CN101455039B - 移动网络中延迟路径的表示 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于包含至少两个通信设备的通信网络中的通信设备，其特征在于，包括以下装置：用于针对每一对(源节点、目的节点)网络设备，以(LD、EA)对的列表的形式存储路径的装置，EA是针对设备间连接的任意序列的最早到达，LD是针对设备间连接的任意序列的最晚离开，以及利用根据观察到的先前路径的历史记录选出的节点，向另一设备发送数据的装置。本发明还涉及一种通信方法。

Description

移动网络中延迟路径的表示

技术领域

本发明涉及无线网络领域。

本发明具体涉及一种通信设备，以及一种在不同设备间进行通信的方法。

背景技术

本发明属于网络技术的范畴，所述网络可以是例如ad-hoc无线类型的网络或PAN(个域网)，尤其是蓝牙类型的网络。网络可以用图来表示，图中移动终端为图的节点(端点)，通过例如MAC地址予以标识，图中的边与终端对间的连接(contact)相对应，图中的路径是按时间顺序排列的边序列。在给定时刻从源节点出发沿所有可能的路径运动，沿哪条路径运动到达目的节点的时刻最早，那么该路径就被认为是最优的。对于每个(源节点、目的节点)对，到达函数给出每一时刻所创建的分组的最早到达时刻。一种易于想到的方案为，对每一时刻用一个值表示观察到的时间延迟。每次发现新的可能路径，最优路径算法就更新值的集合。该方案的空间和运算代价很高。

通过学术论文“Shortest-Path and Minimum-Delay Algorithms inNetworkswith Time-Dependent Edge-Length”(A.Orda和R.Rom)可知，现有技术中存在一种求解网络中最短路径问题的方法，在所述网络中边的延迟(或权重)随时间发生随机变化。根据本发明的方法在某种程度上与现有技术中的方法不同，根据本发明的方法同时为所有源节点计算最短路径。

通过学术论文“An efficient on-line algorithm for the shortest mobilepath problem”(Syrotiuk)可知，现有技术还存在一种求解以移动图(mobile graph)的形式示出的网络中的最短路径问题的方法。

发明内容

对任何可容许的连接序列(按时间顺序排序的路径)，定义最早到达(EA)和最晚离开(LD)。根据本发明的方法通过对连接集合或时间图的边进行归纳的方式，为所有的(源节点、目的节点)对构建到达函数。将该函数基于(LD、EA)对的集合进行表示。对于每个(源节点、目的节点)对，可以利用(LD、EA)对的列表表示所有最优路径。

每一时刻的到达过程(到达函数)用时间值对的序列表示。

本发明的目的在于，提出一种快速且高效地提取最优路径的方法，以克服现有技术的缺陷。

为此，最广为认可地，本发明涉及一种用于包含至少两个通信设备在内的通信网络中的通信设备，其特征在于，包括以下装置：

-用于针对所述网络的每一对源和目的通信设备，以LD和EA对的列表的形式存储路径的装置，其中，EA是针对连接源通信设备和目的通信设备的设备对间连接的任意序列的、到达第一通信设备的最早到达时间，LD是针对连接源通信设备和目的通信设备的设备对间连接的任意序列的、离开第二通信设备的最晚离开时间，使得针对从源通信设备到目的通信设备的每条路径，与所述路径相关联的LD对应于所述路径能够起始的最晚时间，与所述路径相关联的EA对应于所述路径能够终止的最早时间，以及

-利用根据先前的观察到的路径的历史记录选出的节点，向另一通信设备发送数据的装置。

优选地，所述通信网络是分组交换类型的通信网络，所述设备包括以下装置：

-用于针对所述网络的源节点和目的节点对，创建在每一时刻为每个所创建的分组给出最早到达时间的函数的装置，以及

-用于基于LD和EA对的集合表示所述函数的装置。

根据一种变型，所述网络是PAN(个域网)类型的网络。

根据一特定实施例，所述网络是无线ad-hoc类型的网络。

根据一实施例，所述网络是蓝牙类型的网络。

根据另一实施例，所述网络是WI-Fi类型的网络。

根据一种变型，所述网络的通信设备是由MAC(媒体访问控制)地址标识的。

本发明还涉及一种用于包含至少两个通信设备在内的通信网络中的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

-针对每一对(源节点、目的节点)网络设备，以(LD、EA)对的列表的形式存储路径，EA是针对设备间连接的任意序列的最早到达，LD是针对设备间连接的任意序列的最晚离开，以及

-利用根据观察到的先前路径的历史记录选出的节点，向另一设备发送数据。

优选地，所述通信网络是分组交换类型的通信网络，所述方法包括以下步骤：

-针对所述网络的(源节点、目的节点)对，创建在每一时刻为每个所创建的分组给出最早到达时间的函数，以及

-基于(LD、EA)对的集合，表示这些函数。

附图说明

参照附图，根据以下对于作为示例给出的本发明的实施例的描述，将能够更好地理解本发明，附图中：

图1示出了根据本发明的方法，

图2是一幅时序图，示出了针对给定(源节点、目的节点)对的每一时刻的最优路径，

图3示出了使用相同的连接但不能级联的，关于时间的路径的示例，以及

图4示出了移动网络的情景示例。

具体实施方式

根据本发明的方法减少了对较长的轨迹进行计算或实时计算所需的存储量。

此外，根据本发明的方法是这些最优路径的最简洁的表示(对于N条最优路径，只需要2N个数字)。此外，该方法本身适合以下两种情形：

-所使用的编码约定特别适合同时存在的路径，

-路径粒度(path granularity)高度变化(许多路径维持几秒钟，然后较长时段内不发生任何事件)。

本发明的结果可用于对移动终端的传输做出判断。

如果使用形成拓扑图中路径的边序列(连接序列)能够定义关于时间的路径，那么就将其称为可容许路径：

如果存在(t₁，...，t_n)的非递减时间序列，使得

那么(e₁，e₂，...，e_n)就是可容许路径，其中

通过归纳，可以获得等价条件：

$\&ForAll;i,t_i^{\mathrm{end}}\&GreaterEqual;\max \{t_j^{\mathrm{beg}};j<i\}---\left(1\right)$

可容许的序列不总是可以级联的，即使序列的最后连接是其它序列的第一个连接也是如此。这是由于第一序列的关于时间的路径可能在第二序列的关于时间的路径消失后到达。

图3示出了这种情况的示例：由于序列(e₁，e₂，e₃，e₄)可以与时间递增序列(3，5，5，5)相关联，因此该序列是可容许的。类似地，序列(e₄，e₅)可以与时间序列(4，4)相关联。然而由于序列(e₁，e₂，e₃，e₄，e₅)不能定义关于时间的路径序列，因此该序列不是可容许路径。在图3上，每条水平线上第一条垂直短线表示连接起始，每一条水平线上第二条垂直短线表示连接结束。

对于任意可容许的连接序列e＝(e₁，e₂，...，e_n)，定义最早达到EA或最早到达：类似地，定义最晚离开LD或最晚离开： $\mathrm{LD}\left(e\right)=\underset{i}{\min }\left\{t_i^{\mathrm{end}}\right\}.$

很容易获得以下事实。这些事实表明，前面的定义可以实现对一大类关于时间的路径的总体描述，以及对可容许序列的操作。

(i)与e相关的关于时间的所有路径在LD(e)之前离开源节点，并在EA(e)之后到达。

(ii)存在在LD(e)时刻离开源和在EA(e)时刻到达的与e相关的关于时间的路径。

(iii)当且仅当EA(e)≤LD(e′)，才可以将连接(v_n＝v′₀)的两个序列(e)、(e′)级联为一个单独的可容许序列eоe′。

方案(iii)是前述可容许序列(1)的特性的一种简单、有用结构。很容易证明EA(eоe′)＝max(EA(e)，EA(e′))，并且LD(eоe′)＝min(LD(e)，LD(e′))。

在(ii)中，在LD(e)时刻离开源的路径和在EA(e)时刻到达的路径未必是相同的路径。以用时间间隔为[t^beg；t^end](t^beg＜t^end)的唯一连接(a→b)实现的序列e为例。关于时间并使用该连接的路径在t^beg时刻从a→b离开，在t^end时刻另一条路径从a→b离开。然而，当LD(e)≤EA(e)(如通常的多跳类型路径的情况)，可以构建在LD(e)时刻离开、在EA(e)时刻到达的路径。在与该序列相关的关于时间的所有路径之中，该路径是最优的，这是由于该路径就延迟而言比其他路径更有效。

如果不存在就出发/到达而言更好的其他路径，就将在t_dep时刻离开节点a、在t_arr时刻到达节点b的关于时间的路径称为是最优的。换言之，后出发的另一路径必定到达较晚，到达较早的另一路径必定出发早。

$t_{\mathrm{dep}}^{\&prime;}>t_{\mathrm{dep}}\&DoubleRightArrow;t_{\mathrm{arr}}^{\&prime;}>t_{\mathrm{arr}}$ 以及

$t_{\mathrm{arr}}^{\&prime;}>t_{\mathrm{arr}}\&DoubleRightArrow;t_{\mathrm{dep}}^{\&prime;}>t_{\mathrm{dep}}$

其中，t′_dep、t′_arr与从a到b的另一路径的离开和到达时间相关。

在给定的关于时间的路径子集内，根据上述定义，如果不存在其他更好的路径子集，该子集的路径就被称作是最优的。

作为示例，考虑与连接序列e相关的所有路径的子集。一旦已知(EA(e)、LD(e))，就可以表征该子集的最优路径。如上所述，如果LD(e)≤EA(e)，则可以构建在LD(e)时刻离开，在EA(e)时刻到达的路径。该路径是最优的，并且所有最优路径必需同时离开和到达。

相反地，如果EA(e)＜LD(e)，则根据定义这将导致，与e中的连接相关的所有时间间隔在[EA(e)；LD(e)]上产生交集。这时可以构建在该公共时间间隔内的任意选定时刻出发和到达的最优路径。这些最优路径是仅有的最优路径。

对于每一个源节点a和目的节点b，引入到达函数，到达函数给出了消息的最早到达与源节点发送消息的时刻间的关系。该函数通常定义为：

$\mathrm{del}\left(t\right)=\min \{t_{\mathrm{arr}}^{\mathrm{\&pi;}};t\&le;t_{\mathrm{dep}}^{\mathrm{\&pi;}}\}$

其中，π表示关于时间的所有路径，这些路径可以在时序图中的a和b之间绘出。按照习惯，如果不存在路径，则将其视为无穷。在该定义中，可以将最小值限制为仅包括最优路径，如果没有则修改函数值。

给定连接序列e的最优路径的特征是确知的，并由EA(e)、LD(e)给出。可以从上述内容推得到达函数具有以下表示：

del(t)＝max(t，min[EA(e)|t≤LD(e)])                      (2)

其中，最小值取自所有从源节点到目的节点的可容许的连接序列e。

换言之，可以基于可容许连接的序列描述到达函数的所有值和不连续性，并在时序图中直接构建它们。此外，该函数仅取决于与所有这些序列相关的(EA、LD)对。

图2示出了到达函数及其对序列表示。x轴表示时间t，y轴表示可以是无穷的到达函数值。该图表被称作时序图(chronologicaldiagram)。左边的图示出了与对相关的坐标点，中间的图示出了公式(2)中最小值，以及右边的图示出了到达函数。图中示出三种情况：对1和3与源节点和目的节点之间的同时发生的连接时间间隔相对应，对2示出了类似的情况，其中连接仅持续一段时间间隔，由于数据在离开源节点之后，在被传送之前必须在中继设备中保持片刻，因此对4无法与同时发生的连接相对应。类似的情况会在实际中遇到。

在提出的算法中，始终以与其相关的(LD、EA)对序列表示到达函数，不直接将其示为函数。根据该表示法，空集本质上与不存在路径的源节点-目的节点对相对应，并且到达函数始终为无穷值。

根据本发明的方法，在每个离开时刻，针对所有源节点-目的节点对，有效地处理并示出时序图中所有最优路径的性能。这些最优路径基于无线网络中最有可能的连接，与尽可能好的发送选择相对应。由于只研究最优路径可能过于局限，因此相同的方法还可以识别属于某些类的全部最优路径。因此，可以对最优性概念进行参数化。

根据本发明的方法，通过归纳连接集合或时序图的边，为所有源节点-目的节点对构建到达函数。基于对集合(LD、EA)表示到达函数。

将两个标记应用至每一对源节点-目的节点对：

●为了表征由公式(2)给定的到达函数，不需要与可容许序列相关的多对(LD、EA)。该函数可以完全由少量对予以表征，所述对的数量等于间断的数量和该源节点-目的节点对的最优路径的数量。

●如果以根据第一坐标排序的列表的形式对对集合进行组织，则可以将该列表有效地更新，使其包括另一对获取另一连接序列的效果的(LD、EA)。

基于上述技术，开发了两种算法：

1)非限制性搜寻：

为了获取所有最优路径的效果，逐一在时序表中添加连接。从空集和空连接集合开始，每一阶段更新表示扩展子图的到达函数的集合。当在时序图中添加连接a→b边时，首先将相关对(LD、EA)包含在的与源节点a和目的节点b相对应集合中。为了表示可以通过新的最优路径中的该边的所有路径，对具有源节点s和目的节点a的所有集合和具有源节点b和所有目的节点d的集合进行检验。不需要考虑这些集合中的所有对(LD、EA)。对(LD、EA)中的某些可能无法由可容许序列中的新边实现，根据先前提到的级联规则，其它源节点-目的节点对无法定义新的最优路径。

基于相关对(LD、EA)的值对所有这些操作(级联、优化、补充到达函数)加以决策。在已经囊括了所有这些连接之后，就获得了最佳到达函数，后者具体描述每一时刻所见的最优路径延迟的特征。

2)有限跳(hop)搜索：

在该算法中，利用一组固定参考，将唯一级联迭代为所有连接中正确的连接。这个过程起始于空集，因此第一次迭代产生的都是大小为1的最优路径(这是由于实际上最优路径是各位于两个终端之间直接连接)。在接下来的步骤中，将这些路径的集合视作新的参考集合，在不加修改的情况下，再次利用该集合对每一个连接进行级联。将结果结合起来，从而获得大小至少为2的全部最优路径。对于后续阶段，不需要在存储器中存储第一组路径。

根据本发明，通信设备通常是移动终端，后者包括：处理器、存储器、以及与其它通信设备进行通信的装置。

根据本发明部署的方法计算表示从每一个源节点到每一个目的节点的最优延迟的后验路径。

在一实施例中，该方法包括两个部分：

-后向路由，精确计算关于迄今为止的优化延迟路径的信息，以及

-基于事件日志进行发送，负责提取过去信息以做出传输判断的机制。

后向路由：

在这部分中，保存网络当前状态，所述网络当前状态以朝向所有源节点自身的过去的可能路径表示。

每一个网络节点现在位于后向路由表中，所有源节点s的最优延迟路径朝向源节点自身。该路径被定义为，使分组能够在s的可能的最晚时刻出发并在当前时刻t之间到达节点的路径。

所有列表初始为空。当两个节点到达连接时，交换其列表的内容，以更新它们的状态，从而表示该连接。该连接还通知每一个节点存在其它源节点。

由于另一个节点可能不会特别关注此节点，因此看起来获取关于所有网络源节点信息十分多余。然而，根据每一个节点执行选择将对从源节点到该特定目的节点的路径产生影响，并且这样做还可以排除所有将该目的节点作为用于交换数据的中继的路径。

当两个节点彼此反复相遇时，可以避免冗余输入的交换。

基于历史记录进行转发：

首先，从处在不断演化状态中的后向路由表提取信息：对那些已经是最优延迟路径的中继的节点进行统计。

其次，将该信息用于数据分组的发送。

图4示出了具有7个节点的情况。在这期间，五个节点是静态的：分布在分别包含两个和三个节点的两簇(cluster)A和B中。两个节点在不同区域内运动。两个节点之一，在若干不同时刻进入并与两个静态簇发生连接。

以下是该示例中的上述后向路由阶段：

在t＝1时刻，后向路由表仅包含静态节点，移动节点包含来自簇B的所有节点的路径。

在t＝2时刻，处在中间的移动节点进入并与另一簇发生连接。因此，该节点利用传递性向簇A中所有节点发送簇B中所有节点的最优延迟。簇A中的节点立即对其进行反映。

在t＝3时刻，与B连接的移动节点在离开该簇时更新其全部路径，并创建从t＝2时刻簇A的所有节点到簇B的节点的新路径。此外，最左端的节点进入并与簇A的节点连接：该节点继承离开时刻等于t＝3的整个簇A的路径以及离开时刻t＝1的簇B的路径。

在t＝4时刻，移动节点重复与A发生第二次连接。该移动节点更新所有路径并首次获得与最左端的移动节点相对应的输入。

在t＝5时刻，每一个移动节点都进入并与簇(具体为簇B)连接。该簇首次包括从最左端移动节点出发的路径。

此时，网络连接完成，即已经为所有(源节点、目的节点)对找到了路径。

基于历史记录的特定操作可以使发送更有效。

如果必须将在最左端移动节点处创建的分组发送至B，那么由于移动节点首先观察到B的经由A到达其自身的路径，因此移动节点基于在t＝3时刻进行的联系，确定在簇A中保留副本。实际上，遵循相同的规则，簇A的节点在中间时刻t＝4将分组交给的移动节点，然后在t＝5时刻将该分组交给目的节点。

两个簇的节点可以极其迅速地识别出，中间的移动节点是向其它簇发送分组的良好选择。

后向路由表格式

每一条目需要两个字段：源节点(由MAC地址或其它唯一标记识别)、以及标识最晚离开该源节点的时间。该信息足以将表保持在更新状态，但是由于该信息仅描述每一个源节点和一节点之间的距离，因此无法实现一个或多个特定中继的选择。

可以添加其它字段。其他字段可以包括如：

-最后一个发射机的标识，

-路径中完整的中继列表，

-记录路径的时间(对应于该路径所使用的最后一次连接)，

-该路径的所用中继列表及中继之间的过渡时间。

以下表格中给出了示例表格：

表1后向路由表的示例

该表格初始为空。当i、j相等时，首先初始化或更新与其中任意一个相关的条目。

源节点	最晚离开	路径
			i	t	经由i到t

表2

其次，它们交换它们的当前后向路由表。当节点接收到对于源节点s和最晚离开t’的新条目时：

-如果不存在该源节点的条目，则将新条目添加至其表格：

-如果已经存在该源节点的条目，则比较最晚离开的时间并将其更新为最大值。

当初始化或更新条目时，将有关所用路径的信息与所接收的信息级联。

可以对所交换的条目的数量进行限制，例如通过不发送特定条目的方式进行限制。

在上文中以示例对本发明进行描述。应当理解的是，本领域的技术人员能够在不背离本专利的范围的前提下，作出本发明的各种变型。

Claims (9)

1.一种用于包含至少两个通信设备在内的通信网络中的通信设备，其特征在于，包括：

用于针对所述网络的每一对源和目的通信设备，以LD和EA对的列表的形式存储路径的装置，其中，EA是针对连接源通信设备和目的通信设备的设备对间连接的任意序列的、到达第一通信设备的最早到达时间，LD是针对连接源通信设备和目的通信设备的通信设备对间连接的任意序列的、离开第二通信设备的最晚离开时间，使得针对从源通信设备到目的通信设备的每条路径，与所述路径相关联的LD对应于所述路径能够起始的最晚时间，与所述路径相关联的EA对应于所述路径能够终止的最早时间，

用于针对所述网络的每个节点保持后向路由表的装置，所述后向路由表包含与从网络中的所有源通信设备到所述节点的先前的观察到的路径有关的信息，以及

利用根据从所述后向路由表提取的先前的观察到的路径的历史记录选出的节点，向另一通信设备发送数据的装置。

2.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述通信网络是分组交换类型的通信网络，并且所述通信设备包括以下装置：

用于针对所述网络的源和目的对，创建在每一时刻为每个所创建的分组给出最早到达时间的函数的装置，以及

用于基于LD和EA对的列表表示所述函数的装置。

3.根据权利要求1或2所述的通信设备，其特征在于，所述网络是个域网PAN类型的网络。

4.根据权利要求1或2所述的通信设备，其特征在于，所述网络是无线ad-hoc类型的网络。

5.根据权利要求3所述的通信设备，其特征在于，所述网络是蓝牙类型的网络。

6.根据权利要求1或2所述的通信设备，其特征在于，所述网络是Wi-Fi类型的网络。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的通信设备，其特征在于，所述网络的通信设备是由媒体访间控制MAC地址标识的。

8.一种用于包含至少两个通信设备在内的通信网络中的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

针对所述网络的每一对源和目的通信设备，以LD和EA对的列表的形式存储路径，EA是针对连接源通信设备和目的通信设备的通信设备对间连接的任意序列的、到达第一通信设备的最早到达时间，LD是针对连接源通信设备和目的通信设备的通信设备对间连接的任意序列的、离开第二通信设备的最晚离开时间，使得针对从源通信设备到目的通信设备的每条路径，与所述路径相关联的LD对应于所述路径能够起始的最晚时间，与所述路径相关联的EA对应于所述路径能够终止的最早时间，

针对所述网络的每个节点保持后向路由表，所述后向路由表包含与从网络中的所有源通信设备到所述节点的先前的观察到的路径有关的信息，以及

利用根据从所述后向路由表提取的先前的观察到的路径的历史记录选出的节点，向另一通信设备发送数据。

9.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，所述通信网络是分组交换类型的通信网络，所述方法包括以下步骤：

针对所述网络的源和目的对，创建在每一时刻为每个所创建的分组给出最早到达时间的函数，以及

基于LD和EA对的列表，表示所述函数。

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