CN101193033A - 用在网状网络中的轮流调度方法 - Google Patents

Abstract

一种轮流调度算法在网状网络中是有用的。沿着树结构中的分支调度传输，以使得同时传输仅沿着该分支在非相邻层中发生。在所公开的示例中，将每隔一层的层分组到层集合中，以使得所述集合互相排斥，并且所述集合仅包括非相邻层。一个示例包括指定一个层集合为偶数层，另一集合为奇数层。调度器调度层上的传输，以使得沿着分支的同时传输仅在所述集合之一内的层上发生，而防止沿着同一分支的另一集合上的传输。在每一随后的调度窗口或每一帧期间，轮流被选择用于传输的层集合。

Description

用在网状网络中的轮流调度方法

技术领域

本发明总地涉及通信。更具体地讲，本发明涉及网状网络中的通信。

背景技术

各种通信网络是已知的。多跳无线网状网络是为用户提供普遍存在的、高速无线访问的有前途的候选者。关于这种网状网络的示例使用包括宽带家庭联网、社区和邻居网络或企业联网。最初的IEEE802.16标准是针对使用点对多点(PMP)模式的频率范围为从10GHz至66GHz的授权频带中的应用的。随后的修改扩展了802.16空中接口标准，以覆盖范围低于11GHz的授权和免授权频段中的非视距应用。对802.16标准的修改还添加了网状模式。

与使用PMP模式相比，网状模式具有几个区别特征。在网状模式下，流量可直接在用户站之间发生。在网状模式下，可通过内节点(在上行链路和下行链路方向上)转发流量，从而带宽分配可覆盖多于一帧的时隙。与MPM模式下的拓扑结构相比，网状网络的拓扑结构可更动态地改变。

一些搜索结果显示，可通过部署中继节点来提高吞吐量性能。然而，构建无线网状网络的最大挑战之一是如何处理调度方案以实现保证的性能。例如，调度方案必须处理吞吐量和延迟。虽然在IEEE802.16-2004标准中提及了使用协同和非协同的分布式调度的集中式调度，但是没有提供详细的定义。

不可能在网状网络中简单地采用PMP调度技术。由于在PMP模式下使用的算法都是在一跳范围中处理集中式调度，所以这些算法不适合网状模式。将在自组织网络中使用的算法应用在分布式网络中，这些算法缺少集中式调度控制。

存在对用在网状网络中的调度技术的需求。本发明针对该需求。

发明内容

示例性的通信方法在包括下述树的网状网络中是有用的，所述树在根节点和子节点之间具有至少一个分支。至少一个链路在节点之间的多个层中的每层处。每个链路有助于节点和沿着该分支的至少一个下一节点之间的通信。示例性方法包括调度选择的节点之间的传输，以使同时传输仅沿着该分支在非相邻层上发生。

一个示例包括轮流(alternate)层上的调度，以使得在一个调度窗口期间发生传输的层不包括在下一随后的调度窗口期间的传输，以及在所述一个调度窗口期间没有传输的层将包括在下一随后的调度窗口期间的传输。重复轮流那些包括传输的层有助于为选择的流量服务，同时避免干扰和减小为流量服务所需的时间。

示例性的网状网络组件包括下述树，所述树在根节点和子节点之间具有至少一个分支。至少一个链路在节点之间的多个层中的每层处。每个链路有助于节点和沿着该分支的至少下一节点之间的通信。将调度器构造为调度节点中的选择的节点之间的传输以使同时传输仅沿着该分支在非相邻层上发生。

从下面详细的描述中，本发明的各种特征和优点将对本领域的技术人员变得清楚。可如下面那样简要地描述伴随该详细描述的附图。

附图说明

图1示意性地显示本发明实施例可用于的网状网络的选择部分。

图2是概括一种示例方法的流程图。

具体实施方式

下面的示例说明本发明的实施例如何应用轮流调度技术来调度网状网络中的非相邻层上的通信。所公开的示例的一个优点在于它们最小化特定流量达到其预期的目的地所需的时间量。

图1示意性地显示了示例网状网络10。在图示中，已通过消息交换建立了树结构。采用树结构来帮助使用本发明实施例的集中式调度。该示例包括根节点20，例如，在一个示例中，根节点20是用于移动站和无线网络之间的无线通信的基站。多个子节点21-30取决于根节点20或者与根节点20相关。在一个示例中，子节点21-30包括能根据已知的网状网络技术相互通信的用户站。

图1的示例树结构包括在根节点20开始并沿着各级别扩展的分层结构，每个级别包括至少一个节点。例如，节点21和22在取决于根节点20的第一级别。节点23、24、25和26在取决于节点21和22的下一级别。节点27、28、29和30在取决于节点23-26的下一级别。

示例树结构包括从根节点20开始的两个分支。第一分支包括根节点20和子节点21之间的链路31、子节点21和子节点23之间的链路33以及子节点23和子节点27之间的链路37。在示出的示例中沿着第一分支的另一部分包括子节点21和子节点24之间的链路34以及子节点24和子节点28之间的链路38。

第二分支从根节点20开始，包括根节点20和子节点22之间的链路32。第二分支的另一部分包括子节点22和子节点25之间的链路35以及子节点25和子节点29之间的链路39。在示出的示例中，第二分支的另一部分包括子节点22和子节点26之间的链路36以及子节点26和子节点30之间的链路40。

在示出的示例中，例如，可根据与从根节点20开始的节点的级别的编号相应的层对网状网络10内的不同级别上的节点之间的链路进行分组。示出的示例包括第一层41、第二层42和第三层43，第一层41包括链路31和32，第二层42包括链路33、34、35和36，第三层43包括链路37、38、39和40。在该示例中，由于层41和层42共享至少一个共同节点，即子节点21和22，所以层41与层42相邻。为了讨论的目的，当来自每个这样的层的链路与共同的节点级别连接时，认为层是相邻的。例如，在链路31和33之间仅存在一个子节点21，因此认为层41和42是相邻层。

调度器48通过在某些调度窗口期间仅选择某些层用于传输来调度节点之间的通信。图2的流程图50概括了一种示例方法。在52，使用已知的消息技术创建图1中示意性显示的树结构。

在使用IEEE 802.16-204标准的网状网络示例中，对于这样的网状网络，仅支持时分(TDD)模式。另外，在这样的示例中，假设MAC层通过单个载波信道(例如，使用时分多址)将数据调度到多个接入地址。在这样的示例中，一旦确定了带宽分配结果，就可构建每个链路中的帧。

为了讨论，我们考虑具有几个管理原理或规则的示例。这些规则的第一规则为网状网络内的任何节点不能同时发送和接收。第二规则为不能在同一帧时隙中将由一个用户站接收的中继数据流量立即传送到其邻域。这是因为用户站通常具有性能约束，诸如缓冲器写入和读取。第三规则为阻止激活节点的传输范围内的节点以避免干扰。第四规则为没有相互干扰的任何两个节点可能能够同时通过物理信道传输数据分组。

可以相信，来自邻近节点的并发传输之间的干扰是限制无线多跳网络的系统吞吐量和可量测性的最重要的因素之一。在提高网状网络的吞吐量的一些示例中，发送器和接收器上的定向天线可最小化节点的传输范围，并且应用前面段落中提及的第四规则是有用的。

在所有节点共享无线信道和在该信道上通信的示例中，假设每个节点配备有多个定向天线。如已知的，定向天线可分别在以接收器或发送器为中心的小角度(比如，45°)上发送或接收。此外，可一起使用几个定向天线以覆盖所有方向。为了讨论，我们假设在超过定向天线的规定波束宽度的角度或者在超过发送器与接收器链路长度的10％的距离上没有干扰。

如果接入点位于其它链路的波束内，则两个不同链路上的定向传输将在两个接收接入点发生干扰。即使在同一接收节点的不同定向天线接收这些传输，通过两个或更多个链路的传输也将在该节点发生干扰。例如，在将通过所有天线接收的信号发送到接收电路之前组合这些信号的情况下，证明该假设是有道理的。将树结构布置为避免这样的干扰。当两个节点同时向共同的接收节点传输时，另一类型的干扰将发生。为了讨论，我们还假设不允许同一节点在不同方向上的同时传输。

为了讨论目的，以下注释是有用的。考虑，例如，接入树T＝(V，E)，其中，节点V为接入点，链路E为邻近的接入点对之间的双向无线链路，并且|V|＝N。用整数i标识V中的所有节点，用0标识根节点。在一个示例中，根节点0为基站，其它节点i∈V-{0}为用户站。

可考虑路由树具有L个层和B个分支。Mask(b)，b＝1，...B，表示在第b分支中的候选激活链路的集合，所述候选激活链路具有在特定调度窗口期间发送或接收数据的机会。

可用I表示链路，其中，I^b ₀表示在第b分支中连接根节点20的链路。对于所有其它节点，I^c _i表示节点i及其邻近的子节点之间的链路。例如，在图1所示的树结构中，可使用I¹ ₀＝{31}，I² ₀＝{32}；I^c ₂₁＝{33，34}，I^c ₂₂＝{35，36}，...，I^c ₃₀＝Φ来描述每个节点的链路集合。

根据图2的示例，将树中的层分组到第一集合和第二集合中，第一集合中的层之间具有至少一个其它层，第二集合包括在第一集合中的层之间的层中的至少一些层。这显示在54。在一个示例中，第一集合包括每隔一层的层，而第二集合包括所述层中的其余层，这些其余层彼此每隔一层。在图1的示例中，层41和43包括在第一集合中，而层42包括在第二集合中。

在图1的情况下，可指定层41和43为奇数层，层42为偶数层。在该示例中，第一集合和第二集合分别包括奇数层和偶数层。该示例中的每个集合包括每隔一层的层，并且每个集合内的层与另一集合相互排斥。换句话说，第一集合内的层不包括在第二集合中。

在其中两个分支从根节点20开始的、如图1所示的示例中，使用两个集合是有用的。使用两个集合允许调度窗口(比如，帧)内的用于调度传输的层的集合之间的轮流。

在图2中，在56选择流量用于调度，调度过程根据路由树的拓扑结构开始，所述路由树的拓扑结构与内节点的宽带请求没有关系。一个示例包括使用邻接矩阵来计算可能的候选激活链路集合。一个示例包括考虑从左至右的树结构。

在图1的示例的每个分支中，可将奇数层41和43中的所有链路聚集为同一调度窗口内的激活候选者。同时，偶数层42内的所有链路都不是激活候选者。类似地，当认为偶数层42中的所有链路是特定调度窗口的激活候选者时，认为奇数层41和43中的链路不是激活候选者。一个示例包括产生候选链路集合表，该表描述在不同调度窗口期间不同层之间的关系。

图2的示例包括：在58，调度沿着一个分支在第一层集合(比如，偶数层)上的传输，同时防止沿着该分支在第二层集合(比如，奇数层)上的传输。同时，在60，调度沿着另一分支在第二层集合上的传输，同时防止该分支的第一层集合上的传输。

在图1的示出示例中，存在两个分支，可以以这样的方式同时调度它们，即，允许沿着包括链路31的第一分支的奇数层41和43中的链路在调度窗口期间传输，并且沿着包括链路32和36的第二分支的偶数层42中的链路在该相同调度窗口期间传输。这是可行的，这是因为由于即使相邻层中的链路可能同时传输，但是沿着两个分支的传输不是指向相同节点的，所以沿着两个分支的传输将不会引起相互干扰。例如，在单个调度窗口内，沿着链路37、31和36的传输可全部同时发生，而不会引起任何干扰。

因此，在该示例中，对于特定调度窗口在每层内的候选链路将根据这些链路所属的分支而改变。换句话说，在调度窗口期间，沿着第一分支的奇数层中的任何链路可以是激活的，而在该相同调度窗口期间沿着第一分支的任何偶数层中的任何链路将是失活的。同时，在该调度窗口期间沿着第二分支的任何奇数层中的任何链路将是失活的，而在该相同调度窗口期间沿着第二分支的任何偶数层中的任何链路将是激活的。

在一个示例中，将调度器48构造为在每个随后的调度窗口期间轮流使得层为激活的。在图2中，这显示在62。例如，在通过轮叫(round-robin)为I^b ₀，b＝1，...，B服务并且从根节点开始仅有两个分支的情况下，从每个分支看来，按顺序轮流地激活奇数层和偶数层。因此，可将该示例技术称为奇偶轮流调度算法。

再次参考图1，当为I¹ ₀服务时，沿着该分支的所有奇数层是激活的，同时沿着另一分支的所有偶数层是激活的。当为I² ₀服务时，沿着包括链路32的分支的所有奇数层是激活的，同时沿着另一分支的任何偶数层是激活的。例如，一个调度窗口将包括沿着包括链路31的第一分支的、激活的层41和43，从而链路31、37和38是激活候选者，而链路33和34是失活的，并且由于后两个链路在偶数层42中，所以不允许沿着后两个链路传输。同时，由于偶数层42内的链路35和36是包括链路32的第二分支的一部分，所以它们是激活候选者。此时，由于链路32、39和40在第二分支的奇数层41和43中，所以它们不是激活候选者。然后在下一随后的调度窗口(比如，帧)内切换或轮流这些激活和失活候选者。通过重复轮流那些作为激活候选者的链路，该示例调度技术有助于有效地为节点20-30中的选择数量的流量服务。

一个示例包括建立管理这两种情况的掩模值。使用掩模值I¹ ₀＝{31}、Mask^o(1)＝{37，38}和Mask^e(2)＝{35，36}描述第一种情况。可通过掩模值I² ₀＝{32}、Mask^e(1)＝{33，34}和Mask^o(2)＝{39，40}表示上述第二情况。

在一个示例中，一旦建立了掩模，这些基本策略就管理带宽请求。首先，只有掩模集中列出的链路有机会在特定调度窗口期间传输。阻止所有其它链路以防止在该调度窗口期间这些链路上的任何传输。第二，如果在掩模集中的I^c _i中列出了多于一个的候选链路，则服务次序遵循这些链路的带宽请求的顺序。一般而言，与叶节点连接的链路排在内链路的前面。对于同一层中的任何链路，沿着特定方向(比如，在附图中从左至右)选择服务次序。第三，对于得到传输机会的每个链路，无论该链路是否在I^b ₀或I^c _i中列出，首先从高优先级至低优先级为下行链路流量服务，如果存在剩余带宽，则之后跟着为所分配的上行链路流量服务，上行链路流量服务也遵循从高优先级至低优先级的顺序。

一个示例包括根据IEEE 802.16标准的集中式方案。在IEEE802.16-204的集中式调度中，例如，作为用户站的每个网状节点将资源请求发送到网状根节点。根节点确定为每个链路给予的资源量。请求和给予过程使用网状集中式调度(MSH-CSCH)消息。根据该标准中的定义，在调度有效期间，在每帧中资源分配是相同的。本发明的一个示例实施例包括将MSH-CSCH消息修改为与该示例轮流调度技术一起工作，在该示例轮流调度技术中，调度有效内的每帧的突发脉冲轮廓可改变。在一个示例中，添加8比特的调度有效字段以指示在一个调度期间的总共的帧时隙。在一个示例中，第i帧中的下行链路突发脉冲轮廓占据4个比特，而第i帧中的上行链路突发脉冲轮廓占据调度有效字段的4个比特。这允许使用IEEE 802.16标准的已知部分。

所公开的示例允许网状网络中的充分频谱利用和高的吞吐量。感知干扰的集中式调度技术具有高的并发率。在一个示例中，定义了高优先级服务、中间优先级服务和低优先级服务。以首先从高优先级开始并以低优先级服务结束的方式为下行链路流量服务。同时，又以在低优先级之前为高优先级服务的方式调度尽可能多的不受干扰的上行链路传输机会。由于根节点典型地管理树结构中的所有内部数据和外部数据交换，所以首先对下行链路流量服务是有利的。因此，根节点应当尽可能快地中继下行链路分组，以避免缓冲器溢出和确保等待时间要求。对于上行链路服务，可沿着传输路径将流量临时存储和缓冲在内部的用户站节点中，在传输路径上，该流量可等待适当的机会而被中继到网状网络的根节点。

在一个示例中，根据按已知方式操作的轮叫顺序首先沿着每个分支为下行链路流量服务。由于将逐跳地传输下行链路流量直到到达目的地节点，所以在下行链路的每个节点中只需要一个分组缓冲器，这意味着在下一调度窗口(比如，帧)中将立即传输中继的下行链路分组。同时，轮流地激活非相邻层中的链路。

对于上行链路服务，可将分组缓冲在每个子节点(比如，用户站)内的不同优先级队列中。每个队列中的服务次序遵循从叶至根的请求次序。在图1的示例中，可认为节点27、28、29和30是叶节点。如上所述的掩模提供用于使用在优先级队列中可获得的分组来构造上行链路子帧的指令。重复这样的过程，直到所有的上行链路流量和下行链路流量基于被选择用于调度的流量的量而被服务。

该示例技术提供了以避免干扰的方式在网状网络中的层之间轮流进行调度的方式，减小为选择数量的流量服务所花费的时间量，并减小与为这样的流量服务相关的等待时间。该示例技术提供了在集中式调度下的高并发传输，并通过消除用于握手的消息交换来增强分布式调度。例如，与基本的先进先出服务模式相比，该示例技术可节省不同的流量负载下的集中式调度有效时间的一半，并减小用于具有不同优先级的服务的平均等待时间的一半。另外，相信所公开的示例与各种流量分配较好地兼容，并且即使当上行链路和下行链路流量比例改变时，所公开的示例也保持稳定的调度有效性。所公开的技术的另一优点在于其复杂度相对较低，并且相对容易在网状网络中实现。

前面的描述基本上是示例性的，而不是限制性的。对所公开的示例的改变和修改可对本领域的技术人员变得清楚，而不必背离本发明的精髓。可仅通过研究下面的权利要求来确定给予本发明的合法的保护范围。

Claims (10)

1.一种在包括下述树的网状网络中通信的方法，所述树在根节点和子节点之间具有至少一个分支，以及所述节点之间的多个层中的每层上有至少一个链路，每个链路有助于节点和沿着所述分支的至少一个下一节点之间的通信，所述方法包括：

调度选择的节点之间的传输，以使得同时传输仅沿着所述分支在非相邻层上发生。

2.如权利要求1所述的方法，包括：调度传输，以使得同时传输仅沿着所述分支每隔一层发生。

3.如权利要求1所述的方法，包括：

指定所述层中的至少一层为偶数层；

指定与所述至少一层偶数层相邻的至少一层为奇数层；

调度传输，以使得所述分支的任何偶数层上的至少一个传输在调度窗口内发生；和

防止在所述调度窗口期间所述分支的任何奇数层上的任何传输。

4.如权利要求3所述的方法，包括：

调度传输，以使得所述分支的任何奇数层上的至少一个传输在下一调度窗口内发生；和

防止在所述下一调度窗口期间所述分支的任何偶数层上的任何传输。

5.如权利要求4所述的方法，包括：

调度传输，以使得至少一个其它传输在下一随后的调度窗口内，在所述分支中的在前一调度窗口期间不包括任何传输的任何层上发生；和

防止在所述分支中的在前一调度窗口期间包括传输的任何层上的、在所述下一随后的调度窗口内的任何其它传输。

6.如权利要求5所述的方法，包括：

重复执行在任何以后的下一随后的调度窗口期间调度和防止其它传输的步骤，直到沿着所述分支完成选择数量的传输。

7.如权利要求1所述的方法，其中，

所述网状网络至少包括从基本节点至第二子节点的第二分支，以及

所述方法包括：

调度传输，以使得同时传输仅在第二分支的非相邻层上发生，所述非相邻层不同于其上沿着所述分支发生传输的层。

8.如权利要求7所述的方法，包括：

指定所述层中的至少一层为偶数层；

指定与所述至少一层偶数层相邻的至少一层为奇数层；

调度传输，以使得所述分支的偶数层中的至少一个偶数层上的至少一个传输在调度窗口内发生；

防止在所述调度窗口期间所述分支的奇数层中的任何奇数层上的任何传输；

调度传输，以使得所述第二分支的奇数层中的至少一个奇数层上的至少一个传输在所述调度窗口内发生；和

防止在所述调度窗口期间所述第二分支的偶数层中的任何偶数层上的任何传输。

9.如权利要求8所述的方法，包括：

调度传输，以使得所述分支的奇数层中的至少一个奇数层上的至少一个传输在下一调度窗口内发生；

防止在所述下一调度窗口期间所述分支的偶数层中的任何偶数层上的任何传输；

调度传输，以使得所述第二分支的偶数层中的至少一个偶数层上的至少一个传输在下一调度窗口内发生；和

防止在所述下一调度窗口期间所述第二分支的奇数层中的任何奇数层上的任何传输。

10.如权利要求9所述的方法，包括：

调度传输，以使得至少一个其它传输在下一随后的调度窗口期间，在前一调度窗口期间不包括传输的层中的任何层上发生；

防止在所述前一调度窗口期间包括传输的任何层上、在所述下一随后的调度窗口内的任何其它传输；和

重复执行在任何以后的下一随后的调度窗口期间调度和防止其它传输的步骤，直到沿着所述分支完成选择数量的传输。

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