具有服務質量協議分級結構的移動自組織網絡及相關方法

專利名稱：具有服務質量協議分級結構的移動自組織網絡及相關方法
背景技術：
在過去十年期間，無線網絡經歷了快速增長的發展。發展最快速的領域之一是移動自組織網絡(mobile ad hoc network，MANET)。在物理上，MANET包括大量的地理上分布的、可能移動的節點，這些節點共享一個或多個公共無線信道。與諸如蜂窩網絡或衛星網絡的其它類型的網絡相比，MANET的最獨特的特征是缺少任何固定基礎設施。該網絡是由移動(和可能靜止)的節點形成，并且當節點相互通信時即時地被創建。該網絡不依賴于特定節點，并且當某些節點加入或其它節點離開網絡時，動態地調整。
在固定通信基礎設施不可靠或不可用的不利環境中，例如在戰場或被地震或颶風襲擊的自然災害區中，可以快速地部署MANET，以便提供非常需要的通信。雖然軍用仍然是該網絡發展背后的主要驅動力，但是自組織網絡正在民用或商用領域內很快地找到新的應用。MANET將允許人們和應用程序在野外或在室內交換數據，其中除了他們通過簡單地導通其計算機或PDA而創建的網絡結構之外，無需使用任何其它網絡結構。
隨著無線通信日益滲透到日常生活，MANET的新應用將繼續出現，并且變成無線通信中的重要因素。可是，MANET向設計者提出了嚴重的挑戰。由于缺少固定基礎設施，當節點移動、加入或離開網絡時，它們必須自組織和重新配置。所有節點本質上是相同的，并且在網絡中沒有自然的分級結構(hierarchy)或中央控制器。必須在節點之間分配所有功能。節點通常由電池供電，并且具有有限的通信和計算能力。另外，系統的帶寬通常是有限的。兩個節點之間的距離通常超出無線傳輸范圍，傳輸在到達其目的地之前可能必須由其它節點中繼。因此，MANET網絡典型地具有多跳(multi-hop)拓撲，并且該拓撲隨著節點到處移動而改變。
因特網工程任務組(IETF)的MANET工作組已經積極地評價并且標準化包括多點傳送協議的路由選擇協議。因為網絡拓撲隨著節點移動而任意地改變，所以信息受影響而變得過時，并且在時間(信息可能在某些節點處是過時的，但在其它節點處是最新的)和空間(節點可能僅僅知道其附近的網絡拓撲，而不知道其遠處的網絡拓撲)上，不同的節點通常具有不同的網絡視圖。
路由選擇協議需要有可能采用不太準確的信息來適應于頻繁的拓撲改變。由于該獨特要求，因此該網絡中的路由可能與其它網絡很不一樣。搜集關于整個網絡的最新信息通常是昂貴且不切實際的。某些路由選擇協議是反應式(reactive)(即，按需)協議。也就是，它們僅僅在必要時才收集路由選擇信息，并且僅僅收集到它們需要向其取路由的目標的路由選擇信息，并且不維護無用的路由。與總是維護到所有目標的最優路由的先應式協議相比，以這種方法可以減小路由選擇開銷。自組織按需距離矢量(AODV)、動態源路由選擇(DSR)和臨時排序路由選擇算法是在MANET工作組中提出的反應式路由選擇協議的代表。
先應式(proactive)路由選擇協議的例子可以在Clausen等人、標題“Optimized Link State Routing Protocol”、因特網工程任務組(IETF)MANET工作組、因特網草案、2001年10月31日中找到。其它各種路由選擇協議的例子包括在授予Perkins的美國專利No.5,412,654中公開的目標定序距離矢量(DSDV)路由選擇；以及在授予Haas的美國專利No.6,304,556中公開的區域路由選擇協議(ZRP)。ZRP是使用先應式和反應式方案的混合協議。
這些傳統的路由選擇協議在選擇從源節點到目標節點的路由中使用“盡力而為”(best effort)方案。典型地，在這樣的方案中，最小化跳數是主要標準。
MANET中的服務質量(Quality-of-service，QoS)路由選擇日益引起關注。為了提供服務質量，協議不僅需要查找路由，還需要識別和/或確保沿著路由的資源。由于潛在有限的共享網絡帶寬、以及缺乏可以考慮(account for)和控制這些有限資源的中央控制器，節點必須相互協商，以便管理QoS路由所需的資源。由于頻繁的拓撲改變，進一步將此復雜化。由于這些約束，QoS路由選擇比“盡力而為”或最小跳數路由選擇要求更高。
由Chenxi Zhu在標題為“Medium Access Control and Quality-of-Service Routing for Mobile Ad Hoc Networks”的出版物、2001年中，以及由M.Mirhakkak等人在標題為“Dynamic Quality-of-Service forMobile Ad Hoc Networks”的出版物、MITRE公司、2000年中，提出了QoS路由選擇方案的一些例子。Zhu討論了在其拓撲以低或中速率改變的小型網絡中建立保證帶寬的QoS路由。Mirhakkak等人涉及資源預定請求，其指定QoS值的范圍，而網絡承諾在該范圍內提供服務。
由于MANET仍然處于發展初期，因此迄今為止，如同上述現有技術方案的情況一樣，大多數在MANET中實現QoS功能性的嘗試主要聚焦在使用QoS參數來建立路由上。可是，隨著MANET在大小和復雜度方面繼續增加，可能需要另外的QoS功能性，以及用來在不同的網絡協議分級結構層之間高效地分配QoS操作的方式。

發明內容
鑒于上述背景，因此本發明的目的是提供一種實現了QoS協議分級結構的MANET和相關方法。
根據本發明的這個和其它目的、特征以及優點由一種MANET提供，該MANET可以包括多個移動節點，每個節點包括無線通信設備和連接到其的控制器。控制器可以根據多層協議分級結構來操作。更具體地說，控制器可以在應用層設立服務質量(QoS)閾值，并且在應用層下面的QoS支持層，基于QoS閾值而確定是否需要數據接收確認。在QoS支持層下面的QoS編碼層，控制器可以對來自應用層的數據進行編碼，以便傳送到至少一個目標移動節點。
另外，在QoS編碼層下面的QoS路由選擇層，控制器可以基于QoS閾值而選擇到至少一個目標移動節點的至少一個路由。在QoS路由選擇層下面的QoS業務層，控制器可以基于QoS閾值而控制數據業務流。此外，在QoS業務層下面的至少一個較低協議層，控制器可以與無線通信設備協作，以便通過至少一個選定路由將數據傳送到至少一個目標移動節點。這樣，本發明的協議分級結構提供了一種QoS框架，其用于高效且方便地組織協作QoS操作，以便提供增強的QoS。
除了上述層之外，在QoS路由選擇層和QoS業務層之間的QoS轉發(forwarding)層，控制器可以基于QoS閾值而在單點傳送通信模式和多點傳送通信模式之間選擇。如此，在至少一個較低協議層，控制器可以有利地與無線通信設備協作，以便基于選定通信模式傳送數據。
舉例來說，至少一個較低協議可以包括無線適配層，其提供用于QoS業務層的接口。此外，至少一個較低協議層還可以包括介質訪問層和物理層。
因此，在物理層，控制器可以與無線通信設備協作，以便確定用于至少一個選定路由的QoS量度。此外，在QoS路由選擇層，控制器可以確定QoS量度是否低于QoS閾值。如此，在物理層，控制器可以與無線通信設備協作，以便基于QoS量度已低于QoS閾值的確定而調整至少一個信號特征。舉例來說，至少一個信號特征可以包括功率、增益、和/或信號模式。這樣，可以有利地調整信號特征，以便提高信號連接性或者減少干擾。事實上，可以調整這些特征，以便不僅在接收節點處減少干擾，還在相鄰節點處減少非故意的干擾。
另外，在QoS支持層，控制器可以基于從其它移動節點接收的各自QoS路由請求和內部的QoS量度，確定是否許可來自該其它移動節點的業務。此外，QoS路由請求可以具有各自的業務流標識符和與此相關的第二QoS閾值。如此，在QoS業務層，控制器可以基于各自的業務流標識符，有利地管制(police)所許可的業務，以便確保所許可的業務不超出各自的第二QoS閾值。舉例來說，內部QoS量度可以包括可用功率、可用帶寬、最近出錯率和最近延遲中的至少一個。
在QoS分組編碼層，控制器還可以使用前向糾錯(FEC)算法對數據進行編碼，以便基于QoS閾值而生成數據的糾錯數據。此外，至少一個選定路由可以包括多個選定路由，并且控制器可以交織糾錯數據和數據，并且在該多個選定路由之間分配所交織的數據。因此，通過執行FEC并且在多個路由之間分配所交織的數據，從而即使當一個路由不能工作時MANET也允許糾正被破壞的數據分組，由此允許如果必要的話在建立新路由時繼續傳送。此外，可以在多個路由之間分散與FEC編碼相關聯的附加數據量，這樣減輕了增加的帶寬要求。
此外，在QoS路由選擇層，控制器可以基于QoS閾值和傳送外出數據所需的能量使用級別，對外出數據執行負載調整(load-leveling)。這有利地允許針對給定情形，適當地平衡給定應用所需的功耗、可用QoS和QoS閾值。
另外，無線通信設備可以在多個信道上操作，并且選定路由可以與多個信道中的一個相關聯。因此，在至少一個較低協議層，控制器可以有利地與無線通信設備協作，以便當選定路由的QoS級別低于QoS閾值時，搜索至少一個其它的可用信道。
本發明的方法方面用于在MANET例如上面簡述的MANET中操作移動節點。該方法可以包括在應用層設立QoS閾值，并且在應用層下面的QoS支持層，基于QoS閾值而確定是否需要數據接收確認。此外，在QoS支持層下面的QoS編碼層，可以對來自應用層的數據進行編碼，以便傳送到至少一個目標移動節點。在QoS編碼層下面的QoS路由選擇層，可以基于QoS閾值而選擇到至少一個目標移動節點的至少一個路由。另外，在QoS路由選擇層下面的QoS業務層，可以基于QoS閾值而控制數據業務流。此外，該方法還可以包括在QoS業務層下面的至少一個較低協議層，使無線通信設備通過至少一個選定路由將數據傳送到至少一個目標移動節點。


圖1是根據本發明的MANET的示意性方框圖。
圖2是在圖1的MANET中實現的多層協議分級結構的可選實施例的示意性方框圖。
圖3和4是分別示出在根據本發明調整信號傳送功率以便提高信號連接性之前和之后的MANET的示意性方框圖。
圖5和6是分別示出在根據本發明調整源移動節點處的信號傳送功率以便減少相鄰移動節點處的信號干擾之前和之后的MANET的示意性方框圖。
圖7是在根據本發明調整源移動節點處的信號傳送天線模式以便類似地減少相鄰移動節點處的信號干擾之后的、圖5的MANET的示意性方框圖。
圖8-11是示出根據本發明的用于在MANET中操作移動節點的方法的流程圖。
具體實施例方式
現在將參考示出了本發明優選實施例的附圖，在下文中更全面地描述本發明。然而，本發明可以以很多不同形式實施，并且不應當被解釋為局限于此處闡述的實施例。相反，提供了這些實施例，以便使這個公開內容變得徹底和完整，并且向本領域的技術人員全面傳達本發明的范圍。相同標號始終引用相同的單元，并且原始標記和多個原始標記用來表示可選實施例中的類似單元。
初始參考圖1，根據本發明的MANET 20說明性地包括多個移動節點21-28。在所示示例中，移動節點21用作源節點，而移動節點25用作源節點試圖與其通信的目標節點。節點21-28可以是能夠在MANET內通信的任何適當類型的移動設備，如計算機、個人數據助理(PDA)等等，例如包括無線通信設備30、以及本領域的技術人員所理解的其它設備。當然，還應當理解，如果需要的話，在某些應用中，節點21-28中的某些節點可以可選地連接到固定通信基礎設施。
此外，源移動節點21說明性地包括控制器31，下面將描述其操作。舉例來說，如本領域的技術人員所理解的那樣，可以使用微處理器、存儲器、軟件等來實現控制器31。此外，如圖所示，無線通信設備30可以包括無線調制解調器、無線局域網(LAN)設備、蜂窩電話設備等，以及相關的天線。舉例來說，如本領域的技術人員所理解的那樣，可以使用一個或多個相控陣列天線(以及其它適當的天線)。還應當理解，移動節點23-28同樣也優選地包括適當的無線通信設備/控制器，為說明清楚起見，其沒有在圖1中示出。
控制器31執行的一個功能是在源移動節點21和目標移動節點25之間建立一個或多個路由，以便在其間傳輸數據。在示例性實施例中，說明性地示出了單個路由，其經過移動節點22-24并且包括無線通信鏈路29a-29d。應當注意，雖然為說明清楚起見，僅僅示出了單個路由，但是根據本發明可以使用任何數目的路由。
如本領域技術人員所理解的那樣，例如，MANET路由可以將任何數目的中間節點包括在其中，這取決于網絡大小和節點之間的鄰近度。典型地，沿著路由的每個中間節點被稱為“跳躍點(hop)”，這樣，經過多個中間節點的路由有時被稱為“多跳”路由。應當理解，雖然為說明清楚起見，在本例中示出了相對少數目的中間節點22-24，但是MANET20可以將任何數目的節點包括在其中。此外，應當理解，到目標移動節點25的部分路由還可以包括有線基礎設施。
還應當理解，控制器31建立路由的方式將取決于在MANET 20中實現的具體MANET路由選擇協議。如上所述，這可以使用先應式協議、反應式協議或者通過其組合來實現，其中先應式協議連續地保持路由選擇信息最新，而反應式協議在存在將數據發送到目標節點22的需要時按需發現路由。根據本發明，可以使用任何適當的MANET協議例如上述MANET協議來建立路由。
雖然MANET仍然處于其的相對初期并且尚未采用任何通用標準，但是如同其它無線網絡(例如，無線LAN)一樣，在MANET內的數據通信將很可能遵循開放式系統互連(OSI)架構(或其的某種變體)。作為背景，OSI是網絡協議分級結構，其包括七個不同的控制層，即(從最高到最低)，應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。
一般而言，在OSI模型中，在始發節點或終端處，從應用層開始直至物理層，控制從一層傳遞到下一層。然后，跨越網絡發送數據，并且當其到達目標終端/節點時，以相反次序沿著分級結構向上(即，從物理層到應用層)處理它。此外，典型地，與每個特定層相對應的數據在網絡級被組織到被稱為分組的協議數據單元(PDU)中。
根據本發明，控制器31類似地根據多層協議分級結構32操作，以便為QoS操作提供集成框架。一般而言，多層協議分級結構包括較高協議層33、一個或多個中間協議層34和較低協議層35，在其上執行補充的QoS操作，以便提供增強的QoS功能性。
更具體地說，在圖2中說明性地示出了多層協議分級結構32′的示例性實施例，并且在圖8和9中示出了用于使用其的相關方法。應當注意，為說明和理解清楚起見，說明性地用虛線示出和標注了執行圖8和9所示的方法步驟的各個協議層。根據多層協議分級結構32′，從塊80開始，控制器31可以在應用層36′，對跨越MANET 20的數據傳輸設立服務質量(QoS)閾值(塊81)。更具體地說，應用層36′優選地是創建或處理要被傳送的數據的層。
QoS閾值(或服務類型，TOS)將根據在該較高層運行的特定應用而改變。例如，諸如視頻或音頻數據的時間敏感數據可以要求大于文本數據文件的QoS閾值，以便維護其完整性。定義特定應用所需的QoS閾值的一種常見方式是通過對于數據傳輸能夠容忍的總計端到端延遲。然而，根據本發明，可以使用很多其它QoS參數來定義QoS閾值。例如，如本領域的技術人員所理解的那樣，這樣的參數可以包括可用帶寬、出錯率、端到端延遲變化、跳數、期望路徑持久性、優先級等中的一個或多個。
在塊82，在應用層36′下面的QoS支持層37′，控制器31基于QoS閾值和模式，確定是否需要數據接收確認。也就是，如本領域的技術人員所理解的那樣，在某些情形下，將期望讓接收移動節點確認所傳送數據的接收(“Ack”)，并且/或者當不能確認數據的正確接收(“Nack”)時，通知源移動節點21。 QoS支持層37′可以在概念上被看作相對于OSI模型的會話和/或傳輸層，如圖2所示。
例如，當源移動節點21需要執行到相鄰節點的“可靠”多點傳送操作時，數據分組接收確認可能是特別有用的。舉例來說，如果將移動節點組織成群集或組，并且源移動節點21用作群集領導節點，則它可能需要將更新的網路拓撲信息或其它控制數據發送到其群集中的其它節點。這樣，源移動節點21可以請求這些節點確認該重要數據的接收。當然，在很多其它情形下，可以基于數據的重要性和額外Ack/Nack傳送所需的開銷，根據需要而使用數據確認。
此外，可以在QoS支持層37′執行的另一特別有利的功能是高級許可控制。更具體地說，從塊89(圖9)開始，控制器31可以基于從其它移動節點接收的各自QoS路由請求和源節點21的內部QoS量度，確定是否許可來自其它移動節點的業務。也就是，控制器31基于其自己的QoS要求/資源以及請求訪問源節點21的資源的其它移動節點的QoS要求/資源，基本上確定目前它可以支持什么類型的業務。
舉例來說，內部QoS量度可以包括可用功率、可用帶寬、最近出錯率和最近延遲中的一個或多個。為說明清楚起見，許可控制操作被示出為在與圖2中的QoS支持層37′相獨立的塊47′中執行。然而，可以由相同的控制器或處理器在QoS支持層37′執行這些操作中的一些或全部(不過，也可以由獨立的處理器并且在其它層執行它們)。在2002年4月29日提交的、并且轉讓給本受讓人的、共同未決的美國申請序列號10/134,173中提供了關于這樣的許可控制操作的更多細節，在此將其全文引作參考。
在塊83，在QoS支持層37′下面的QoS分組編碼層38′，控制器31對來自應用層36′的數據進行編碼，以便傳送到(一個或多個)目標移動節點25。當然，本領域的技術人員應當理解，還可以在QoS分組編碼層38′以及使用與由發送移動節點使用的編碼算法互補的解碼算法，對要由應用層36′的控制器31使用的、從其它移動節點接收的數據分組進行解碼。
一種特別有利的編碼方案是使控制器31使用前向糾錯(FEC)算法對數據進行編碼，以基于QoS閾值生成數據的糾錯數據。而且，控制器31還可以選擇多個路由，以便將數據傳送到目標移動節點25。在此情況下，在塊91，控制器31可以有利地交織要被傳送的糾錯數據和數據分組，并且在多個選定路由之間分配所交織的數據。
這樣，通過執行FEC并且在多個路由之間分配所交織的數據，即使當失去一個路由時，MANET也允許糾正被破壞的數據分組，從而允許如果必要的話在建立新路由時繼續傳送。此外，可以在多個路由之間分散與FEC編碼相關聯的附加數據量，這樣減輕了增加的帶寬要求。在2003年2月19日提交并且轉讓給本受讓人的、共同未決的美國申請序列號10/369,313中，提供了關于可以在QoS分組編碼層38′執行的FEC/交織操作的更多細節，在此將其全文引作參考。
在塊84，可以在QoS編碼層38′下面的QoS路由選擇層39′執行路由選擇。一般而言，控制器31使得將QoS路由請求發送到相鄰移動節點，以便發現到(一個或多個)期望目標移動節點的潛在路由。然后，將路由確認返回到源移動節點21，其包括路由可以支持或提供什么QoS級別的指示或量度。然后，可以將可用路由列表存儲在路由選擇表45′中，控制器31基于路由選擇算法，從其選擇(一個或多個)期望路由。在以下申請中描述了若干特別有利的、用于在MANET內建立一個或多個路由并且跨越其發送數據的方案，即，2002年8月8日提交的共同未決美國申請序列號10/214,997、2002年6月19日提交的共同未決美國申請序列號10/174,721、以及標題為“ROUTE SELECTION IN MOBILEAD-HOC NETWORKS BASED ON TRAFFIC STATEINFORMATION”、律師事務所案號為GCSD-1468(51334)的共同未決申請，這些申請全都被轉讓給本受讓人，并且在此將其全文引作參考。
此外，在塊92，控制器31可以可選地基于QoS閾值和傳送外出數據所需的能量使用級別(即，功率)，在QoS路由選擇層39′對外出數據執行負載調整。這有利地允許針對給定情形，適當地平衡給定應用所需的功耗、可用QoS和QoS。在標題為“LOAD LEVELING IN MOBILEAD-HOC NETWORKS TO SUPPORT END-TO-END DELAYREDUCTION，QoS AND ENERGY LEVELING”的、律師事務所案號為GCSD-1470(51336)的共同未決申請中，提供了關于負載調整操作的更多細節，在此將其全文引作參考。
另外，在塊93，在QoS路由選擇層39′下面的QoS轉發層40′，控制器31優選地在單點傳送通信模式和多點傳送通信模式之間選擇。更具體地說，控制器31可以在應用層36′針對給定應用指示將在QoS轉發層40′選擇的特定類型的通信模式(例如，用于群集領導節點廣播的可靠多點傳送通信)。
對于其它應用，可以不必在應用層36′指定具體的通信模式。如此，控制器31可以基于QoS閾值，確定哪個通信模式是適當的。當然，這個確定還可以考慮其它因素，例如，特定的無線通信設備30資源的可用性，特定類型的傳送是否有可能對其它移動節點造成非故意的干擾等。特別地，即使在應用層36′指定了具體的通信模式，控制器也可以在QoS轉發層40′確定基于上述因素中的一個或多個而應該使用不同的通信模式。
此外，在塊85，在QoS轉發層40′下面的QoS業務層41′，控制器31優選地控制數據業務流，并且還可以管理其數據隊列，以維護QoS閾值。特別地，在一個有利的實施例中，上述QoS路由請求可以具有各自的業務流標識符、以及與其相關的第二QoS閾值或上限。如此，在塊94，控制器31可以有利地基于各自的業務流標識符而管制所許可的業務，以便確保所許可的業務不超出各自的第二QoS閾值。在2002年4月29日提交的、轉讓給本受讓人的、共同未決的美國申請序列號10/134,714中，提供了關于這樣的業務管制的更多細節，在此將其全文引作參考。
此外，如本領域的技術人員所理解的那樣，在QoS業務層41′下面的至少一個較低協議層，控制器31與無線通信設備30協作，以便基于從較高層提供的命令/數據，通過(一個或多個)選定路由傳送數據到目標移動節點25，從而結束圖8所示的方法(塊87)。
此外，當單點傳送和多點傳送模式都由控制器31實現時，控制器可以有利地與無線通信設備30協作，以便基于選定的具體通信模式傳送數據。也就是，在塊95-98，根據正被使用的特定類型的通信模式、以及(一個或多個)選定路由的QoS量度，可以調整或裁制(tailor)各種信號傳送特征，從而結束圖9所示的方法(塊99)。下面將進一步討論信號傳送和接收特征的調整。
更具體地說，分級結構32′的較低協議層優選地包括在QoS業務層41′下面的無線適配層42′、在無線適配層下面的介質訪問(MAC)層43′、以及在MAC層下面的物理(PHY)層44′。無線適配層42′在較高協議層與MAC和PHY層之間提供接口，其中后者是控制器31在物理上與無線通信設備30接口之處。當然，本領域的技術人員應當理解，其它層也可以包括在分級結構32′內，例如鏈路層，并且在特定實施例中，可以在不同層實現在此描述的某些功能。
因此，在塊95，在物理層44′，控制器31優選地與無線通信設備30協作，以便確定(一個或多個)選定路由的QoS量度，其可以用來確定是否需要進行任何QoS調整，或者是否在該路由上完全不再可能進行通信。還應當理解，QoS量度不僅用于為已建立的路由維護QoS，而且它們還典型地用于路由發現和選擇，這在圖2中由操作塊46′說明性地示出。另外，應當注意，雖然為說明清楚起見，與無線適配層42′相獨立地示出了塊46′，但是事實上可以在無線適配層(或其它層)執行在其中示出的操作。
在塊96，通過監控選定路由的QoS量度，控制器31在QoS路由選擇層39′可以確定QoS量度是否低于QoS閾值。如果是，則在塊97，在物理層44′，控制器31可以與無線通信設備30協作，以調整一個或多個信號特征，以便改善QoS量度。
現在附加地參考圖3-7和10-11，現在將描述可以如何調整信號特征，以便改善QoS的具體示例。第一個示例是這樣的時候，即QoS量度表明到期望的移動節點如沿著選定路由的下一個移動節點的信號連接性已經降至不合要求的級別(例如，低于QoS閾值)。
關于圖3所示的MANET 50，其包括源移動節點51和與其相鄰的移動節點52-58，源移動節點在由半徑r1限定的區域59′上傳送。這樣，如圖4所示，在如上所述設立QoS閾值，確定QoS量度并且選擇(一個或多個)期望的路由(塊100-103)之后，當確定了QoS量度低于QoS閾值(塊104)時，控制器31在PHY層44′與無線通信設備30協作，以便提高信號傳送功率。如本領域的技術人員所理解的那樣，可以基于一個或多個QoS因素如出錯率、接收信號強度等而確定降低的信號連接性。
結果，MANET 50′的傳送區域59′現在由具有大于半徑r1的半徑r2的圓圈來限定。這樣，例如，如果源移動節點51最初與移動節點54通信，并且它移出范圍(如圖3)，則提高信號傳送功率將使得這個節點處于傳送區域59′之內。
當然，可以采取相反的方案，以便避免無意地對相鄰的鄰近移動節點造成干擾。考慮圖5所示的MANET 60，其說明性地包括源移動節點61和彼此干擾的鄰近移動節點62。特別地，從源移動節點61到移動節點63-67的傳送在移動節點62處造成非故意的干擾。這樣，例如，如果QoS量度表明來自移動節點62的干擾導致不滿足QoS閾值，則控制器31可以確定移動節點61和62這兩個節點彼此干擾，并且相應地降低其信號傳送功率。如此，其信號傳送區域68從由半徑r11限定的圓圈(圖5)減至由半徑r21限定的較小圓圈(圖6)，這將不再造成對移動節點62′的干擾。
除了信號功率之外，還可以調整其它信號特征，以便實現類似的結果(即，提高的節點間連接性，或者減少的干擾)。例如，在圖7所示的情況下，如圖所示，改變了信號傳送天線模式(或波束形狀)，以便從傳送區域68″中排除移動節點62″。如本領域的技術人員所理解的那樣，另一類似的技術是在期望方向上調整信號傳送增益，這也影響傳送區域。
此外，通過基于QoS量度低于QoS閾值的確定而調整信號傳送功率、信號傳送增益和/或信號傳送模式，控制器31還可以有利地調整信號傳送范圍，以便并入更多的移動節點。例如，當需要附加路由時，或者當新的節點加入群集或節點組時，這可能是特別有益的。
在塊106，還可以可選地調整其它信號特征，以便提供改善的QoS。如本領域的技術人員所理解的那樣，例如，可以改變正被執行的錯誤編碼。類似地，控制器31可以與無線通信設備30協作，以便如果QoS量度大于或等于QoS閾值則使用第一調制技術，否則使用第二調制技術來調制數據。舉例來說，適合的調制技術可以包括TDMA、CDMA、FDMA和SDMA等。然后，在塊107，根據調整后的信號特征執行傳送，從而結束所示方法(塊108)。
此外，控制器31與無線通信設備30協作，以便以期望數據速率傳送數據。如此，如本領域的技術人員所理解的那樣，控制器31還可以與無線通信設備30協作，以便基于可用QoS，在必要時調整數據速率。
還應當理解，還可以使用類似技術來減少特定節點從相鄰干擾節點接收的干擾。也就是，目標移動節點可以確定在其上接收數據的路由的QoS量度已經低于在應用層36′設置的QoS閾值(其可以由源移動節點提供，由兩個節點達成協議，或者獨立地設立)。在此情況下，在塊110′和111′(圖11)，例如，如在上面類似地描述的那樣，控制器31可以調整總體信號接收增益和/或信號接收模式，以便減少在接收數據時由干擾移動節點造成的干擾。
另外，無線通信設備30還可以在由圖2中的MAC/PHY列47a′-47c′說明性地代表的多個信道上操作。這樣，如果給定路由與多個信道中的一個相關聯，則控制器31可以與無線通信設備30協作，以便當選定路由的QoS級別低于QoS閾值時，搜索或者監控一個或多個其它可用的物理信道。在2002年4月29日提交并且轉讓給本受讓人的美國申請序列號10/134,862中，提供了這樣的信道監控和選擇的更多細節，在此將其全文引作參考。當然，應當注意，列47a′-47c′也可以對應于其它物理層設置或“調節器(knob)”，例如調制類型、通信模式類型等。
因此，本領域的技術人員應當理解，本發明的協議分級結構提供了一種QoS框架，其用于高效且方便地組織協作QoS操作，以便提供增強的QoS。而且，本發明提供了一種全體且集成的框架，其允許針對特定應用的、基于組件的開發，并且使用場景(scenario)。此外，它還提供了使用業務狀態(例如，利用、剩余容量、跳數、傳輸延遲等)來幫助產生多個可選的源到目標的分組路由。
而且，根據本發明，無線適配層42′可以有利地允許使用多個無線接口(例如，不同的無線類型、接口、物理信道等)。此外，本發明還提供了QoS驅動的PHY層適配，以便改善覆蓋范圍，減少干擾，增加所達到的鄰近節點的數目，并且提高可靠性。另外，根據需要，可以在較高協議層對數據分組進行編碼，以便提供更強的糾錯等，并且還可以有利地使用多個路由來提供更高的可靠性和吞吐量，以及減小端到端的延遲。
權利要求
1.一種移動自組織網絡MANET，包括多個移動節點，每個包括無線通信設備和連接到其的控制器；所述控制器根據多層協議分級結構而操作，用于在應用層，設立服務質量QoS閾值；在應用層下面的QoS支持層，基于QoS閾值而確定是否需要數據接收確認；在QoS支持層下面的QoS編碼層，對來自應用層的數據進行編碼，以便傳送到至少一個目標移動節點；在QoS編碼層下面的QoS路由選擇層，基于QoS閾值而選擇到至少一個目標移動節點的至少一個路由；在QoS路由選擇層下面的QoS業務層，基于QoS閾值而控制數據業務流；以及在QoS業務層下面的至少一個較低協議層，與所述無線通信設備協作，以便通過至少一個選定路由將數據傳送到至少一個目標移動節點。
2.如權利要求1所述的MANET，其中，在QoS路由選擇層和QoS業務層之間的QoS轉發層，基于QoS閾值而在單點傳送通信模式和多點傳送通信模式之間選擇；并且其中，在至少一個較低協議層，所述控制器與所述無線通信設備協作，以便基于選定通信模式而傳送數據。
3.如權利要求1所述的MANET，其中，在QoS支持層，所述控制器基于從其它移動節點接收的各自QoS路由請求和內部的QoS量度，確定是否許可來自所述其它移動節點的業務。
4.如權利要求1所述的MANET，其中在QoS分組編碼層，所述控制器使用前向糾錯(FEC)算法對數據進行編碼，以便基于QoS閾值而生成數據的糾錯數據，以及在傳送其之前，交織糾錯數據和數據。
5.如權利要求1所述的MANET，其中，在QoS路由選擇層，所述控制器基于QoS閾值和傳送外出數據所需的能量使用級別，對外出數據執行負載調整。
6.一種用于根據多層協議分級結構、在包括多個移動節點的移動自組織網絡MANET中操作移動節點的方法，其中移動節點包括無線通信設備，并且該方法包括在應用層，設立服務質量QoS閾值；在應用層下面的QoS支持層，基于QoS閾值而確定是否需要數據接收確認；在QoS支持層下面的QoS編碼層，對來自應用層的數據進行編碼，以便傳送到至少一個目標移動節點；在QoS編碼層下面的QoS路由選擇層，基于QoS閾值而選擇到至少一個目標移動節點的至少一個路由；在QoS路由選擇層下面的QoS業務層，基于QoS閾值而控制數據業務流；以及在QoS業務層下面的至少一個較低協議層，使無線通信設備通過至少一個選定路由將數據傳送到至少一個目標移動節點。
7.如權利要求6所述的方法，還包括在QoS路由選擇層和QoS業務層之間的QoS轉發層，基于QoS閾值而在單點傳送通信模式和多點傳送通信模式之間選擇；并且其中，協作包括與無線通信設備協作，以便基于選定通信模式而傳送數據。
8.如權利要求6所述的方法，還包括在QoS支持層，基于從其它移動節點接收的各自QoS路由請求和內部的QoS量度，確定是否許可來自所述其它移動節點的業務。
9.如權利要求6所述的方法，還包括在QoS分組編碼層使用前向糾錯(FEC)算法對數據進行編碼，以便基于QoS閾值而生成數據的糾錯數據，以及在傳送其之前，交織糾錯數據和數據。
10.如權利要求6所述的方法，還包括在QoS路由選擇層，基于QoS閾值和傳送外出數據所需的能量使用級別，對外出數據執行負載調整。
全文摘要
根據本發明的移動自組織網絡(MANET) (20)可以包括多個移動節點(21－28)，每個包括無線通信設備(30)和連接到其的控制器(31)，其中控制器(31)根據多層協議分級結構(32′)而操作。更具體地說，控制器(31)可以在應用層設立服務質量(QoS)閾值，并且在應用層下面的QoS支持層(37′)，基于QoS閾值而確定是否需要數據接收確認。在QoS支持層下面的QoS編碼層(38′)，可以對來自應用層(36′)的數據進行編碼，以便傳送到(一個或多個)目標移動節點(25)。另外，在QoS編碼層(38′)下面的QoS路由選擇層(39′)，可以基于QoS閾值而選擇到(一個或多個)目標移動節點(25)的至少一個路由。在QoS路由選擇層(39′)下面的QoS業務層(41′)，可以基于QoS閾值而控制數據業務流。
文檔編號H04L12/56GK1856962SQ200480027301
公開日2006年11月1日 申請日期2004年9月1日 優先權日2003年9月9日
發明者約瑟夫·B.·凱恩, 理查德·C.·波恩哈特, 威廉·A.·溫德哈姆 申請人:哈里公司