CN100344165C - 利用邻居信息和通告的传输时间的无冲突传输调度系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分发分组调度的系统，包括：多个节点的自组织网络，这些节点包括第一节点，物理邻域列表，其中所述物理邻域列表是由所述第一节点所保持的数据结构，并且包含传输时间参数，所述传输时间参数与这样的时间周期相关，即在所述时间周期内，所述第一节点没有资格参与传送节点选择，并且所述传送节点选择至少部分地是由优先权函数确定的，以及响应于所述传输时间参数，由所述第一节点传送到所述自组织网络的至少一个其它节点的控制分组。

Description

利用邻居信息和通告的传输时间的无冲突传输调度系统和方法
技术领域
本发明涉及自组织(ad hoc)网络中无冲突的传输调度，在自组织网络中，路由器能够移动，并使主机和网络连接于其上。
背景技术
对于无线网络已提出许多媒体接入控制(MAC)协议。载波检测多址(CSMA)协议是最先用在多跳分组无线电网络中的协议。多跳网络中CSMA的局限性在于相互隐藏的源不能检测它们的传输，这将CSMA的性能降低到纯ALOHA协议的性能。为了解决CSMA的隐藏终端问题，提出并实现了许多MAC协议。CSMA协议的吞吐量很好，只要在相同接收机的范围内的多个发射器能够检测彼此的传输。不幸的是，“隐藏终端”问题显著降低了CSMA的性能，因为这种情况下，载波检测不能避免冲突。
忙音多址(BTMA)协议(F.A.Tobagi和L.Kleinrock，“Packetswitching in radio channels：Part 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)是解决CSMA的隐藏终端问题的第一个协议。BTMA是为基于台站的网络而设计的，将信道分成消息信道和忙音信道。只要基站在数据信道上检测到载波，基站就在忙音信道上传送忙音信号。由于基站在所有终端的视线之内，每个终端能够检测忙音信道，从而确定数据信道的状态。BTMA的局限性在于使用单独的信道来传送数据信道的状态，需要接收器在检测数据信道中的载波的时候，传送忙音，以及难以检测窄带信道中的忙音信号。
还提出一种用于分组无线电网络的接收器发起忙音多址协议(C.Wu.和V.O.K.Li，“Receiver-initiated busy-tone multiple access in packet radionetworks”，ACM SIGCOMM 87 Workshop：Frontiers in ComputerCommunications Technology，Stowe，VT，USA，11-13，Aug.1987)。在这种方案中，在发送数据分组之前，发送器向接收器传送请求发送(RTS)。当接收器获得正确的RTS时，它在单独的信道中传送忙音，提醒其它源它们应后退。正确的源总是被告知它可继续进行数据分组的传输。这种方案的局限性在于它仍然需要单独的忙音信道，以及位于接收器的全双工操作。
根据与小的控制分组有关的，并且当数据分组的源不能彼此听见时意欲避免数据冲突的不同类型的“防撞”信号交换，提出了数种协议。现有技术中的防撞方法遵守Tobagi和Kleinrock在Split-ChannelReservation Multiple Access(SRMA)协议(F.A.Tobagi和L.Kleinrock，“Packet switching in radio channels：Part IH-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以及多数后续的防撞协议中，通过或者在发送RTS之间检测信道，或者在RTS传输之前不检测信道，发送器节点向预定的接收器发送请求发送(RTS)分组。收到无错RTS的接收器清除发送(CTS)表示回答，在收到无错的CTS之后，发送器可发送数据分组。
转让给Echelon Systems Corp.的美国专利No.5319641公开一种通过引入一旦台站具有要发送的分组时，它们必须等待侦听信道的随机等待时间，改进CSMA p-持久协议的方法。所公开的方法在具有隐藏终端的网络中无效。
转让给Apple Computer，Inc.的美国专利No.4661902公开一种方法，该方法实际上是在单一信道中实现SRMA，在台站发送RTS之前，台站在所述单一信道中使用载波检测。
MACA(P.Karn，“MACH-a new channel access method for packetradio”，ARRL/CRRL Amateur Radio 9th Computer NetworkingConference，pp134-40，ARRL，1990)包括一种在单一信道上执行SRMA的技术，在不进行载波检测的情况下，在所述单一信道中发送请求发送(RTS)分组。没有关于如何支持分组串的任何描述。
转让给Proxim，Inc.的美国专利No.5231634公开一种同样在单一信道上应用SRMA的基本途径的方法。RTS规定来临的数据分组的长度。
转让给International Business Machines Corporation的美国专利No.5502724公开一种方法，该方法扩展防撞信号交换，以便多个数据分组在一对通信站之间流动。打算与第二台站建立连接的第一台站检测信道。如果信道空闲，则它向预定的接收器站发送连接请求(CR)分组。CR规定连接包括的数据分组的数目。预定的接收器向发送站发送连接确认(CC)分组；CC也规定连接中分组的数目。在交换正确的CR和CC分组之后，发送站可发送一个或多个数据分组，接收站可发送说明哪些数据分组被正确接收的确认分组。为了终止连接，发送站发送断开请求(DR)，接收站发出断开确认(DC)。接收CR分组的台站后退对于要发送给接收器的通告数目的数据分组来说足够长的一段时间。在收到CR或CC之后，当与连接中要发送的分组的数目成比例的计时器期满时，或者当其收到DR或DC分组时，台站可尝试接入信道。美国专利No.5502724中公开的方法的局限性在于即使在接收器传送CC分组的情况下，该方法也不能确保数据分组的无冲突传输。Fullmer和Garcia-Luna-Aceves(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)证明了需要基于逐个分组的从接收器到其邻居的反馈。由于接收器发送的CC分组可能与接收器邻域的另一分组冲突，因此CC分组不能向隐藏节点提供充分的反馈；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)还证明了需要反馈分组长于请求分组。另外，即使公开的方法提到发送给台站的所有邻居的广播分组，它也没有提供确保不受发送站的所有邻居的干扰，接收广播或组播分组的任何措施。
转让给Xerox Corp.的美国专利No.5721725公开一种类似于SRMA的方法，并将其描述成对MACH的改进。所公开的方法通过在RTS分组中规定数据分组的理想数据速率，并允许发送器和接收器协商传输数据速率，扩展了MACH。该方法不能保证具有隐藏终端的网络中的无冲突传输，因为对于大于任意RTS的长度的CTS的长度没有做出任何规定，以确保隐藏台站检测到RTS和CTS的冲突。
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)是防撞协议的三个最新例子。IEEE802.11是一种非常类似于具有关于RTS传输的载波检测的SRMA的方法。FAMA-NCS的目的对于具有要发送的数据的台站，在发送任意数据分组之前，获得接收器(我们将其称为“the floor”)附近的信道的控制，并确保在接收器无数据分组与其它任意分组冲突。FAMA-NCS使CTS的长度远远大于RTS的长度，以便检测RTS与CTS的冲突，这在现有的防撞协议中是不能实施的。RIMA包括一系列的协议，所述一系列协议倒转首先在SRMA中提出的防撞信号交换方法，并使接收器轮询数据的发送器。对于基于类似的RTS-CTS交换，或者以其后跟随暂停的RTS为基础的单信道无线网络或有线局域网，提出了几种其它的媒体接入控制(MAC)协议。但是，不管过去几年内，防撞协议和基于这些协议的系统获得的普及，所有防撞MAC协议的两个关键性能局限性在于：(a)它们不能提供信道接入延迟保证，对实时应用来说这是一个较大的问题；和(b)它们缺少无冲突组播或广播的明确支持，这意味着节点必须多次向每个组播组邻哉传送相同的组播分组，或者在接收可能性和ALOHA协议一样低的情况下发送分组。另外，防撞协议要求载波检测，在码片速率很高的直接序列扩频无线电中，从技术或经济上来说，这是不可能正确实现的。
为了避免隐藏终端干扰问题，可向接收器或发送器分配唯一的代码(扩展码或跳频序列)。
这种方法的一个例子是Metricom网络。但是，面向接收器的代码分配(ROCA)和面向发射器的代码分配(TOCA)要求利用节点-代码映像预先配置无线电，或者查找相邻发射器或接收器正在使用的代码。此外，简单地通过确定TOCA方法，不能确保有效广播；因为发射器的所有邻居必须同意同时侦听发射器，以使传输的数目降至最小。
在多跳无线网络中使用的另一种信道接入方法包括建立传输时间表，即按照不发生冲突的方式，将台站分配给不同的时间和数据信道(例如，频率，扩展码，或者它们的组合)。传输调度可以是静态的或者动态的；基于动态传输调度的MAC协议研究无线电信道的空间复用，从而和诸如TDMA和FDMA之类固定调度方法相比，具有高得多的信道利用率。
在TDMA协议时，时间被分成包含时隙的帧。时隙被分配给特定的节点，或者集中式台站被用于分配时隙。TDMA的局限性源于相对于节点的时隙固定分配，以及集中式分配的应用，所述固定分配较慢，不适应网络变化，并且如果节点是通信的突发性来源，则使信道的利用效率不高。
在现有技术中存在基于动态TDMA方法的许多方法，在这些方法中，台站在上行链路中使用ALOHA、分片ALOHA或其它连接协议向基站请求时隙。这种方法的一个例子是在转让给NEC USA，Inc.的美国专利5638371中公开的系统。本发明无需基站进行时隙分配。
最近提出了许多协议，以便在不需要中央基站的情况下提供动态时隙分配。这些协议可被分类成与拓扑结构无关的时间调度协议和与拓扑结构相关的时间调度协议。
Shepard(T.Shepard，“A Channel Access Scheme for Large DensePacket Radio Networks”，Proc.SIGCOMM96，1996；T.Shepard，“Scalable，Self-Configuring Packet Radio Network Having DecentralizedChannel Management ProViding Collision-Free Packet Transfer”，美国专利5682382，1997年10月28日)，Chlamtac等(I.Chlamtac等，“Time-Spread Multiple-Access(TSMA)Protocols 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)提出了与拓扑结构无关的时间调度协议。在这些协议中，节点被预先分配(例如借助它们的节点ID)，或者采用它们发布的传输时间表，这种时间表规定节点发射和接收的时间。协议保证或提供节点的时间表中的至少一个传输时间不会与一个或两个中继段之外的任意节点冲突的高可能性。在Chlamtac和Ju的方法中，节点不能确定哪些传输会取得成功，使高层(例如链路层)协议的工作变得复杂。这些方法还需要网络中节点总数的数值，以及每个节点的邻居的最大数目，作为算法的输入参数，从而使它们为最坏情况条件而设计(从而，如果网络不如预期那样密集，则效率低)，或者对实际的网络条件敏感(如果网络比预期的大或者更密集)。通过假定节点与它们的邻居同步，了解其邻居的时间表，并且能够同时从多个发射邻居接收，Shepard的方法避免冲突。这种决定性的假定要求相当复杂的无线电硬件。
Zhu和Corson(C.Zhu.，M.S.Corson，“A Five-Phase ReservationProtocol(FPRP)for Mobile自组织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 98：SeventhInternational Conference on Computer Communications and Networks，Lafayette，Louisiana，October 12-15，1998)提出了取决于拓扑结构的调度协议，从而节点获得允许节点在不受离其一到两个中继段的节点干扰的情况下，进行发射的传输时间表，从而随着每个节点的邻居数目的降低，信道复用被增大。这些协议要求节点竞争，以便保存无冲突时隙，在每个小时隙上完成竞争。此外，它们依赖于将每个时隙分成数个小时隙。所有这些限制了时隙可具有的最小持续时间。本发明不要求细分时隙，不要求节点在小于一帧时间内对邻居作出响应。
提出了基于TDMA的数种方法，这些方法需要初始的与拓扑结构无关的时间表，随后在网络节点中进行通信，以便协商最终的时间表。Chlamtac(I.Chlamtac，“Fair Algorithms for Maximal Link Activation inMultihop Radio Networks”，IEEE Transactions on Communications，Vol.COM-35，no.7，July，1987)提出一种算法，所述算法以在算法的多次迭代之后，能够适用于通信要求的重复链路时间表为基础。该算法开始于“每个链路单一时隙”时间表，例如通过按照其节点ID向每个节点分配一个传输时隙提供的时间表。在每次重复，在路由树(借助现有算法建立)来回发送调度信息和调度“权标”，根据其未满足的通信要求的程度，向节点或链路分配额外的时隙。Ephremides和Truong(A.Ephremides，T.Truong，“Scheduling Broadcasts in Multihop RadioNetworks”，IEEE Transactions on Communications，Vol.COM-38，No.4，April，1990)提出一种类似的算法，其中一开始，每个节点被分配对应于其节点ID的一个时隙，随后每个节点使用它们的分配时隙向其邻居传送“骨架”时间表。在接下来的两帧(通信时间表的两次重复)内，根据固定的节点优先权，节点能够抢夺可用时隙，直到所有可用时隙被占用为止(即，在不导致冲突的情况下，不再存在可分配的任意时隙)。由于关于固定时间表的需要，需要反复几次才收敛，以及由于调度-帧大小等于网络的最大大小，因此这些方法的可扩展性和相对于移动性或其它动态的鲁棒性有限。Young(C.D.Young，“USAP：A Unifying DynamicDistributed Multichannel TDMA Slot Assignment Protocol”，Proc.IEEEMILCOM 96 OCTOBER 1996)提出的方法也需要每个节点一个时隙的初始分配，随后要求关于其它时隙的分配的调度分组的协商。但是，初始分配的时隙被局限于每“帧”中的第一时隙。从而，每N个帧出现每个节点的分配时隙，这里N是最大网络大小。由此，该方法不依比例缩放。另外，就适应动态通信条件来说，该方法相当缓慢，因为在邻居确认提出的时间表增加(addition)之前，节点需要等待多达N帧。
结合近邻建立的传输调度(NETS)协议(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)，利用鲁棒环境自适应链路/MAC(REALM)协议(D.Beyer，J.J.Garcia-Luna-Aceves，和C.Fullmer，“Adpative CommunicationProtocol for Wireless Networks”，美国专利申请，1999年2月10日，Docket No.003867.P001)消除了现有技术中关于MAC协议的多数上述局限性。
REALM是一种无需发送器和接收器之间的信号交换，实现防撞的MAC协议。REALM采取组织成分成时隙的时间帧的同步网络。在REALM中采取的同步量和利用跳频无线电，例如设计成在ISM波段工作，目前可从市场购得的那些跳频无线电工作的任意网络中所需的同步类型相同。实施REALM的节点必须了解其单跳和双跳邻居的身份和网络中的当前时间(例如当前帧的编号)。根据该信息，以及辅助信息，每个节点评估某一函数(例如，散列函数)，所述函数确定性地规定哪个节点应在帧的哪个时隙中传送。通过改变每帧中，指定节点能够在帧的某一时隙中传送的优先权，REALM实现公平性。一旦节点的双跳邻域中的所有节点具有关于其邻域的一致信息，由于所有节点使用相同的确定性算法选择指定时隙的优胜者，避免了冲突。
Bao和Garcia-Luna-Aceves(L.Bao和J.J.Garcia-Luna-Aceves，“ANew Approach to Channel Access Scheduling for自组织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自组织Network with Unidirectional Links”，Proc.ACM Dia1M 2001-FifthInternational Workshop on Discrete Algorithms and Methods for MobileComputing and Communications，July 21，2001Rome，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类似的方式，在无需发送器和接收器之间的特定信号交换的情况下，实现防撞。这些算法要求每个节点具有双跳邻域内所有节点的标识符，并根据该邻居信息，在指定的时隙内向节点赋予传输优先权。采取非特指的算法散布邻居信息。
单独使用REALM或者Bao和Garcia-Luna-Aceves提出的算法的局限性在于这些方法以双跳邻域中的所有节点竞争在指定给这种无冲突接入的帧的每个时隙中进行传输为基础。如果能够在先前一帧中传送的那些节点通报其邻居，它们将持续一段时间不竞争传输时隙，则可实现信道的更高效应用，这可有效减轻节点间的竞争，以及指定节点接入信道时经历的延迟。
发明内容
本发明的目的在于解决上述提及的不足、缺陷和问题，通过阅读和研究下面的说明，易于理解本发明。
本发明包括一种无冲突地将分组传输到信道中的媒体接入控制(MAC)协议，从而根据节点获得的关于其本地邻域的全体节点的信息，以及当本地邻域中的节点试图再次传送时的时隙通告，向节点分配用于无冲突传输的时隙。
根据本发明的一个方面，调度程序可利用网络的年龄以及与节点相关的独特标识符。
根据本发明的另一方面，利用其它节点通告的后续传输时间的列表，确定每个节点的候选传输时间。节点从潜在传输时间的列表中丢弃通告的传输时间，并利用为不断变化的输入样本，提供不断变化(伪随机)的输出分布的函数，计算其候选传输时间。该函数可以是散列函数，加密函数或者查表函数。候选传输时间的计算使用关于其未获得任何通告的传输时间的那些节点的标识符。
根据本发明的一个方面，提供了一种分发分组调度的系统，所述系统包括：多个节点的自组织网络，这些节点包括第一节点，所述第一节点包括：存储器，用于保持物理领域列表，所述物理领域列表是与所述第一节点相关的数据结构，并且所述物理领域列表包含所述第一节点的传输时间参数，所述传输时间参数与所述第一节点没有资格参与传送节点选择的时间周期相关，并且所述传送节点选择至少部分地是由优先权函数所确定的；以及发射器，用于响应于所述传输时间参数，从所述第一节点向所述自组织网络的至少一个其它节点传送控制分组。
根据本发明的另一个方面，提供了一种分发分组调度的方法，包括：
确定与自组织网络中的第一节点相关的物理邻域信息，其中所述物理邻域信息包括节点标识符和传输时间参数，所述传输时间参数与这样的时间周期相关，即在所述时间周期内，所述第一节点没有资格参与传送节点选择，并且所述传送节点选择至少部分地是由优先权函数确定的，以及
根据所述物理邻域信息，产生控制分组；和
根据所述传输时间参数，传送所述控制分组。
根据本发明的再一个方面，提供了一种将多个邻居项压缩到包含在网络配置分组中的邻域列表中的方法，包括：
当在循环列表中报告邻居项时，其中所述循环列表包含以循环方式从所述多个邻居项的子集中选择的邻居项；
当按照双跳调度模式操作，并且邻居项是三跳邻居项时，以及
当设定与所述邻居项相关的报告标记时，排除所述邻居项；
如果邻居项未被排除，则将所述邻居项包含在所述压缩后的邻域列表中，其中在传输所述网络配置分组时将报告标记设定为真。
根据本发明的再一个方面，提供了一种传送和自组织网络中的节点相关的网络配置分组的方法，包括：
确定与所述节点相关的下一传输时间；
确定与所述节点相关的下一释放时间；
基于所述下一传输时间和所述下一释放时间，选择用于传送所述网络配置分组的时间；
评估跳过传输标记，其中所述跳过传输标记与差错校正相关，并且如果所述跳过传输标记为假，则：
产生网络配置分组，其中所述网络配置分组包含多个邻居项；
根据邻居项是否已被报告，为每个所述邻居项设定与其相关的报告标记；以及
传送所述网络配置分组。
根据本发明的再一个方面，提供了一种自组织网络中传输调度的方法，包括：
根据与邻居项相关的下一传输时间，在物理邻居列表中对邻居项进行排序；
计算每个邻居项的最早后续传输时间；
将与邻居节点相关的临时传输时间设定为等于与所述邻居节点相关的通告传输释放时间和与所述邻居节点相关的当前传输时间之和；
举行邻域选举；和
根据所述邻域选举，调度下一传输时间。
附图说明
图1图解说明了本发明可在其中工作的自组织网络；
图2图解说明了关于IR A-E分配的时隙的例证帧；
图3图解说明用于选择物理邻居的列表，以便在网络配置分组的压缩邻居部分中报告的程序；
图4图解说明传输调度的程序；
图5表示了基本邻域选举的程序；
图6图解说明了网络配置传输程序；
图7图解说明了当从邻居接收网络配置分组时的程序；
图8图解说明了物理邻居老化的程序；
图9根据本发明，图解说明了网络配置分组的内容。
具体实施方式
在本发明的例证实施例的下述详细说明中，参考了附图，附图构成所述详细说明的一部分，并且附图举例表示了实践本发明的具体例证实施例。足够详细地说明每个实施例，以使本领域的技术人员能够实践本发明，当然可以利用其它实施例，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可做出其它改变。于是，下述详细说明不应被理解为对本发明的限制，本发明的范围只由附加的权利要求限定。
在说明书和权利要求书内，下述术语采用这里明确相关的含意，除非上下文明确规定。参见附图，相同的附图标记表示相同的部分。另外，对单数的引用包括对复数的引用，除非另外指出或者与这里公开的内容不一致。
下面说明自组织网络中传输调度的系统和方法。在下面的说明中，陈述了众多的具体细节，以便充分理解本发明。但是，对本领域的技术人员来说，实践本发明显然不需使用这些具体细节。在其它情况下，为了避免不必要地使本发明难以理解，没有详细说明众所周知的结构和电路。
简要地说，本发明的目的在于为信道中分组的无冲突传输提供一种媒体接入控制(MAC)协议，从而根据节点获得的关于其本地邻域的全体节点(constituency)的信息，以及当本地邻域中的节点试图再次发射时，时隙的通告，向节点分配用于无冲突传输的时隙。
I.定义，基本服务和假定
为了便于说明，网络中使用的无线电接收装置是半双工的，并且每次被调到一个信道，不过无线电接收装置可转换到任意一个可用信道。类似于以前的基于传输调度的MAC协议，本发明假定时间被分片，时隙被组合成帧。帧进一步被组织成epoch。但是，注意根据网络中使用的无线电接收装置，即使基于防撞的协议(例如IEEE 802.11)也要求时间被分片，并被组织成帧。对于跳频无线电接收装置来说，情况就是这样，因为所有无线电接收装置必须一致同意跳频的起始时间，以及跳变序列的长度。
本发明集中于通过共用信道的广播传输用时隙的分配，从而节点能够传送用于建立多个数据信道的传输时间表的控制分组，或者数据分组。本发明假定相邻节点之间的双向物理链接；防撞MAC协议的情况也是一样的。
在本发明的一个实施例中，利用指定帧中时隙的位置，以及epoch中帧的位置的独物标识符，识别时隙。借助时间同步算法，利用节点之间达成一致的当前时间识别epoch。在本发明的说明中，术语时隙ID表示基于网络的“网络年龄(network age)”的时隙的标识符。每个epoch具有固定数目的帧，每帧具有固定数目的时隙。
执行本发明中描述的方法的节点被称为因特网无线电接收装置(IR)。在本发明的说明中，交替使用“节点”和“因特网无线电接收装置”。
在本发明的一个实施例中，节点利用发射器分配的本地链路标识符(用XLID表示)，识别节点的每个邻居。在本发明的另一实施例中，可利用节点的MAC地址识别节点。在这里给出的本发明的说明中，我们仅仅使用术语节点标识符来表示XLID或节点的MAC地址。借助这两种节点标识符，ATOM正确工作。每个有效的单跳邻居被赋予一个节点标识符；并且假定节点向有效邻居指派连续的节点标识符。借助在本发明范围之外的方法，实现向邻居的节点标识符的指派。
图1根据本发明，表示了本发明可在其中工作的例证自组织网络。自组织网络由许多子网20、30、40和50组成，每个子网通过多个IR(100、110、120、130、140、150、160、170和180)扩展因特网。每人IR，100-180是具有IP地址和MAC地址的无线路由器。自组织网络20通过接入点IR 110连接到因特网900上。IR 110通过局域网40，与因特网路由器200耦接。
在有限时间之后，自组织网络20中的IR(100-180)具有存在于网络中的IR的相同列表。换句话说，IR知道其邻居。
根据本发明的一个实施例，每个IR了解在离其预定数目中继段范围内，构成其邻域的IR的独特节点ID。例如，IR可了解离其一个、两个、三个或更多中继段的邻居。根据本发明的一个实施例，借助邻居发现和管理协议，可能还结合控制分组，IR获悉其直接(单跳)邻居的存在。借助控制分组，了解双跳邻居和离该节点两个中继段之外的节点。
不同的协议可用于通过自组织网络发送信息的通信。
II.交换和保持的信息
图2根据本发明，图解说明了为IR A-E分配的时隙的例证帧。如图所示，时隙220(s0-s11)表示在帧230中。向每个时隙分配一个IR(参见220)。为了便于说明，IR按照顺序被置于时隙s0-s11之下。IR A-F被赋予一个时隙，从而避免冲突。网络中的IP被同步，并关于其间将调度分组(例如控制分组)的周期(称为帧)达成一致。每个帧与因帧而异，并且在整个网络中已知的“网络年龄”(NetAge)相关。例如，在每帧恒定整数(S)的时隙，以及每个epoch恒定整数(F)的帧的情况下，借助epoch、帧和时隙使网络同步。在每个epoch中，从1到F连续对帧编号(“帧编号”)。同样连续对epoch编号，在E个epoch之后，最终绕回Epoch Number 1。上述网络年龄可以是与epoch编号联系的Frame Number，或者如果epoch中帧的数目足够大，则仅仅是FrameNumber。
为了便于说明，本发明中在节点之间交换的控制分组被称为“网络配置分组”。
根据本发明的一个实施例，每个节点包含一个物理邻域列表，每项包含下述字段：
地址    32位MAC地址
距离    用该邻居离当前节点的中继段表示距离。如果最近从该邻居成功收到分组(后面说明)，则认为其相隔1个中继段。
节点标识符网络配置分组中用于更高效地识别该节点的编号(或者编号组)
对于直接(1-中继段)邻居：
Nbr ID-表示该节点已分配给该邻居的邻居编号的编号。
对于间接的2-中继段邻居：
Rep ID-表示该邻居正在报告该2-中继段邻居的编号。
Rep Nbr ID直接(报告)邻居用于识别该2-中继段邻居节点的Nbr ID
对于间接的3-中继段邻居(如果继续存在)：
Rep ID表示邻居正在报告该3-中继段邻居的编号。
Rep Rep ID报告邻居用于识别其该3-中继段邻居节点的报告邻居的Nbr ID。
Rep Rep Nbr ID直接邻居用于识别该3-中继段邻居的NbrID。
Xmt Holdoff Time该节点的网络配置分组传输之间的最小数目的帧。节点可增大该释放(holdoff)时间，并开始报告增大的数目。为了降低其释放时间，在转换到降低的时间之前，节点必须在使用旧的释放时间的同时，首先持续指定数目的帧，通告新的释放时间。
Next Xmt Time在其之前保证该节点不传送网络配置分组的帧&时隙编号。它被初始化成NEXT_XMT_TIME_NOW。作为老化程序的一部分，并且为了避免翻转问题，每当Next_Xmt_Time加上节点的XmtHoldoff Time等于或小于当前时间时，该Next Xmt Time也被重置为该值。
Reported Flag如果在网络配置分组中，该节点报告了该NextXmt Time，则设置为TRUE，否则设置成FALSE。
网络配置分组的内容
图9根据本发明的一个实施例，图解说明了网络配置分组的内容。
管理消息类型901表示消息的类型。
NumNbrEntries 902是在消息中报告的邻居的数目。报告的邻居的数目可能是该节点已知的全体邻居的一部分。在其后续的网络配置传输中，节点可报告邻居的后续子集。
NumBSEntries 903是在该消息中报告的网格(mesh)BS邻居的数目。
嵌入分组标记904表示在网络配置分组中是否存在嵌入的分组。
Xmt Power 905以2dBm步进，开始于8dBm(即，1111表示38dBm)。
Xmt Antenna 906是用于传输消息的逻辑天线。这便于自适应天线系统(AAS)支持多达8个天线方向。
NetEntry MAC地址标记907表示是否存在该项。
网络基本信道908是节点的网络中正在使用的基本信道，它是物理信道的逻辑编号，用于广播调度控制信息。在网络描述符中，可能的物理信道编号的子集被映像成逻辑信道。
保留字段909被保留。
Netconfig计数910是该节点传送的网络配置分组的计数器。
时间戳记911被邻居用于检测错过的传输。对于该节点的每次网络配置传输，该计数被加1。当使网络同步时，同步跳跃计数被用于确定节点之间的优越性。节点可被指派为从外部(例如利用GPS)，使之同步的主时间保持器。这些节点传送为0的同步跳跃计数。节点与具有较低同步跳跃计数的节点同步，或者如果计数相同，则与具有较小节点ID的节点同步。
Netconfig时间表信息912被用于保存Next Xmt Mx和Xmt HoldoffExponent。Xmt Holdoff Time是在Next Xmt Time之后，网络配置传送机会的数目(该节点不适于不传送网络配置分组的每个网络控制子帧，存在网络配置-1次机会)。
Xmt Holdoff Time＝2(Xmt Holdoff Exponent+4)，下一Xmt Mx包括Next XmtTime，Next Xmt Time是关于该邻居的下一网络配置合格间隔，并被计算成范围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，则在49和64(由于粒性(granularity)的缘故)传输机会之间，该节点将被认为有资格进行其下一网络配置传输，在该时间之前，无资格进行其下一网络配置传输。如果Next Xmt Mx字段被置为Ox1F(都为1)，则应认为该邻居有资格从该值表示的时间开始，以及之后的每个网络配置机会进行传输(即，视为Xmt Holdoff Time＝0)。
NetEntry MAC地址913表示新节点的存在或发起者。BS节点ID是报告的网格BS节点的节点ID。
跳跃数914是报告节点和报告的网格BS节点之间的跳跃的数目。
Xmt能量(energy)/位915因子是通过该节点需要到达的网格BS的能量/位的指示。Xmt能量/位被计算为Ei＝min/J∈Ni*[Ej->i+Ej]mW*μs，其中N是报告网格BS的一组邻居，Ei->j＝PTx/Ri->j，其中PTx是从节点i到节点j的传输功率(mW)，Ri->j是从节点i到节点j的数据速率(Mbps)。Ej是邻居j报告的Xmt能量/位。报告的Xmt能量/位因子是除以2(XmtEnergyUnitExponent-4)的计算Xmt能量/位。XmtEnergyUnitExponent是在网络描述符中报告的4位字段。Nbr节点ID 916是报告的邻居节点的节点ID。
根据本发明的另一实施例，网络配置分组包括下述信息：
My MAC Adr 32位MAC地址(作为TSync报头的一部分)
Next Xmt Time  我的Next Xmt Time
Xmt Holdoff Time  我的Xmt Holdoff Time
每个网络配置分组还包括具有下述字段的项的列表(长度Y，TBD)。根据本发明的一个实施例，从节点的1中继段邻居(如果在3中继段调度模式下，还在2中继段邻居中)，按照循环方式选择该列表。可按照其它方式选择该列表。
Nbr MAC Adr    32位MAC地址
距离           1-中继段(间接)邻居或2-中继段邻居
节点标识符     或者(Nbr ID)或者(Nbr ID和Rep ID)
Next Xmt Time
Xmt Holdoff Time
另外，每个网络配置分组包含具有下述压缩字段的项的列表(长度Z，TBD)。
距离  1-中继段(直接)邻居或2-中继段邻居
节点标识符或者(Nbr ID)或者(Nbr ID和Rep ID)
Next Xmt Time
Xmt Holdoff Time
图3图解说明了用于选择物理邻居的列表，以便在网络配置分组的压缩邻居部分中报告的程序。在开始方框之后，逻辑流动到方框310，在方框310，排除在上面说明的循环列表中报告的邻居。逻辑转到方框320，当按照2-跳跃-调度模式操作时，排除所有3-跳跃邻居项。随后，在方框330，排除具有“Reported Flag”的所有邻居项。转到方框340，依据NextXmt Time对剩余的邻居项排序。在该网络配置分组中报告具有未来最远的Next Xmt Time的Z项。通常，获悉具有未来最远的Next Xmt Time的节点比获悉具有很快副近的Next Xmt Time的节点更有价值，因为在其失时效之前，邻居将有更多的时间使用该信息。转移到方框350，当传输该网络配置分组时，上述任意列表中关于所有邻居的“Reported Flag”被设置成TRUE。该程序随后转移到结束方框，并返回处理其它操作。
III.传输调度
图4根据本发明，图解说明传输调度的程序。在节点的当前传输(“Xmt”)时间(即，当节点传输其网络配置分组时的时隙)中，节点使用下述程序确定其Next Xmt Time。
在开始方框之后，逻辑转到方框410，在方框410，按照下一传输时间对物理邻居表排序。转到方框420，对于邻居表中的每项，将节点的Next Xmt Time加入节点的传输释放时间(Transmit Holdoff Time)，以便达到节点的最近后续传输Xmt Time。转到方框430，程序将TempXmtTime设置成等于节点的通告Xmt Holdoff Time和当前XmtTime时间之和。在方框440，成功标记被设置成FALSE。在判定方框450，确定成功标记是否为FALSE。当是时，程序转到方框455，在方框455，如果TempXmtTime等于物理邻居列表中任意节点的Next XmtTime，则程序将TempXmtTime设置成等于下一网络配置帧/时隙。否则，程序转到方框460，在方框460，程序确定有资格的竞争节点，所述有资格的竞争节点是物理邻居列表中，具有等于或小于TempXmtTime的最早后续Xmt Time的所有节点。在方框465，利用TempXmtTime作为seed，和所有有资格竞争的节点的MAC地址，在该组有资格竞争的节点中进行邻域选举。转到判定方框470，确定该节点是否赢得该选举。如果该节点未赢得邻域选举，则程序转到方框475，在方框475，TempXmtTime被设置成等于下一网络配置帧/时隙。否则，在方框480，将成功标记设置成TRUE，程序转到方框485，在方框485，节点的NextXmt Time被设置成等于TempXmtTime。
在本发明的一个实施例中，在上面的程序中执行的邻域选举和在REALM协议中进行的选举相同(同时待审的申请No.09/248738，“Adaptive Communication Protocol for wireless Networks”，申请日1999年2月10日)。
图5根据本发明，表示了基本邻域选举的程序。在开始方框之后，程序转到方框510，在方框510中，在每帧中，每个节点(i)通过利用全局已知的函数(SlotFunc)，计算其候选传输时隙(CS(i))，函数(SlotFunc)接受网络年龄和节点的ID作为输入。这可表示成：CS(i)＝SlotFunc(ID(i)，NetAge)。
转到方框520，通过利用它们的节点ID，全局已知的网络年龄，以及相同的SlotFunc函数(CS(i)＝SlotFunc(ID(i)，NetAge))，每个节点计算其2-中继段邻域中每个节点(j)的候选传输时隙。
当然，每个节点的CS(k)将给出相同的结果，和哪个节点进行计算无关(本地节点，或者其2-中继段邻域中的节点之一)。于是，每个节点能够确定其2-中继段邻域中的哪些节点共享相同的候选传输时隙(如果有的话)。根据CG(i)＝(j：CS(i)＝CS(j))，将这些的ID置于节点i的关于该帧的竞争者组(CG(i))中。
转到方框530，利用节点ID，调度帧编号，以及节点的优先权偏移(可选)作为全局已知的优先权函数(PriorityFunc)的输入，每个节点(i)计算其竞争者组中每个节点的优先权PR(j)，确定这些竞争者中，哪个节点具有关于该帧的优先权。这可用：PR(j)＝PriorityFunc(ID(j)，NetAge)+PB(j)表示。PriorityFunc(a，b)产生对每个可能的输入“a”来说，唯一的编号。如果不使用优先权偏移，则PB(j)被置为0。
随后，在方框540，如果PR(i)大于竞争者组中的任意PR(j)，或者如果PR(i)与最大值相同，如果所有的优先权偏移都为0，则理应成为最大值，则节点(i)将它自己看作竞争的优胜者。
如果节点(i)是其竞争者组中的优胜者，并且如果其PR(i)等于或大于优先权阈值，则节点(i)可在当前帧中传送其候选传输时隙CS(i)。
程序随后转到结束方框，并返回处理其它操作。
图6根据本发明，图解说明了网络配置传输程序。当达到当前节点的Next Xmt Time时，系统执行图6所示的程序。
在开始方框之后，程序转到方框610，在方框610，程序利用Xmit_Scheduling程序，确定节点的Next Xmt Time。转到方框615，程序确定其Next Holdoff Time(基于其物理邻居表的大小的函数，具有如上所述关于如何处理减少的一些限制)。转到方框620，确定是否设置了“SKIP THIS NETWORK CONFIGURATION TRANSMIT”标记。当设置了该标记时，程序跳过剩余步骤，转到结束方框，程序返回处理其它操作。转到方框652，程序产生(如上所述)网络配置分组)。随后，在方框630，对于在循环列表或压缩列表中报告的所有邻居项，程序将“Reported Flag”设置成TRUE。在方框635，在适当的帧/时隙边界，传送网络配置分组。
图7根据本发明，图解说明了当从邻居接收网络配置分组时的程序。在开始方框之后，程序转到方框710，在方框710，如果需要的话，发射节点的距离被更新为1-中继段(直接)。转到方框720，对于通过邻居，越过最小数目的中继段到达的每个报告节点，到报告节点的距离被更新为1加上所报告的内容。转到方框730，更新发射节点和所有报告的节点的Next Xmt Time和Xmt Holdoff Time。转到方框740，如果找到具有等于当前节点的Next Xmt Time的Next Xmt Time的任意报告邻居，则设置“SKIP THIS NETWORK CONFIGURATION TRANSMIT”标记(上面使用的)。这可表现为具有起因于信道动力学或活动性的拓扑结构变化的瞬时情况。随后，在方框750，如果利用物理邻居表中的信息，不能将压缩邻居表中任意报告节点的节点标识符还原成邻居项(具有MAC地址)，则跳过该项。
图8根据本发明，图解说明了物理邻居老化的过程。周期性地，该程序在物理邻居列表上运行。在开始方框之后，程序转到方框810，在方框810，对于Next Xmt Time加上其Xmt Holdoff Time等于或小于当前时间的任意邻居，将Next Xmt Time设置成NEXT_XMT TIME NOW。转到方框820，项的Aging Time被重置为现在。转到方框830，对于具有NEXT XMT TIME NOW和等于过去某一(TBD)时间的Aging Time的任意邻居，到该邻居的距离被加1。转到方框840，如果这种增大导致距离3-中继段(或者在3-中继段调度模式下，导致4-中继段)，则删除该邻居项。否则，程序转到方框850，在方框850，邻居项的Aging Time被再次重置为现在。
压缩方法
在网络配置分组中，Next Xmt Time可被压缩成3-4位，形成相对于某一整体块边界四舍五入的Next Xmt Time(每个块包含许多网络配置传输机会)。利用公式：Xmt Holdoff Time＝2(x+4)，可将Xmt Holdoff Time量化成范围为16～2048帧/时隙的3位。
上述说明，例子和数据提供了本发明的组成物的制造和使用的完整说明。由于在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可做出本发明的许多实施例，因此本发明的范围由下面附加的权利要求限定。

Claims (27)

1、一种分发分组调度的系统，所述系统包括：
多个节点的自组织网络，这些节点包括第一节点，
所述第一节点包括：
存储器，用于保持物理领域列表，所述物理领域列表是与所述第一节点相关的数据结构，并且所述物理领域列表包含所述第一节点的传输时间参数，所述传输时间参数与所述第一节点没有资格参与传送节点选择的时间周期相关，并且所述传送节点选择至少部分地是由优先权函数所确定的；以及
发射器，用于响应于所述传输时间参数，从所述第一节点向所述自组织网络的至少一个其它节点传送控制分组。
2、按照权利要求1所述的系统，还包括用于压缩所述物理邻域列表的压缩器。
3、按照权利要求1所述的系统，其中所述控制分组是网络配置分组。
4、按照权利要求1所述的系统，其中所述传输时间参数是传输释放时间。
5、按照权利要求1所述的系统，其中所述传输时间参数是下一传输时间。
6、按照权利要求1所述的系统，其中所述传输时间参数包括传输释放时间和下一传输时间。
7、按照权利要求1所述的系统，其中所述物理邻域列表包括与传输时间参数相关的报告标记。
8、一种分发分组调度的方法，包括：
确定与自组织网络中的第一节点相关的物理邻域信息，其中所述物理邻域信息包括节点标识符和传输时间参数，所述传输时间参数与这样的时间周期相关，即在所述时间周期内，所述第一节点没有资格参与传送节点选择，并且所述传送节点选择至少部分地是由优先权函数确定的，以及
根据所述物理邻域信息，产生控制分组；和
根据所述传输时间参数，传送所述控制分组。
9、按照权利要求8所述的方法，其中所述控制分组是网络配置分组。
10、按照权利要求8所述的方法，其中所述控制分组包括：
距离参数；
节点标识符；
下一传输时间，其中所述下一传输时间与所述第一节点将不传输所述控制分组之前的时间相关；和
传输释放时间，其中所述传输释放时间与所述控制分组有资格被传输的时间周期相关。
11、按照权利要求8所述的方法，其中所述控制分组是可配置的。
12、按照权利要求8所述的方法，其中所述控制分组是自适应的。
13、按照权利要求10所述的方法，其中所述控制分组还包括MAC地址。
14、按照权利要求8所述的方法，其中所述物理邻域信息还包括响应于所述传输时间参数的报告标记。
15、按照权利要求8所述的方法，其中所述传输时间参数是传输释放时间。
16、按照权利要求8所述的方法，其中所述传输时间参数是下一传输时间。
17、按照权利要求8所述的方法，其中所述传输时间参数包括传输释放时间和下一传输时间。
18、一种将多个邻居项压缩到包含在网络配置分组中的邻域列表中的方法，包括：
当在循环列表中报告邻居项时，其中所述循环列表包含以循环方式从所述多个邻居项的子集中选择的邻居项；
当按照双跳调度模式操作，并且邻居项是三跳邻居项时，以及
当设定与所述邻居项相关的报告标记时，排除所述邻居项；
如果邻居项未被排除，则将所述邻居项包含在所述压缩后的邻域列表中，其中在传输所述网络配置分组时将报告标记设定为真。
19、按照权利要求18所述的方法，还包括根据与邻居相关的传输参数，对所述压缩后的邻域列表中的邻居项进行排序的步骤。
20、一种传送和自组织网络中的节点相关的网络配置分组的方法，包括：
确定与所述节点相关的下一传输时间；
确定与所述节点相关的下一释放时间；
基于所述下一传输时间和所述下一释放时间，选择用于传送所述网络配置分组的时间；
评估跳过传输标记，其中所述跳过传输标记与差错校正相关，并且如果所述跳过传输标记为假，则：
产生网络配置分组，其中所述网络配置分组包含多个邻居项；
根据邻居项是否已被报告，为每个所述邻居项设定与其相关的报告标记；以及
传送所述网络配置分组。
21、一种自组织网络中传输调度的方法，包括：
根据与邻居项相关的下一传输时间，在物理邻居列表中对邻居项进行排序；
计算每个邻居项的最早后续传输时间；
将与邻居节点相关的临时传输时间设定为等于与所述邻居节点相关的通告传输释放时间和与所述邻居节点相关的当前传输时间之和；
举行邻域选举；和
根据所述邻域选举，调度下一传输时间。
22、按照权利要求21所述的方法，其中所述计算的最早后续传输时间的步骤还包括：
将所述最早后续传输时间设定为所述邻居项相关的下一传输时间和与所述邻居项相关的传输释放时间之和。
23、按照权利要求21所述的方法，其中所述举行邻域选举的步骤还包括：
在有资格的竞争节点中举行邻域选举，以便仅仅有资格的竞争节点才在选举中进行竞争，并且所述有资格的竞争节点组成所述物理邻居列表中的、具有最早的后续传输时间等于或小于临时传输时间的邻居节点。
24、按照权利要求23所述的方法，其中所述举行邻域选举的步骤还包括：
确定有资格的竞争节点；和
当有资格的竞争节点未赢得选举时，将临时时间设定为等于下一网络配置帧。
25、按照权利要求24所述的方法，还包括：
确定何时满足第一条件，其中在与所述节点相关的临时传输时间等于所述物理邻居列表中节点的下一传输时间时，所述第一条件被满足；
在所述第一条件被满足时，将所述临时传输时间设定为等于下一网络配置帧。
26、按照权利要求1所述的方法，其中所述自组织网络还包括多个其它节点，所述第一节点和所述其它节点都被设置成执行优先权函数，并且所述优先权函数被设置成从所述第一节点和所述其他节点中选定传输节点。
27、按照权利要求8所述的方法，其中所述自组织网络还包括多个其它节点，所述第一节点和所述其它节点都被设置成执行优先权函数，并且所述优先权函数被设置成从所述第一节点和所述其他节点中选定传输节点。
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