參數是下一傳輸時間。
6.按照權利要求1所述的系統，其中所述傳輸時間參數包括傳輸釋放時間和下一傳輸時間。
7.按照權利要求1所述的系統，其中所述物理鄰域列表包括與傳輸時間參數相關的報告標記。
8.一種分發分組調度的方法，包括確定與自組織網絡中的節點相關的物理鄰域信息，其中所述物理鄰域信息包括節點標識符和傳輸時間參數；根據所述物理鄰域信息，產生控制分組；和根據所述傳輸時間參數，傳送所述控制分組。
9.按照權利要求8所述的方法，其中所述控制分組是網絡配置分組。
10.按照權利要求8所述的方法，其中所述控制分組包括距離參數；節點標識符；下一傳輸時間；和傳輸釋放時間。
11.按照權利要求8所述的方法，其中所述控制分組是可配置的。
12.按照權利要求8所述的方法，其中所述控制分組是自適應的。
13.按照權利要求10所述的方法，其中所述控制分組還包括MAC地址。
14.按照權利要求8所述的方法，其中所述物理鄰域信息還包括對所述傳輸時間參數作出反應的報告標記。
15.按照權利要求8所述的方法，其中所述傳輸時間參數是傳輸釋放時間。
16.按照權利要求8所述的方法，其中所述傳輸時間參數是下一傳輸時間。
17.按照權利要求8所述的方法，其中所述傳輸時間參數包括傳輸釋放時間和下一傳輸時間。
18.一種將多個鄰居項壓縮到包含在網絡配置分組中的鄰域列表中的方法，包括當在循環列表中報告鄰居項；當按照雙跳調度模式操作時，如果鄰居項是三跳鄰居項；以及設置與所述鄰居項相關的報告標記時，排除所述鄰居項；和如果鄰居項未被排除，則將所述鄰居項包含在所述壓縮鄰域列表中。
19.按照權利要求18所述的方法，其中當傳輸所述網絡配置分組時，所述報告標記被設置成“true”。
20.按照權利要求18所述的方法，還包括根據與所述鄰居相關的傳輸參數，對所壓縮的鄰域列表排序的步驟。
21.一種傳送和自組織網絡中的節點相關的網絡配置分組的方法，包括確定與所述節點相關的下一傳輸時間；確定與所述節點相關的下一釋放時間；評估跳過傳輸標記，如果設置了跳過傳輸標記產生網絡配置分組；根據所述鄰居項是否已被報告，產生和所述鄰居項相關的報告標記；和傳送所述網絡配置標記。
22.一種自組織網絡中傳輸調度的方法，包括根據與鄰居項相關的下一傳輸時間，在物理鄰居列表中對所述鄰居項排序；計算每個鄰居項的最早后續傳輸時間；將與鄰居節點相關的臨時傳輸時間設置成等于與所述鄰居節點的通告傳輸釋放時間和與所述鄰居節點相關的當前傳輸時間之和；舉行鄰域選舉；和根據所述鄰域選舉，調度下一傳輸時間。
23.按照權利要求22所述的方法，其中所述計算最早的后續傳輸時間的步驟還包括計算與所述鄰居項相關的下一傳輸時間和與所述鄰居項相關的傳輸釋放時間的和。
24.按照權利要求22所述的方法，其中有資格的競爭節點包括物理鄰居列表中，最早的后續傳輸時間等于或小于臨時傳輸時間的鄰居節點。
25.按照權利要求24所述的方法，其中所述舉行鄰域選舉的步驟還包括確定有資格的競爭節點；和當有資格的競爭節點未贏得選舉時，將臨時時間設置成等于下一網絡配置幀。
26.按照權利要求25所述的方法，還包括確定與所述節點相關的臨時傳輸時間何時等于所述物理鄰居列表中節點的下一傳輸時間；并且將所述臨時傳輸時間設置成等于下一網絡配置幀。
全文摘要
本發明提供一種無沖突地將分組傳輸到信道中的媒體接入控制(MAC)協議，從而根據節點獲得的關于其本地鄰域的全體節點的信息，以及當本地鄰域中的節點試圖再次傳送時，時隙的通告，向節點分配用于無沖突傳輸的時隙。調度程序可利用網絡的年齡以及與節點相關的獨特標識符。利用其它節點通告的后續傳輸時間的列表，確定每個節點的候選傳輸時間。節點從潛在傳輸時間的列表中丟棄通告的傳輸時間，并利用為不斷變化的輸入樣本，提供不斷變化(偽隨機)的輸出分布的函數，計算其候選傳輸時間。該函數可以是散列函數，加密函數或者查表函數。候選傳輸時間的計算使用關于其未獲得任何通告的傳輸時間的那些節點的標識符。
文檔編號H04B7/26GK1547860SQ02816670
公開日2004年11月17日 申請日期2002年8月26日 優先權日2001年8月25日
發明者戴維·貝爾, 約瑟·J.·格斯爾－路納－俄思維斯, J. 格斯爾-路納-俄思維斯, 戴維 貝爾 申請人:諾基亞公司