CN101395857A - 用于在带有隐藏节点的自组网络中进行多跳数据传输的方法 - Google Patents
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Abstract
在一种在带有隐藏节点的自组网络中进行多跳数据传输的方法中，具有发送企图的节点确定无冲突地将数据传输至下一个节点的概率，并且在具有大概率的无冲突的数据传输情况下，将有用数据包传输给下一个节点，而不通过下一个节点与位于下一个节点周围的隐藏节点关于至下一个节点的数据传输进行协调。
Description
本发明涉及一种在带有隐藏节点的自组网络中进行多跳数据传输的方法。
移动Ad-Hoc(自组)网络(MANET)由大量无线电设备构成，这些无线电设备动态地形成了临时的网络，在该网络中，各无线电设备用作另外的各无线电设备的路由器，并且由此无需中央的基础设施。
在MANET中重要的一点是对共同使用的传输资源的访问的协调。每次只允许一个设备进行发送，因为否则出现冲突，这些冲突导致所发送的信息丢失。
媒体访问控制(MAC)协议协调访问，并且限定了无线电设备如何能够有效地并且公平地分享有限的传输资源。正是在Ad-Hoc领域中，MAC方法得到非常广泛的应用，这些方法基于关于信道占用的信息对信道访问进行协调。以术语载波侦听多址接入(CSMA)对这些方法进行了概括。广泛使用的WLAN方法IEEE 802.11基于CSMA。
在CSMA方法中，所有想要进行发送的站监视媒体。当媒体已经被占用时，想要进行发送的站等待。当媒体未被占用时，想要进行发送的站允许占用媒体并进行发送。为了在传输结束时避免冲突，信道访问可以通过随机的等待时间来进行控制。在传输结束时，不同的站具有不同的等待时间，使得一个站首先占用媒体。其他站通过信道监视得知这一点，并且撤回发送愿望直到当前传输结束。当所接收到的信号强度超过确定的阈值时，媒体被视为占用。
MANET具有动态的、有时快速变化的随机拓扑结构。无线电设备直接与其相邻的无线电设备(相邻的节点)进行通信(当这些无线电设备位于有效距离内时)，或者通过多个用作中间节点的无线电设备进行通信(多跳)，其中这些用作中间节点的无线电设备将信息转发至目标无线电设备(目标节点)。由于分布式的结构，这些网络非常强健，然而需要通过各个网络节点的协调和独立的控制。
对于多跳运行，每个无线电节点都维持有路由表，该路由表带有所有涉及的功能节点的拓扑结构。在先应式路由情况下，在确定的时间格栅中该路由表借助与相邻的无线电节点的数据交换来更新，而在反应式路由情况下，仅仅在与相邻节点进行有用数据交换的时刻进行更新。如果源节点在路由表中找到目标节点，则要传输的数据包由想要进行发送的无线电节点通过所有已知的中间节点的路由路径传输至目标节点。
当根据图1，两个节点在其有效距离内并不包含彼此，而所述两个节点具有位于它们的有效距离内的同一节点时，会导致网络阻塞。如果这两个节点企图在相同的时间与它们的同一节点进行通信，则它们的相应的信号冲突，由于缺少两个节点的协调，这不能够通过CSMA方法来防止。由于这种网络阻塞降低了移动Ad-Hoc网络的效率。因为两个发射的节点分别位于彼此的有效距离之外，所以它们分别对于彼此是隐藏节点。
因此，在MANET中识别这种隐藏节点是提高移动Ad-Hoc网络的效率的一个重要措施。
为了避免隐藏节点的冲突，常常使用根据图2的RTS-CTS方法。在此，发射机首先发送短消息(RTS)，借助该短消息使得传输被获知。接收机同样用短消息(CTS)应答。随后进行实际的有用数据传输。通过RTS消息和CTS消息，在发射机和接收机的有效距离中的所有站都被告知该传输。在该传输期间，其他站不允许发送，以避免冲突。
RTS消息和CTS消息的传输消耗了传输容量，该传输容量对于有用数据包的传输是不可用的。特别是在传输小的有用数据包的情况下，RTS消息和CTS消息的传输明显地起到负面作用。就此而言，只有从一定的有用数据包大小开始才使用RTS-CTS(请求发送-允许发送)方法。
WO 03/079708A1提出了一种用于识别隐藏节点的方法。在此，由想要进行发送的节点发送控制消息给相邻的节点(在该节点的附近存在对于想要进行发送的节点的隐藏节点)，并且最后由该相邻的节点转发给隐藏节点，该隐藏节点通过该相邻的节点将确收消息回送给想要进行发送的节点。对于想要进行发送的节点而言，该确收消息用作存在位于该相邻的节点附近的隐藏节点的指示器。
本发明的任务是，提供一种用于在带有隐藏节点的Ad-Hoc网络中进行多跳数据传输的方法，该方法避免了与隐藏节点的有用数据包的冲突，并且同时改善了传输信道的效率。
该任务通过根据本发明的、具有权利要求1的特征的、用于在带有隐藏节点的Ad-Hoc网络中进行多跳数据传输的方法的主题来解决。在从属权利要求中说明了有利的改进方案。
根据本发明，在Ad-Hoc网络中节点企图进行数据传输的情况下，由该节点确定无冲突数据传输的概率，并且在具有大的无冲突数据传输概率情况下，进行数据传输，而不通过传输信道的分派与位于下一个节点周围的隐藏节点进行协调过程。
仅仅在无冲突传输的概率较小时，才例如通过RTS-CTS方法通过传输信道的分派与位于下一个节点周围的隐藏节点进行协调过程。
通过这种方式，与现有技术的方法相比，传输信道被在想要进行发送的节点和位于下一个节点周围的隐藏节点之间的最小数目的协调过程占用，由此得到传输信道的更高的效率。
为了确定无冲突传输的概率，想要进行发送的节点确定位于其数据传输的路由路径中下一个节点周围的隐藏节点的数目。为此，想要进行发送的节点可以根据WO 03/088587A1事先对为了路由而与其相邻的节点交换的路由信息进行分析，而无需浪费额外的传输容量来识别隐藏节点。
在路由路径中下一个节点周围的被识别的隐藏节点数目越大，则出现冲突的概率越大。附加地，为了确定无冲突的传输的概率，可以确定在下一个节点和位于其周围的每个隐藏节点之间的平均传输量。为此，检测和统计分析在下一个节点和位于其周围的隐藏节点之间传输的每个有用数据包的包大小、数据类型和/或业务种类。
特别是在周期性的数据传输行为中，在下一个节点和位于其周围的每个隐藏节点之间的在时间上的平均传输量的分析能够实现识别具有大的无冲突数据传输概率的时间。
以下借助附图详细阐述根据本发明的、用于在带有隐藏节点的Ad-Hoc网络中进行多跳数据传输的方法。其中：
图1示出了进行发送的节点、相邻节点和隐藏节点的空间分布的图示；
图2示出了在RTS-CTS方法中的数据交换的图示；
图3示出了根据本发明的、用于在带有隐藏节点的Ad-Hoc网络中进行多跳数据传输的方法的流程图；
图4示出了在Ad-Hoc网络中传输信道的典型占用的时间图；
图5示出了根据本发明的、用于在带有隐藏节点的Ad-Hoc网络中进行多跳数据传输的系统的电路框图。
以下借助图3详细阐述根据本发明的、用于在带有隐藏节点的Ad-Hoc网络中进行多跳数据传输的方法。
在第一方法步骤S10中，由Ad-Hoc网络中的一个节点(该节点有要发送的有用数据包要向目标节点发送)在路由方法的范围内根据已有的路由表确定Ad-Hoc网络中的下一个节点。为此，使用根据现有技术的路由方法。
以下，源节点理解为其中当前存在数据包的节点，而目标节点理解为源节点将数据包发送给的那个节点。
在接下来的方法步骤S20中，具有发送企图的节点借助根据现有技术的、用于在Ad-Hoc网络中识别隐藏节点的方法，例如借助WO 03/088578A1中所描述的方法，确定位于下一个节点周围的隐藏节点。如果通过该方法没有识别出在下一个节点周围的隐藏节点，则预期在通过具有发送企图的节点传输要发射的有用数据包的情况下没有冲突，并且具有发送企图的节点可以根据方法步骤S100将有用数据包传输给下一个节点而未出现问题。
如果与此相反，通过该方法识别出在下一个节点周围的至少一个隐藏节点，则在下一方法步骤S30中确定，是否所识别出的隐藏节点的数目超过了预先给定的阈值。如果所识别出的隐藏节点的数目在阈值之下，则可以认为在通过具有发送企图的节点传输要发射的有用数据包的情况下，无冲突数据传输的概率大，并且想要进行发送的节点根据方法步骤S100以具有比较低的出现问题的风险将有用数据包传输给下一个节点。
如果与此相反，所识别出的隐藏节点的数目在阈值之上，则可以以可选方式在随后的方法步骤S40中，经较长的时期通过检测和统计分析在下一个节点和位于该下一个节点周围的每个隐藏节点之间所传输的有用数据包来确定在下一个节点和位于其周围的隐藏节点之间的平均数据传输量。为了确定平均数据传输量，可以考虑分别在下一个节点和位于该下一个节点周围的隐藏节点之间所传输的有用数据包的包大小、数据类型和/或业务种类。
如果该平均数据传输量在预先给定的阈值之下，则尽管存在最少数目的、位于下一个节点周围的隐藏节点，仍然可以认为无冲突数据传输的概率高。在这种情况下，想要进行发送的节点可以在方法步骤S100中以比较低的出现问题的风险将要传输的有用数据包发送给下一个节点。
如果根据方法步骤S30识别出的隐藏节点的数目在预先给定的阈值之上和/或如果在方法步骤S40中平均数据传输量超过阈值，则可以以可选的方式在步骤S50中检测在下一个节点和位于该下一个节点周围的每个隐藏节点之间的平均数据传输量的时间分布。在下一个节点和位于该下一个节点周围的隐藏节点之间周期性地出现数据传输流量的情况下，即会存在具有较低的平均数据传输量的时间，并且由此存在大的无冲突数据传输概率的时间，以及会存在具有比较高的平均数据传输量的时间，并且由此存在小的无冲突数据传输概率的时间。
在随后的同样可选地执行的方法步骤S60中，因此由该可选地确定的平均数据传输量的时间分布确定其中存在高的平均数据传输量的时间区段，以及确定其中存在低的平均数据传输量的时间区段。最后在接下来同样可选地执行的方法步骤S70中，确定是否在当前时刻存在具有高的平均数据传输量的时间区段。如果当前不存在具有高的平均数据传输量的时间区段，则当前无冲突数据传输的概率比较大，并且想要进行发送的节点在方法步骤S100中将有用数据包传输给下一个节点。
如果与此相反，当前存在具有高的平均数据传输量的时间区段，则当前无冲突数据传输的概率小，并且想要进行发送的节点也如在根据方法步骤S30所识别出的隐藏节点的数目超过预先给定的阈值的情况下和/或在根据方法步骤S40的平均数据传输量超过预先给定的阈值的情况下那样，没有执行可选的方法步骤S50至S70地在接下来的方法步骤S80中关于接下来的信道访问与位于下一个节点周围的隐藏节点协调。在此，可以在下一个节点的中间连接情况下使用上面提及的RTS-CTS方法，而完全也可以使用CSMA系统中的传输信道分派的其他方法。
如果最后将传输信道分派给想要进行发送的节点，则在方法步骤S100中通过该想要进行发送的节点将要发送的有用数据包传输给下一个节点。
在图4的时间图中示出了在下一个节点和位于其周围的隐藏节点之间周期性出现数据传输量的情况下，在Ad-Hoc网络中传输信道的占用。可以看出的是，具有高的平均数据传输量的周期性出现的时间区段(带有阴影)，以及由此得到的具有低的平均数据传输量的时间区段，其中在这些时间区段中，想要进行发送的节点可以将要传输的有用数据包发送给下一个节点(没有阴影)。
在图5中示出了根据本发明的在带有隐藏节点的Ad-Hoc网络中进行多跳数据传输的系统的电路框图，该电路框图在Ad-Hoc网络的每个节点中实现。
根据本发明的系统包括监视实例1，该监视实例分析和提取所有接收到的、关于对根据本发明的方法相关的信息(MAC目标地址、MAC源地址、包大小、数据类型、业务种类、发送时间等等)的有用数据包。优选在网络层中实现的监视实例可以单独针对单个的层(优选为网络层)以及针对在该层中要从有用数据包中提取的相关数据进行所接收的有用数据包的相关数据的提取，或者替代地针对节点的所有层以及在节点的所有层中要从有用数据包中提取的相关数据关联地进行所接收的有用数据包的相关数据的提取。
接收到的有用数据包的被提取的信息由连接在监视实例1之后的、同样优选在网络层中实现的分析实例2进行分析和评估(所识别的隐藏节点的数目的阈值比较，由包大小、数据类型和/或业务种类确定平均数据传输量，平均数据传输量的阈值比较，识别平均数据传输量的分布的周期性)。被分析的信息与路由表以及位于下一个各节点周围的分别被识别的隐藏节点相邻地存储在数据库3中。
本发明并不局限于所示的实施例。在本发明的范围中，所有上述措施都可以彼此任意组合。
Claims (7)
1.一种在带有隐藏节点的自组网络中进行多跳数据传输的方法，其中具有发送企图的节点确定无冲突地将数据传输至下一个节点的概率，并且在具有大的无冲突数据传输概率情况下，将有用数据包传输给所述下一个节点，而不通过所述下一个节点、关于至所述下一个节点的数据传输而与位于所述下一个节点周围的隐藏节点进行协调。
2.根据权利要求1所述的用于多跳数据传输的方法，其特征在于，
在所述下一个节点的周围识别出的隐藏节点的数目小时，至所述下一个节点的无冲突数据传输的概率被评估为小。
3.根据权利要求2所述的用于多跳数据传输的方法，其特征在于，
在所述下一个节点和在所述下一个节点周围所识别出的每个隐藏节点之间的平均数据传输量小的情况下，至所述下一个节点的无冲突数据传输的概率被评估为小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于多跳数据传输的方法，其特征在于，
具有至所述下一个节点的无冲突数据传输的小概率的时间确定为如下时间：该时间具有在所述下一个节点和在所述下一个节点周围所识别出的每个隐藏节点之间的小的平均数据传输量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于多跳数据传输的方法，其特征在于，
为了确定在所述下一个节点和在所述下一个节点周围识别出的每个单个的隐藏节点之间的平均数据传输量，检测和统计分析每个在所述下一个节点和每个在所述下一个节点周围所识别出的隐藏节点之间传输的有用数据包的包大小、数据类型和/或业务种类。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于多跳数据传输的方法，其特征在于，
在高的平均数据传输量的情况下、在具有高的平均数据传输量的时间中和/或在具有大量的、在所述下一个节点周围识别出的隐藏节点的时间中，具有发送企图的节点通过所述下一个节点、关于至所述下一个节点的数据传输而与位于所述下一个节点周围的隐藏节点协调。
7.根据权利要求6所述的用于多跳数据传输的方法，其特征在于，
在具有发送企图的节点和位于所述下一个节点周围的隐藏节点之间的协调通过请求发送/允许发送RTS/CTS方法进行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |