CN101641909A - 用于无线自组织网络的分布式重叠多信道媒体访问控制（mac） - Google Patents

用于无线自组织网络的分布式重叠多信道媒体访问控制（mac） Download PDF

Info

Publication number
CN101641909A
CN101641909A CN200880009103A CN200880009103A CN101641909A CN 101641909 A CN101641909 A CN 101641909A CN 200880009103 A CN200880009103 A CN 200880009103A CN 200880009103 A CN200880009103 A CN 200880009103A CN 101641909 A CN101641909 A CN 101641909A
Authority
CN
China
Prior art keywords
node
channel
time
objective
nodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN200880009103A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101641909B (zh
Inventor
H·吴
K·谭
J·赵
Y·张
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microsoft Corp
Original Assignee
Microsoft Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Microsoft Corp filed Critical Microsoft Corp
Publication of CN101641909A publication Critical patent/CN101641909A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101641909B publication Critical patent/CN101641909B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/02—Selection of wireless resources by user or terminal
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
    • H04W72/54—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria
    • H04W72/542—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria using measured or perceived quality
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)

Abstract

描述了用于无线自组织网络的分布式重叠多信道MAC的系统和方法。在一方面，这些系统和方法将由无线网络定义的信道频率分成单个主信道和与该主信道正交的多个客信道。自组织网络中的每一个网络节点都在主信道上操作并持续各自可变且重叠的时间量以维护与其他各个网络节点的网络连接。另外，每一个网络节点都确定是否及何时从主信道切换到这些客信道中的特定客信道并持续可变时间量以增加自组织网络中的一个或多个相应的通信链路上的与其他网络节点的数据吞吐量。

Description

用于无线自组织网络的分布式重叠多信道媒体访问控制(MAC)
背景
IEEE 802.11是用于WLAN(无线LAN)的技术标准，该技术标准已经广泛用于基础结构和自组织网络两者。自组织网络中的节点通常被配置成在单个(相同的)信道频率上与该自组织网络中的其他节点进行通信。随着传输网络节点的增多，信道容量最终变成数据吞吐量瓶颈。
图1示出了自组织网络100，其包括某一数量的计算设备网络节点(“节点”)，例如，节点1到6。在该示例中，节点1-6中的每一个都被配置成使用802.11标准通信来在相同的单个信道频率(例如，信道1)上与其他节点中的特定节点进行通信。然而，因为只有一个节点能够在任何特定时刻传输，所以每一节点对都最多利用信道的数据吞吐能力的1/3。如果太多节点试图在同一信道上，在同一时刻进行通信，则数据吞吐性能快速降低。
为了缓解同一频谱带上的相互数据传输干扰，IEEE 802.11提供多个正交频道，从而在本质上提高了网络数据吞吐能力。例如，802.11b定义了十一(11)个信道，其中三(3)个是正交的(非重叠的)，而802.11a定义了十三(13)个正交信道。图2示出了自组织网络200，其中节点对在不同的正交信道上进行通信以减少相互传输干扰。在该示例中，节点对(1、2)在信道6上操作，节点对(3、4)在信道1上操作，节点对(5、6)在信道11上操作。示出通信模式的箭头202到206中的每一个都包括用于表示跨所示节点之间的链路中的相应链路的不同通信量的不同填充(例如，交叉影线)。在这种情况下，尽管每一节点对都可同时传送数据，但在特定信道上进行通信的节点将无法与被配置成在不同信道上进行通信的任何节点进行通信。
已开发了软件控制的信道分配和切换技术以解决所述限制中的某一些。这些常规技术允许节点在各自的信道频率上进行通信，并且同时通过该允许来维护与被配置成在不同的信道上传输的节点的连接以适应不同的通信模式。一示例性的这样的情况在图3中示出，其中信道1上的节点3维护到信道6上的节点2和信道11上的节点6两者的链路连接。然而，现有信道切换技术通常使用固定模式来仿真自组织网络中的所有可能的任意通信和连接模式。这一仿真实质上是有问题的，因为它假设所有节点都将遵循类似的相同行为，但并非始终如此。
一种常规信道切换技术例如允许传输节点在每一次分组传输后切换信道。这一逐分组切换操作经常由于相应的费时信道切换等待时间而导致非常大量的处理开销。例如，802.11中的分组传输时间大概是300微妙(us)。即使NIC能够如100微妙那样快地切换并且两个节点能够精确到毫秒地进行同步，这一逐分组级信道切换方案中的分组切换开销仍然过量33％。在另一示例中，基于组件的常规信道切换技术将特定通信会话中的所有节点配置成在同一信道上传输。在该技术中，信道不在该通信会话的持续时间内改变。尽管该技术与逐分组切换方案相比在本质上减少了信道切换等待时间，但该技术在使用信道分集时是最不灵活的。
例如，现有的基于组件的信道分配技术对于诸如图4所示的、表示图2和3的组合模式的自组织网络配置将无法实现吞吐量增益。参考图4，示出了跨信道1、6和11中的各信道的通信模式402到410。如图所示，某些节点始终在同一信道上进行通信。例如，该示例中的节点3和4仅在信道1上进行通信。其他节点跨多个信道工作。例如，该示例中的节点1有时在例如信道1上工作以交换节点3。该示例中的节点1还被配置成在信道6上操作以便与节点2进行通信，等等。尽管现有MAC级信道切换方案对于图4的说明性自组织网络可实现吞吐量增益并维护节点连接，但现有MAC级信道切换模式在这些情况下是稍微受限的。
例如，常规MAC级信道切换方案只在预定和固定时隙的边缘切换信道，其中特定时隙中的所有分组都在同一信道上传输。这一常规超帧级方案是受限的。例如，现有MAC级信道切换方案一般要求节点始终在每一个超帧或时隙的基础上改变信道，从而使得这些方案太不灵活以至于无法适应较长的信道切换等待时间。另外，现有MAC级信道切换方案将超帧分成控制和数据时间，这基本上可能是有问题的。例如，以此方式划分超帧可导致：(a)对数据时间的利用不足；(b)由于每一个超帧一个服务机会而导致的每跳减少响应时间的大量数据吞吐量延迟以及(c)控制信道时间瓶颈，因为通常要求每一个节点在每一个超帧的基础上发送信令消息以竞争访问。此外，这些MAC级方案与传统的基于802.11的系统不兼容，从而或者需要修改802.11MAC(例如，扩展省电模式)或者使用专用MAC。
概述
描述了用于无线自组织网络的分布式重叠多信道MAC的系统和方法。在一方面，这些系统和方法将由无线网络协议定义的信道频率分成单个主信道和与该主信道正交的多个客信道。自组织网络中的每一个网络节点都在主信道上操作并持续各自的可变且重叠的时间量，以维护与其他各个网络节点的网络连接。另外，每一个网络节点都确定是否及何时从主信道切换到这些客信道中的特定客信道并持续可变时间量以增加自组织网络中的一个或多个相应的通信链路上的与其他网络节点的数据吞吐量。
提供本概述是为了用简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图简述
在附图中，组件参考标号最左边的数字标识了该组件首次出现的特定附图。
图1示出包括计算设备网络节点的自组织网络。
图2示出节点对在不同的正交信道上进行通信以减少相互传输干扰的自组织网络。
图3示出其中节点在各自的信道频率上进行通信同时维护到被配置成在不同信道上传输的节点的连接的自组织网络。
图4示出其中某些节点始终在同一信道上进行通信，其他节点跨多个信道进行通信，并且维护在不同信道上操作的节点之间的连接(本质上是图2和3所示的特征的组合)的自组织网络。
图5示出根据一个实施例的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的示例性系统。
图6示出根据一个实施例的由信道切换调度器逻辑利用的周期性时间周期Tc的示例性说明。
图7示出根据一个实施例的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的一组示例性节点、链路和信道图。
图8示出根据一个实施例的转换成示出特定网络节点处的数据吞吐量瓶颈的链路图的示例性节点图。
图9示出根据一个实施例的示例性信道切换调度协商协议实现。
图10示出根据一个实施例的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的示例性分组缓冲和调度节点体系结构。
图11示出了根据一个实施例的实现用于自组织网络的分布式OMMAC的网络节点的示例性实现。
图12示出根据一个实施例的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的示例性过程。
图13示出根据一个实施例的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的另一示例性过程。
详细描述
概览
描述了用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC(OMMAC)的系统和方法。分布式OMMAC提供用于维护节点到节点连接并优化自组织网络中的数据吞吐量(即，性能)的框架。为此，这些系统和方法标识各网络节点(“节点”)可周期性地在其上同步的信道频率以维护节点到节点的连接。该同步信道是“主信道”，其对于自组织网络中的所有节点都是相同的。在该实现中，主信道表示节点当在最初配置(即，建立)的自组织网络中时在其上首次同步的信道频率。这些系统和方法然后标识与主信道正交的多个信道频率。这些正交信道是“客信道”。这些节点基于主信道和客信道来共同实现分布式且时间同步的信道调度和切换算法。具体而言，所有节点都在主信道上操作并持续可变且重叠的时间量以便周期性地向这些节点中的其他节点广播通信和信道信息并由此维护网络连接。另外，自组织网络中的每一个节点都独立确定是否及何时从主信道切换到特定客信道并持续可变时间量以便本地地优化该自组织网络中的数据吞吐量。
用于自组织网络的分布式OMMAC的系统和方法的这些和其它方面现将更详细地描述。
示例性系统
图5示出根据一个实施例的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC(OMMAC)的示例性系统500。在该实现中，系统500包括多个联网的计算设备502-1到502-N(“节点”)，这些计算设备通过自组织网络504彼此无线耦合。每一个节点502都是相应的计算设备，诸如通用计算设备(例如，个人计算机)、服务器、诸如膝上型计算机等便携式计算设备、诸如个人数字助理(PDA)等小型计算设备等。节点502直接通过网络504来彼此通信而不使用接入点。OMMAC是分布式的，因为每一个节点502-1到502-N(即，“节点502”)实现OMMAC的本地版本以维护节点到节点网络连接并根据协议的底层无线调制技术所指定的精确同步要求来强制实施信道切换策略。在该实现中，协议是IEEE 802.11，但参考这些系统和方法描述的概念适用于各种无线网络协议。
每一个节点502都包括耦合到系统存储器的一个或多个处理器，该系统存储器包括可由这些处理器中的相应处理器来执行以实现用于自组织网络的分布式OMMAC的计算机程序模块。这一系统存储器还包括由计算机程序中的相应计算机程序在程序模块执行期间生成和/或使用的程序数据。例如，节点502-1包括耦合到系统存储器508的一个或多个处理器506，该系统存储器508表示易失性随机存取存储器(RAM)和非易失性只读存储器(ROM)。系统存储器508包括包含由处理器506来执行的计算机程序指令的程序模块510。系统存储器508还包括由计算机程序指令中的相应计算机程序指令在程序模块执行期间生成和/或使用的程序数据512。在该实现中，例如，程序模块508包括重叠多信道MAC(OMMAC)模块516、网络接口控制(NIC)驱动程序518以及其他程序模块520，诸如用于提供运行时环境的操作系统、用于分别向/从OMMAC模块516路由/接收信息的分组路由模块等。
示例性框架
OMMAC 516维护网络504中的节点到节点502连接并根据协议的底层无线调制技术所指定的精确同步要求来强制实施分布式信道切换策略。出于示出一个示例性实施例的目的，OMMAC 516的操作参考IEEE 802.11的示例性协议来描述。为了维护节点到节点502连接并根据底层同步要求来强制实施分布式信道切换策略，OMMAC 516将可用通信信道频率分成单个主信道和多个客信道。该单个主信道和多个客信道在图5中被共同表示为“信道集”521。每一个节点502都使用主信道来维护与其他节点502的网络连接。客信道由节点502中的相应节点(根据以下所描述的信道切换和调度算法)选择性地使用以增加网络504数据吞吐量(性能)。
1.主信道
在该实现中，主信道如下确定。发起者节点502扫描所有可用信道频率并将具有最少噪声的信道频率选为主信道。所有节点502都可由节点502在主信道上经由广播消息来到达。在该实现中，每一个节点502都基于对主信道上的噪声的本地观察经由广播消息(ACK/NACK消息)来对或针对该主信道进行投票。例如，在一个实现中，如果在超时模式(对于某一可配置数量的时间周期)中所接收到广播ACK消息的数量大于的某一百分比(例如，50％等)的站，则节点502确定并投票表决新的主信道。在该实现中，主信道并不限于固定信道频率并且可由节点502根据通信链路状态来动态调整(迁移)。在一不同的实现中，使用除了信道噪声之外的准则来选择主信道。
2.客信道
与主信道正交的信道频率是客信道。节点502在客信道上与不同的节点502进行通信以增加网络504的数据吞吐量(即，性能)。在该实现中，OMMAC516根据在该信道上所观察到的干扰来对客信道进行分类。对特定节点502的这一干扰是由该特定节点502的广播范围内的所有其他节点502产生的平均观察。(许多OMMAC 516操作都基于来自其他节点的OMMAC 516信息来以节点级执行，并由此产生术语“分布式OMMAC”)。在该实现中，每一个节点502都在节点恭敬地(respectfully)在其上操作主信道和客信道上检测到各自的干扰电平。在这种情况下，节点502用周期性的广播消息来将这一信息传送给其广播范围内的其他节点502。在该实现中，节点的本地OMMAC 516实现信道切换和调度操作以使得首先将具有最少干扰的客信道用于节点到节点通信。
3.节点极点
节点502停留在主信道上的时间量是：(a)可变的；(b)与覆盖特定网络信标的相邻节点502也在该主信道上的时间部分重叠的；以及(c)取决于通过节点502和该节点502的广播范围内的其他节点502之间的通信链路的双向通信的。当节点502不在主信道上时，该节点502在客信道上。鉴于上述内容，每一个节点502都由其本地OMMAC 516来分别配置成确定该节点是否以及何时应从主信道切换到所调度的客信道以提高数据吞吐量。每一个节点的本地OMMAC 516为该特定节点502定义信道切换点(即，“极点”)。节点的极点相对于基于所利用的无线协议(例如，IEEE 802.11等)的特定信标间隔的周期性时间周期(“Tc”)来定义。出于示例性说明的目的，节点的极点被示为“极点”523。
图6示出了根据一个实施例的由每一个节点的信道切换调度器逻辑(该逻辑由OMMAC 516来实现)利用的周期性时间周期Tc的示例性说明。出于示例性说明和描述的目的，图6的各方面参考图5的组件来描述。在该描述中，附图标记最左边的数字指示其中首次引入所引用的组件的特定附图。参考图6，其示出Tc表示每一个节点502被配置成在主信道和客信道的组合上操作的集体时间量。具体而言，每一个节点502都被本地地(即，由OMMAC 516)配置成在单个主信道上操作并持续特定且可变的时间量(“Th”)。每一个节点502都还被本地地配置成在多个客信道中的特定客信道上操作并持续特定且可变的时间量(“Tg”)。由此，
Tc＝Th+Tg    (1)
在该实现中，周期长度通过将整数n乘以与底层无线协议相关联的信标间隔来确定。例如，被配置成实现IEEE 802.11标准的节点的默认信标间隔是100个时间单位(TU)，即1024毫秒。
如图6所示，时间周期Tc被分成多个数量m个时隙。时隙表示节点被调度在信道上的时间粒度。例如，如果周期性周期是102.4毫秒(n＝1)，并且m＝8，即每一个周期都被分成8个时隙，则OMMAC 516按12.8毫秒的粒度来调整主和客信道。极点指示节点500从一个信道跳转/切换到另一个信道的特定时间。不同的节点502可定义其自己的极点，但特定无线链路的发送者和接收者对同步各自的极点并同时跳转到同一信道(以下将在题为“示例性时间同步”的部分中更详细地描述)。在该实现中，极点被限制在时隙的边界处。因此，整数值表示极点。例如，如果m＝8，则可使用1字节(8位)来表示极点。在该实现中，例如，一个周期中可能存在多个极点。另外，两个节点之间的链路的极点根据该链路上的通信量来调整，如将在以下更详细地讨论的。
在周期的开始处，所有节点502都返回到主信道并在主信道上停留至少Tb，该Tb被称为广播时间。OMMAC 516调度在每一个周期中的该时间段内传输的广播分组。在该实现中，例如，节点502可在主信道上停留超过Tb，即，Th＞Tb。令TΔ＝Th-Tb。在该时间期间，该节点仍然在主信道上但用于接收单播消息。时隙中的极点，即Th在范围[b，m]内有效。如果Th等于m，则对应的节点502仍然在主信道上并持续整个周期并且不为该特定节点调度客信道。在该实现中，选择b的值以使得保留信标和广播分组的传输机会(例如，b＝1)。
示例性信道切换调度
现在描述供每一节点502用于调度客信道来切换的分布式算法。在通信链路处调度的调度客信道的各方面首先根据客信道的最大独立集(MIS)和着色问题的组合来一般化。然后该算法的示例性分布式实现基于对其使用贪婪算法的MIS所产生的信令开销和益处之间的折衷，根据上述示例性框架来呈现。
4.用于最大化吞吐量的客信道调度
如上所示，节点502保持在主信道上的时间量是可变的，该时间量与覆盖信标时间段的相邻节点的时间量部分重叠。节点/站在每一个周期中将周期Tc中的其余时间花费在客信道上。如果链路的源和目的地节点502同时切换到同一客信道，则该链路上的通信与主信道和其他客信道上的通信正交。因为802.11提供用于处理链路层处的竞争的CSMA/CA(载波侦听多路存取/冲突避免)，所以将链路上的双向通信视为原子并将其调度到周期Tc中的相同时隙。因此，信道切换是根据链路上的通信的；链路是双向的。
OMMAC 516客信道调度操作确定选择哪一个通信链路，并且还确定在相应的客信道上通信多久以便基本上最大化总数据吞吐量(不恶化)。如果对于信道数不存在约束并且每一个链路上的通信都是贪婪的，并且因为每一个802.11站一次都仅涉及一个链路，则OMMAC 516选择最大数量的“非主要冲突”活动链路。如果两个链路需要相同的节点502来进行通信，则这两个链路是“主要冲突”。如果一通信链路上在每一个周期Tc都存在特定通信量，则该通信链路是“活动的”。
令V和E分别表示网络504中的整个节点502和链路集(链路被示为各个通信链路532-1到532-N)，而G表示该网络的原始通信图。假设G中的节点总数为N，这些节点由I＝1，2..N来索引，从而使得使用Vi来表示G中的节点i。令1(i，j)表示节点i和节点j之间的双向链路532，从而使得1(i，j)＝1(j，i)。OMMAC 516将网络504的原始通信图G(节点图)转换为链路图G′，其中该链路图中所表示的每一个节点502都是该原始节点图中的活动链路。如果G中的两个节点的对应链路是主要冲突，则在G’中的这两个节点之间存在链路。因此，图G’中的最大独立集对应于G中的非主要冲突链路集以使得选择最多数量的链路(最大化吞吐量)。
该最大独立集问题众所周知是NP完整的，并因此已经提议了大量试探性算法以解其中不再可向其添加节点的MIS(最大独立集)。在该实现中，G’中的MIS对应于G中的最大且不可再调度链路的链路集。一种对MIS选择的公知试探是贪婪算法，该贪婪算法将图G’中的所有节点按其等级来进行排序并首先移除具有最低等级的节点，从而移除所选节点及其所有邻居节点。该最低等级节点选择继续直到移除所有节点。所有所选节点502都表示MIS，并且MIS的数量在多个节点502具有相同等级的情况下可能不止一个。
5.信道数的约束
在生成了MIS后，OMMAC 516通过着色来解决信道数的约束。具体而言，OMMAC 516将链路图G’中的MIS转换成图G”，其中G”中的每一个节点都是G’的MIS中的节点，并且如果G中的两个节点的对应链路是“次要冲突”，则在G’中的这两个节点之间存在链路。此处，在原始信道图G中，两个链路在这两个链路无法同时在同一信道上并行工作时是次要冲突。因此，如果两个链路是主要冲突，则它们必须也是次要冲突，但反之不然。图G”被称为信道图并且利用着色算法来为G”中所表示的节点502调度信道。OMMAC516选择G”的MIS并将首先表示的客信道分配给MIS中的这些节点。OMMAC516然后从G”中移除这些节点以及客信道集中的所使用的客信道。
OMMAC 516继续MIS选择和信道分配，直到分配了所有节点502或直到客信道集为空。在该实现中，将最后一个MIS分配给主信道，因为主信道也与所有客信道正交。如上所述，将链路分配给不同客信道以提升性能。因为信道切换引入某些切换等待时间，并且为了减少这些等待时间，链路集可被配置成停留在主信道上，因为该主信道也与所有客信道正交。鉴于此，并且在集中式算法中，被选择在主信道上工作的MIS可以是任何MIS，例如，第一个MIS。然而，为了打破分布式情形中的死锁，选择最后一个MIS。这一死锁可能例如在多个节点/链路同时将其自身认为是在主信道上工作的节点/链路且不使用客信道的情况下发生。
图7示出根据一个实施例的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的一组示例性节点、链路和信道图。在该示例中，图7(a)示出了网络拓扑结构和通信模式，其出于示例性说明的目的而与图4中的示例相同。该节点图中的五个活动链路被转换成图7(b)的链路图。OMMAC 516基于上述贪婪算法：首先选择具有最低等级的节点，来选择MIS。在图7(b)的示例中，MIS是唯一的并且OMMAC 516选择MIS(链路(1，2)、(3，4)和(5，6))中的节点。OMMAC 516将该链路图转换成图7(c)的示例性信道图。因为节点图中的所有六个节点都处于彼此的通信范围内，所以所有链路都冲突。因此，只有一个链路能够在任何时刻工作。因此，在图7(c)中的信道图中，所有三个节点都是连接的，因此连同主信道1一起利用两个客信道(6和11)。可分别对这三个链路使用信道1/6/11(例如，请参考图4)。
6.信道切换的开销
对于每一个节点502，OMMAC 516本地地解决由信道切换引入的开销并确定节点502是否是网络504中的数据吞吐量瓶颈。具体而言，令Tsc和TNi表示切换信道的时间开销和节点Ni在每一个周期的信道占用时间，如果Tsc+TNi＞Tc，则信道切换影响节点Ni中的吞吐量。图8示出了根据一个实施例的转换成示出特定网络节点502处的数据吞吐量瓶颈的链路图(b)的示例性节点图(a)。具体而言，图8示出了其中无法增加数据吞吐量，而相反数据吞吐量由于信道切换的开销而由于某种原因降低的情形。(图3说明了类似的情形)。例如，参考图3，请注意，所有节点都在同一信道上，因此不存在信道切换的成本。参考图8(b)，链路图示出在对应的MIS中只存在一个节点，即链路(3，2)或者链路(3，6)。如果选择MIS＝链路(3，2)来在客信道上工作，则在节点3处存在特定开销。然而，链路(3，2)和(3，6)两者都需要涉及节点3。因此，如果节点3正在实现信道切换操作，则降低总吞吐量。请注意，在调度一个链路的情况下，无法增加数据吞吐量。在这一情形中，OMMAC 516移除对于节点502的信道切换调度。
7.极点决定
先前各段已经描述了当在特定信道上调度通信链路时OMMAC 516如何建立。现在描述OMMAC 516如何确定用于节点的信道切换操作的极点。对于节点Ni、TNi，总信道占用时间由所有信道上的传输时间和接收时间两者组成。对于链路1(i，j)，令T(i，j)表示所有信道上的信道占用时间。使得
T Ni = Σ T ( i , j ) , ∀ T ( i , j ) > 0 - - - ( 2 )
节点Ni上的链路1(i，j)的时间权重是：
w N i ( i , j ) = T ( i , j ) / T Ni - - - ( 3 )
因此，将链路1(i，j)的时间权重定义为
w ( i , j ) = min ( w N i ( i , j ) , w N j ( i , j ) ) - - - ( 4 )
对于链路1(i，j)，调度极点以使得
T g ( i , j ) = w ( i , j ) T c - - - ( 5 )
根据等式(5)的选择客信道的时间保证：(a)客信道上的时间根据该链路上的通信量来调整，从而使得在通信增加的情况下分配更多的时间；以及(b)与周期时间的比例确保不影响对应节点502上的其他通信的需求的目标。
在一个实现中，例如，OMMAC 516实现用于为每一个节点502调度信道切换的集中式算法。该集中式算法始终为自组织网络通信和节点提供完整且已更新的信息，而分布式算法提供本地化的这一信息。集中式算法MIS选择可具有多个解，而将只选择一个MIS解。相反，使用分布式算法，结果由在邻居节点处采取的多个步骤来确定。这意味着使用分布式算法，每一个节点的决定都影响整个结果，但不控制该整个结果。例如，与集中式算法相比，这一分布式算法中所采取的步骤是异步的，并且可以是并行的、冲突的，或者甚至导致死锁情形。(该后一种情形，如上所述，通过使用对应于最后一个MIS的主信道和信道协商协议来解决)。
在该实现中，例如，用于为每一个节点502调度信道切换的集中式算法如下：
(a)评估对应于节点502的信道占用时间并且在Tcs+TNi＞Tc的情况下移除节点Ni；所得节点图是G。
(b)如上所述地将节点图G转换为链路图G’并且使用贪婪算法来从G’中选择MIS。
(c)将链路图G’转换成信道图G”并从G”中选择MIS并且分配客信道，直到G”或客信道为空。
(d)根据链路的时间权重来调度信道切换极点。
用于信道切换的示例性分布式算法
OMMAC 516如下设计：1)每一个节点502仅具有网络504的部分更新信息，因此OMMAC 516本地地根据从一跳邻居节点502获取的信息来优化信道切换决定(该决定独立于来自远于一跳范围的节点的信息)；2)每一个链路都异步地在客信道上调度，因此在集中式模式中OMMAC 516链路调度根据其他已调度的链路来调整；以及3)OMMAC 516实现用于分布式信道切换的客信道协商的协议并适应于通信。这些方面将在以下更详细地描述。
8.本地MIS
无线网络504中的每一个节点502通常都只获取其通信范围内的通信和信道的信息。由此，由每一个节点生成/观察的网络通信图G是部分的。因此，对于每一个节点502的MIS选择可以是不同的。在该小节中，讨论用来自邻居节点502的信息来更新节点的信息。具体而言，OMMAC框架516提供主信道上的链路层广播。由此，每一个节点502都被配置成传送周期性广播消息以便与其他节点502交换通信和信道信息。在该实现中，例如，每一个节点502都每秒传送一次这一广播消息，但可使用其他周期性时间帧。为了减少可能导致过期信息的延迟消息的机会，每一个节点502都广播其通信和信道信息而不是为其他节点中继信息。在另一实现中，这一信息交换独立于广播消息来实现。例如，在一个实现中，节点的通信和信道信息被承载在正在进行的通信首部中。
9.异步信道切换调用
在集中式模式中，OMMAC 516为网络504的整个链路图计算MIS。OMMAC 516然后使用贪婪算法(最低等级优先)来分配所有链路。贪婪(最低等级优先)算法是已知着色算法的示例。在实际分布式模式中，每一个节点502都异步地协商信道切换调度，这意味着节点502基于从邻居节点502接收到的所观察到的信道切换调度来作出调度决定。这一异步调度通过协商消息来平滑网络504上的任何消息激增，并且在主信道时间上平衡数据吞吐量负载。在一个实现中，并且为了进一步减少协商消息的开销，OMMAC 516生成覆盖对应于多个时间周期(例如，请参见图6)的信道切换活动的信道切换调度。
在一个实现中，OMMAC 516实现供节点Ni如下调度信道切换模式的分布式算法。
·节点502周期性地广播节点502上的任何活动链路的相关的占用时间TNi、时间权重和信道。
·节点502收集从邻居节点502接收到的广播消息以构造表示所有二跳邻居节点和活动链路的图G。例如，二跳节点信息通过评估来自一跳节点的广播消息来获取。为了示出这点，请假设存在五个节点的链拓扑结构，这五个节点为节点A到E，如下：A-----B-----C-----D-----E。在该示例中，节点A只能听见B，B能够听见A和C，....E只能听见D。节点C从节点D接收广播，该广播包含与D-＞C和D-＞E相关联的通信信息。因此节点C知道存在节点E，并且E不是C的邻居，因为C无法直接听见E。类似地，C知道A。以此方式，每一个节点都可从二跳内的所有节点收集信息。
·节点502评估对应于每一个邻居节点502的信道占用时间；如果Tcs+TNj＞Tc，则从G中移除邻居节点Ni。
·节点502将节点图G转换成链路图G’。然后节点502评估该链路图以检查所有活动链路的调度，在节点的对应链路已被调度的情况下将该节点移至MIS。节点502继续使用贪婪算法来从G’中标识MIS中的节点。
·节点502将链路图G’转换成信道图G”，从G”中选择MIS，如上所述，并且基于调度的链路信道设置来分配客信道，直到G”或客信道集为空。
·如果链路1(i，j)在G”中并且未被调度，则节点502根据该链路的时间权重来调度信道切换极点(请参见等式(3))。
10.用于调度协商的示例性协议
图9示出根据一个实施例的示例性信道切换调度协商协议实现。在该示例中，每一个节点Ni和Nj都表示图5的各个节点502。参考图9，并且基于上述分布式算法，如果节点Ni 902决定用邻居Nj 904来调度信道切换，则Ni向节点Nj发送切换信道(SC)请求消息以指示其希望用Nj来调度信道切换。(出于示例性说明的目的，这一SC请求消息被示为图5中的“其他程序数据”538的相应部分)。在该实现中，SC请求消息包括所提议的极点和客信道。
参考框906、908和910，并且在该实现中，各个消息发送和接收节点响应于发送/接收消息来启动各自的定时器以避免对于节点502的邻域内的节点的同步的信道切换调度协商。(示例性定时器逻辑528将在以下段落[0062]处的题为“定时器逻辑”的部分中更详细地描述)。响应于接收到该请求消息，节点Nj检查Tsc+TNj＜Tc是否成立。请回想，Tsc和TNi分别表示切换信道的时间开销和节点Ni在每一个周期的信道占用时间；如果Tsc+TNi＞Tc，则信道切换影响节点Ni中的吞吐量。如果通过(即，Tsc+TNj＜Tc)，则Nj验证所提议的客信道是否已由任何一跳邻居节点502保留。如果所提议的客信道尚未保留，则Nj用确认(ACK)消息(单播)来向节点Ni确认该请求。在这种情况下，所提议的极点处的已调度的信道切换动作由Ni和Nj在每一个周期中执行。在替换方案中，Nj向作出请求的节点发送非确认(NACK)消息以拒绝和取消信道切换请求。在该实现中，节点Nj将拒绝这一请求的原因通知给Ni。如果拒绝信道切换请求的原因是由于已占用的信道，则Nj将不同的所建议的候选客信道承载到节点Ni，如果可能的话。
在一个实现中，节点502可以例如用ACK/NACK消息来向其他节点502提供反馈以确认/拒绝切换请求。如果结果是NACK或者在可配置的时间量过去后(超时)未在节点Ni处接收到反馈，则节点Ni将信道切换请求视作失败的请求。否则，在该实现中，节点Ni和节点Nj两者都广播SC通知消息两次：第一个这样的消息在分别在节点Nj或Ni处发送或接收SC响应消息后广播。在该实现中，这一双重通知基本上防止了丢失通知广播的任何影响。如果节点在当前时间周期中的广播信道时间实现信道切换协商，则第二个SC通知消息在下一时间周期中的广播时间传送。后一种情形在图9中示出。请注意，在该实现中，两个节点502可能将例如由于极点变化或先前调度的客信道上的调度延长而协商新的切换调度。在这种情况下，并且在该特定实现中，本地OMMAC516分别基于下一个和第三个周期中的广播时间来分别调度这两个广播。
示例性网络节点设计
参考图1，如上所述，每一个节点502都实现系统500的信道切换策略的相应部分。在一个实现中，该信道切换策略是集中式的。在另一个实现中，该信道切换策略是分布式的。具体而言，OMMAC 516包括用于控制NIC驱动程序518，管理操作系统非实时软件中断并遵从任何传统的NIC驱动程序调度/缓冲要求的逻辑。例如，在一个实现中，OMMAC 516包括通信测量逻辑522、信息交换逻辑524、信道切换调度器逻辑526(“按切换逻辑调度”526)、定时器逻辑528以及分组缓冲逻辑530。该示例性次序不暗示或限制体系结构次序或该逻辑的各部分之间的数据流。相反，所呈现的逻辑次序522到530是出于描述的目的。现在描述这些模块的各示例性方面。
示例性通信测量和信息交换
通信测量逻辑522例如生成已发送和接收到的分组的日志。通信测量逻辑522还为传入和传出分组计算相关联的通信量。在该实现中，在逻辑522处测得的通信使用已知的时间滑动窗平均算法来实现这些计算以便提供对应于先前的可配置时间段的平均通信量。信息交换逻辑524传播对应于相应节点502的信道切换时间表。出于示例性说明的目的，这些日志和信道切换时间表被示为“其他程序数据”538的相应部分。信息交换逻辑524还组织从相邻节点502接收到的通信信息和信道切换时间表。调度和切换逻辑526利用任何这样的所接收到的信道切换时间表来实现示例性信道切换调度操作。
示例性调度和切换逻辑
调度和切换逻辑526基于由通信测量逻辑522收集的节点专用信息(自信息)以及由信息交换逻辑524收集的邻居节点502信息来执行例如上述贪婪算法。调度和切换逻辑526还访问/利用NIC驱动程序518所展示的应用程序编程接口(API)534。API 534提供到NIC驱动程序518的接口以切换信道并同步信道切换时间表以使得节点502中的相应节点同时切换到同一信道。现在描述节点信道切换同步的示例性实现。
跨多个信道来同步节点之间的同步信道切换操作是有挑战性的，因为在不同信道上工作的节点更有可能丢失同步。使用常规的信道切换技术，网络节点之间的信道切换时间的差异经常导致分组重传，并且甚至可能导致分组丢失。多个因素影响信道切换同步。这些因素包括例如，所利用的特定同步协议、时钟漂移、温度等。调度和切换逻辑526用允许节点502同时切换到特定信道频率的实用节点信道切换同步方案来解决这些挑战。
在该实现中，调度和切换逻辑526在基于802.11超帧的周期性时间周期上操作。(也请参考与描述这一周期性时间周期的图6相关联的上述描述)。802.11协议信标在广播消息时间段的开始处广播。接收到的信标指示802.11MAC时间。响应于接收到信标，每一个节点502更新其各自的802.11时间戳(即，在每一个周期的广播时间)。每一个节点502然后在每一个周期确定本地机器时间与MAC时间的任何差异。在调度和切换逻辑526计算对应节点502的信道切换时间表时，该调度和切换逻辑526将与该时间表相关联的时间转换成802.11MAC时间。这些转换在信息交换逻辑524将该时间表向邻居节点502的任何传送之前执行。响应于接收到来自其他节点502的这些信道切换时间表，调度和切换逻辑526将所指示的802.11MAC时间转换成相关联的本地机器时间以调度信道切换事件。
在该实现中，NIC驱动程序518展示API 534，其允许切换逻辑526请求NIC驱动程序518向作出请求的节点502发送MAC时间(例如，802.11 MAC时间)。API 534的该相应部分允许作出请求的节点502计算机器时间与MAC时间的差异。在该实现中，MAC时间粒度是1微秒，并且MAC时间的同步误差是大致也是1微秒的传播延迟误差。机器时间粒度例如通常是100纳秒。因此，并且在该特定实现中，切换逻辑526提供微秒级节点信道切换同步。
此外，因为每一个节点502都在同一主信道上操作并且802.11 MAC只在该主信道上广播信标，所以在向网络504添加新节点时，该新节点使用802.11扫描相位来实现网络发现操作。
定时器逻辑
出于示例性描述的目的，描述WINDOWS操作系统的定时器方面。这些所描述的方面类似于其他操作系统实现。WINDOWS上的默认定时器粒度是10毫秒并且应用程序通常能够获取100纳秒级的准确时间测量。对于内核中的严格的定时器要求，WINDOWS提供用于将定时器粒度调整为大致1毫秒的API。然而，在调整定时器粒度后，并且尽管平均定时器误差小于1毫秒，但定时器误差在操作系统(OS)负载非常高时仍然可能大于10毫秒。其一个原因是因为软件和硬件事件通常被置于供处理的基于优先级的队列中。硬件事件通常具有从供处理的事件队列中移除的最高优先级，而软件事件具有许多可能的优先级。因此，存在对基于操作系统定时器中断使用软件定时器来实现信道切换时间表的实际限制。
与常规信道切换定时器相反，OMMAC 516基于与操作系统相关联的多处理时间片来实现软件定时器逻辑528。系统500的定时器逻辑528解决常规软件定时器的限制以便为分组和信道切换调度提供定时器。具体而言，定时器逻辑528将定时器线程的优先级设为最高软件优先级以使得这些定时器线程将从事件队列中迅速移除并进行处理。这一优先级调整基本上减少了在常规信道切换实现中很明显的信道切换等待时间。对于分组和信道切换调度，定时器逻辑528响应于分组时间表的定时器线程的到期/激发来通知分组缓冲逻辑530向特定邻居节点502发送分组。(这一缓冲逻辑在以下题为“示例性分组缓冲逻辑”的部分中描述)。在另一示例中，当信道切换定时器激发时，定时器逻辑528通知切换逻辑526向NIC驱动程序518传送信道切换命令/请求(例如，经由API 534)。
示例性数据流
图10示出了根据一个实施例的用于自组织网络的分布式OMMAC的另一示例性节点体系结构。具体而言，图10示出了分组路由逻辑、OMMAC 516的数据和控制平面部分和NIC驱动程序518之间的示例性数据流。数据平面表示分组缓冲逻辑。这一分组缓冲逻辑在图5中被示为分组缓冲逻辑530。控制平面包括通信测量逻辑522、信息交换逻辑524、分布式通用调度和切换逻辑526和定时器逻辑528，如以上参考图5所描述的。因此，并且出于示例性描述的目的，图10的各方面参考图5的组件来描述。在该描述中，当组件附图标记的最左边的数字以“5”开头时，该组件在图5中首次引入。
参考图10，OMMAC 516包括数据平面和控制平面。该数据平面从分组路由逻辑1002接收分组，如数据通信箭头1004所示。该数据平面还从OMMAC516的控制平面部分接收消息(例如，协商消息、信令消息等)。(来自控制平面的消息用从控制平面到数据平面的、方向从左到右的黑色(填充的)箭头来表示)。如图所示，数据平面分类器逻辑1006基于分组目的地并基于该分组将会在主信道上还是在特定客信道上传送来将所接收到的分组/消息(统称为分组)放入节点目的地队列1008。这些目的地队列在图10中被示为例如“目的地1”到“目的地n”。节点目的地和信道标识由相应的分组首部来提供。箭头1010表示来自NIC驱动程序518(到NIC硬件1012的接口)的传入(上行链路)消息。如图所示，OMMAC 516将表示数据的传入消息传送到路由逻辑1002。OMMAC 516将不是数据的传入消息传送到控制平面。
如先前部分中所指示的，网络节点的本地OMMAC 516包括定时器逻辑528，其用于触发对应节点的极点在周期性时间周期期间从主信道切换到相应客信道(在该周期性时间周期结束时该节点切换回主信道)。节点的极点基于由通信测量逻辑522的通信测量提供的通信以及由其他节点提供的通信测量。为此，该节点与其他节点交换其特定通信测量以使得这些其他节点可作出其自己的极点决定。在图10的示例中，从控制平面到数据平面的从左到右的箭头表示数据通信，该数据通信的至少一部分是供排队并传送到自组织网络中的其他各个节点的该特定节点的通信测量。这一通信由箭头1014示出。另外，并且如先前部分中所描述的，分布式信道调度逻辑526调度对应于该节点的信道切换时间(例如，基于贪婪算法)并将这些时间表传送到其他节点以供进行信道切换同步操作。
示例性分组缓冲逻辑
现在更详细地描述图10的数据平面(也由图5的分组缓冲逻辑530来表示)的操作。该分组缓冲逻辑缓冲来自分类器逻辑1006和来自控制平面的分组以便将这些分组传送到自组织网络中的其他网络节点。在该实现中，缓冲逻辑530将分组缓冲在按优先级排序的目的地队列1004中。(这一优先级排序不是先进先出优先级排序，而是基于由OMMAC 516的一个或多个相应部分(例如，定时器逻辑528)和/或其他程序模块提供的特定优先级)。例如，在优先级队列中，OMMAC 516向诸如上述信道切换请求等信令消息提供比与其他应用通信相关联的消息高的相应优先级。
在该实现中，例如，每一个节点502都实现用于控制分组向在不同时刻调度的不同的目的地节点的传输的每节点邻居(per-node-neighbor)目的地队列1006。如果多个邻居节点队列1006在同一时间(例如，在主信道上)是活动的(例如，活动队列展示阈值通信量)且是有效的，则分组根据循环次序来服务。如图所示，分组缓冲和调度逻辑，而不是NIC驱动程序518或对应的硬件1012维护优先级队列。这允许切换和调度逻辑526在调度对应的信道时控制所有分组传输时间。
根据循环次序来服务分组不同于根据先进先出(FIFO)调度来服务分组。这是因为节点502根据不同队列中的各个优先级来缓冲分组。始终首先服务具有较高优先级的队列，然后服务具有较低优先级的队列。具有相同优先级的队列通过循环调度来服务。对于FIFO，分组根据到达时间来服务。相反，并且在该实现中，服务来自队列的较高优先级分组，即使该较高优先级分组晚于以较低优先级排队的分组到达。循环操作也不同于FIFO队列处理操作。例如，请假设队列1和队列2具有某一优先级，并且队列1的分组到达率两倍于队列2的分组到达率。在FIFO的情况下，给予队列1两倍于队列2的机会，而在循环的情况下，给予队列1与队列2相同的机会。
在常规信道切换模式切换信道时，由MAC或在硬件中缓冲的分组通常由于在切换信道处发生的硬件重置而被丢弃。另外，分配给数据吞吐性能的MAC或硬件缓冲空间的大小通常是受限的，从而经常导致缓冲区溢出情况。为了解决常规系统的这些限制，分组缓冲和调度逻辑只在先前传送的分组已由NIC驱动程序518服务时才向NIC驱动程序518发送分组。为了提供该信息，NIC驱动程序518向信息交换模块524传送成功状态(请参见上行链路箭头1010)。信息交换模型524然后将该状态传送到分组缓冲和调度逻辑。在这种情况下，并且在先前的分组在NIC驱动程序518处待决时，分组缓冲和调度逻辑停止任何下一分组直到接收到这一成功状态。另外，在该实现中，切换和调度逻辑526使用定时器逻辑528来配置任何已调度的信道切换事件之前的分组消耗时间。该分组消耗时间向无线NIC硬件1008提供在信道切换操作之前传送任何缓冲分组的时间。在该实现中，分组消耗时间是1毫秒。
示例性实现
图11示出了根据一个实施例的实现用于自组织网络的分布式OMMAC的网络节点的示例性实现1100。该特定示例示出了节点502(也请参见图5)，该节点505具有在WINDOWS平台上实现的OMMAC 516。该表示只是出于示例性目的，作为用于实现本地OMMAC 516的许多可能的平台中的一个样本平台。例如，节点的本地OMMAC也可以在Linux平台、UNIX平台等上实现。参考图11，该实现的栈模块在图11中用单阴影填充来示出。例如，OMMAC 516被实现为WINDOWS XP平台上的IM(媒体间)NDIS(网络驱动程序接口规范)驱动程序。NIC小型端口驱动程序518(也请参见图5)提供：(a)提供802.11MAC时间(由对应于802.11自组织网络中的所有节点502的信标来同步)的接口534(也请参见图5)；(b)用于接收和响应NIC驱动程序处的对信道切换的请求的接口534以及(c)等等。命令行工具1102提供用于控制OMMAC 516的行为的用户界面。这一行为包括例如，改变诸如周期时间、时隙大小、切换信道的保护时间等参数。该示例还示出与“Win套接字”进行通信的、在用户空间中运行的“应用程序”，与无线NIC进行通信的内核空间中的“TCP/IP”和“NDIS”。同样，这只是用于实现用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的系统和方法的网络节点的一个是示例性实现。
示例性过程
图12示出根据一个实现的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的示例性过程。在一个实现中，过程1200的操作由图5的网络节点502的各个程序模块510来实现。出于示例性说明和描述的目的，过程1200的操作参考图5到11的组件和各方面来描述。在该描述中，范围从100到999的组件/操作(步骤)附图标记的最左边的数字表示其中该组件/操作被首次引入的附图。类似地，范围从1000到更大数字的组件/操作附图标记的最左边的两个数字表示其中该组件/操作被首次引入的附图。
参考图12，框1202的操作确定对应于自组织无线网络中的各网络节点的主信道频率(“主信道”)。框1204的操作标识与主信道正交的一组客信道频率(“客信道”)。从由无线网络协议提供的多个信道频率中选择(即，确定和标识)主信道和客信道。这一无线网络协议包括例如，IEEE 802.11。框1206的操作由自组织无线网络中的每一个节点来在主信道上操作并持续各自可变且重叠的时间量以维护与其他网络节点的网络连接。框1208的操作由每一个节点确定是否以及何时从主信道切换到各自被分配的客信道并持续可变时间量以便本地地优化自组织网络中的数据吞吐量。
图13示出根据一个实施例的用于自组织网络的分布式重叠多信道MAC的另一示例性过程。框1302的操作将无线网络协议的周期性时间周期分成两个阶段。这两个阶段包括节点连接阶段和数据吞吐量提高阶段。该周期性时间周期与由这些网络节点中的相应节点根据无线网络协议来传送的周期性信标消息相关联。在一个实现中，无线网络协议基于IEEE 802.11无线网络协议。
框1304的操作在连接阶段期间将自组织网络中的每一个网络节点配置成维护多个可用信道频率中的单个主信道频率上的连接。该多个可用信道频率由无线网络协议提供并根据该无线网络协议。框1306的操作在连接阶段期间将至少两个节点配置成在与主信道正交的多个客信道中的一个客信道上进行通信。框1308的操作在连接阶段期间由每一个网络节点使用主信道来维护自组织网络中的各个节点之间的连接。框1310的操作在数据吞吐量提高阶段期间由网络节点的至少一个子集使用一个或多个各自被分配的客信道来优化自组织网络中的数据吞吐量。以此方式，自组织网络中的网络节点维护节点到节点网络连接并提升该自组织网络的性能。
结论
虽然以上各部分已经用对结构特征和/或方法操作或动作专用的语言描述了用于无线自组织网络的分布式重叠多信道MAC，但在所附权利要求中定义的实现不必限于所描述的具体特征或动作。例如，OMMAC 516(请参见图5)信道切换等待时间可通过用硬件定时器来替换由非实时OS提供的软件定时器来减少。或者，在一替换实现中，定时器准确度通过向OS添加实时支持来提高。由此，上述用于无线自组织网络的分布式重叠多信道MAC的具体特征和操作是实现所要求保护的主题的示例性形式。

Claims (20)

1.一种计算机实现的方法，包括：
确定对应于组组织网络中的网络节点(“节点”)的主信道频率(“主信道”)；
标识与所述主信道正交的一组客信道频率(“客信道”)；
由所述节点中的每一个节点来在所述主信道上操作并持续各自可变且重叠的时间量以维护与其他节点的网络连接；以及
由所述节点中的每一个节点确定是否以及何时从所述主信道切换到所述客信道中的一特定客信道并持续可变时间量以便本地地优化所述自组织网路中的数据吞吐量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主信道和所述客信道由无线网络协议来定义。
3.一种互连网络节点(“节点”)的自组织网络中的计算机实现的方法，所述方法包括：
将周期性时间周期分成两个阶段，所述周期性时间周期与无线网络协议的信标时间相关联，所述两个阶段包括连接阶段和数据吞吐量提高阶段；
在所述连接阶段期间将所述节点中的每一个节点配置成维护多个可用信道频率中的单个信道频率(“主信道”)上的连接，所述可用信道频率由所述无线网络协议来建立；
在所述连接阶段期间将所述节点的至少一个子集配置成在多个客信道中的一特定客信道上进行通信，每一个客信道都与所述主信道正交；
在所述连接阶段期间由每一个节点使用所述主信道来维护所述自组织网络中的连接；以及
在所述数据吞吐量提高阶段期间由所述节点的至少一个子集使用所述客信道中的一个或多个客信道来优化所述自组织网络中的数据吞吐量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述无线网络协议基于IEEE802.11。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述主信道是所述可用信道频率中具有与所述可用信道频率中的其他信道上的噪声相比最少的噪声量的信道频率。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将每一个节点配置成维护所述主信道上的连接还包括：
确定所述周期性时间周期期间供每一个节点在所述主信道上操作的相应时间量；
计算所述相应时间量的最小值，所述最小值表示所有节点都在所述主信道上操作的时间量，所述最小时间量是广播时间段Tb；
由所述自组织网络中的每一个节点来在Tb期间广播各自的广播消息以维护连接。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，与将至少所述子集配置成在所述特定客信道上进行通信相关联的操作是分布式的，以使得每一个节点都被配置成基于所述节点中的一跳邻居节点的数据吞吐量和连接来在所述客信道中的相应信道上进行通信。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，与将至少所述子集配置成在所述特定客信道上进行通信相关联的操作还包括：
确定用于表示所述自组织网络中的节点的数据通信模式的节点通信图；
将所述节点通信图转换成链路图，所述链路图表示由所述通信图表示的活动节点之间的通信链路，每一个活动节点都与阈值数据通信量相关联；
从所述链路图中标识节点的最大独立集(MIS)，MIS节点中的每一个都是与另一节点没有主要冲突的节点，一节点在该节点和另一节点都需要同一节点来进行数据通信时与该另一节点有主要冲突；
将所述链路图转换成信道图，所述信道图表示所述客信道；以及
如果对于所述节点的MIS中的每一个节点存在所述节点的MIS中所表示的至少两个节点，则将所述节点分配给所述信道图中所表示的客信道中的相应客信道。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，如果所述节点的MIS仅表示所述节点中的单个节点，则所述方法还包括移除与所述单个节点相关联的任何信道切换时间表。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述节点的MIS使用贪婪算法来确定。
11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，与维护所述连接和优化所述数据吞吐量相关联的操作还包括：
在所述周期性时间周期期间对于每一个节点：
如果可提高所述节点和另一节点之间的数据吞吐量，则：
(a)计算供所述节点在所述周期性时间周期中的极点处从所述主信道切换到特定客信道的信道切换时间表；
(b)将所述信道切换时间表传送到所述另一节点以使得所述节点和所述另一节点能够在同步时刻切换到所述客信道中的特定客信道；以及
(c)在所述同步时刻将所述节点从所述主信道切换到所述特定客信道以便将所述节点从所述连接阶段转移到所述数据吞吐量提高阶段，所述节点被配置成在所述周期性时间周期结束时切换回所述主信道；并且
如果无法提高所述节点和所述另一节点之间的数据吞吐量，则移除与所述节点相关联的任何信道切换时间表以使得所述节点保持在所述主信道上。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述同步的时刻由所述节点根据所述节点的第一本地机器时间来调度，所述另一节点根据与所述另一节点相关联的第二本地机器时间来表示所述同步的时刻，第一和第二本地机器时间彼此独立。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，计算所述信道切换时间表还包括：
由所述节点来在所述主信道上接收信标消息，所述信标消息指示与所述无线网络协议相关联的媒体访问控制(MAC)时间；
由所述节点来确定所述第一本地机器时间与所述MAC时间之间的差异；
由所述节点使用所述差异来将表示所述同步的时刻的第一极点从所述节点的本地机器时间转换成基于MAC的极点时间；
将所述信道切换时间表中的基于MAC的极点时间传送到所述另一节点，所述另一节点对所述信道切换时间表的接收导致所述另一节点：
基于所述另一节点的本地机器时间来将所述基于MAC的极点时间转换成表示所述同步的时刻的第二极点时间；
在所述第二极点处从所述主信道切换到所述特定客信道。
14.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对于所述节点中的一节点，优化所述数据吞吐量还包括将该节点配置成保持在客信道上持续一时间量，所述时间量：
(a)根据对应的通信链路上的通信量来调整；
(b)在所述通信链路上的通信增加的情况下增加，并且
(c)与所述周期性周期时间成比例以确保不影响该节点上的任何其他通信。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，对于所述节点(Ni)，总信道占用时间(TNi)表示与所述节点相关联的所有信道上的传输时间和接收时间，其中对于Ni和另一节点(Ni)之间的通信链路(l(i，j))，总占用时间(T(i，j))表示所有信道上的信道占用时间，并且其中所述方法还包括：
根据 T g ( i , j ) = w ( i , j ) T c 来确定供所述节点从所述主信道切换到所述客信道的相应的极点；并且
其中：
T Ni = Σ T ( i , j ) , ∀ T ( i , j ) > 0 ,
节点Ni上的链路l(i，j)的时间权重被表示为：
w N i ( i , j ) = T ( i , j ) / T Ni , 以使得
链路l(i，j)的时间权重被表示为：
w ( i , j ) = min ( w N i ( i , j ) , w N j ( i , j ) ) ; 并且
其中Tg表示与所述周期性时间周期(Tc)成比例的、所述节点在所述客信道上操作的时间量。
16.一种包括可由处理器执行的计算机程序指令的有形计算机可读介质，所述计算机程序指令在被执行时用于执行以下操作，所述操作包括：
如下调度对于多个网络节点(“节点”)的信道频率切换操作：
确定所述自组织网络中的通信链路(“链路”)的最大独立集(MIS)；
由跨所述MIS链路中的一链路的、所述节点中的一节点来请求所述节点中的另一节点在所提议的极点处调度到多个客信道中的特定客信道的信道切换，所述提议的极点被定义为周期性时间周期期间的同步的时刻，所述周期性时间周期基于无线网络协议的网络信标，每一个客信道都与由全部所述节点用来维护网络连接的主信道正交；
从所述另一节点接收确认响应；以及
响应于接收到所述确认响应，在所提议的极点处切换到所述特定客信道以本地地优化所述自组织网络中的数据吞吐量。
17.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述节点的所提议的极点基于与所述节点相关联的本地机器时间，并且其中所述另一节点的所提议的极点基于与所述另一节点相关联的不同的本地机器时间。
18.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述MIS是本地MIS并且每一个节点都确定各自的本地MIS，并且其中所述计算机程序指令还包括用于执行以下操作的指令：
由所述节点中的每一个节点基于与这些节点中在所述节点的一跳范围内的一个或多个邻居节点相关联的通信信息来确定各自的本地MIS，所述确定独立于与离所述节点远于一跳范围的任何其他节点相关联的通信信息。
19.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述MIS是集中式MIS，并且其中用于确定所述集中式MIS的操作还包括基于所述节点中的所有节点之间的通信链路来生成链路图。
20.如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述计算机程序指令还包括用于执行以下操作的指令：
由所述节点中的一节点来确定所述节点中的所有其他节点都可经由广播消息来直接联系；以及
响应于所述确定：
将所述主信道迁移到不同的信道频率；以及
将所述自组织网络中与所述主信道正交的其余信道频率分类为客信道。
CN2008800091037A 2007-03-19 2008-03-19 用于无线自组织网络的分布式重叠多信道媒体访问控制（mac） Expired - Fee Related CN101641909B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/687,951 US7720086B2 (en) 2007-03-19 2007-03-19 Distributed overlay multi-channel media access control for wireless ad hoc networks
US11/687,951 2007-03-19
PCT/US2008/057514 WO2008115996A1 (en) 2007-03-19 2008-03-19 Distributed overlay multi-channel media access control (mac) for wireless ad hoc networks

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101641909A true CN101641909A (zh) 2010-02-03
CN101641909B CN101641909B (zh) 2012-07-18

Family

ID=39766428

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008800091037A Expired - Fee Related CN101641909B (zh) 2007-03-19 2008-03-19 用于无线自组织网络的分布式重叠多信道媒体访问控制（mac）

Country Status (6)

Country Link
US (2) US7720086B2 (zh)
EP (1) EP2132903A4 (zh)
JP (1) JP4723035B2 (zh)
CN (1) CN101641909B (zh)
CA (1) CA2680289A1 (zh)
WO (1) WO2008115996A1 (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102811472A (zh) * 2011-06-01 2012-12-05 富士通株式会社 网关装置、节点装置、通信系统及信道切换方法
CN102869114A (zh) * 2012-08-28 2013-01-09 杭州电子科技大学 基于ieee 802.11的公共跳多信道协议吞吐性能分析系统及方法
CN103516502A (zh) * 2012-08-02 2014-01-15 杭州电子科技大学 专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法
CN106789218A (zh) * 2016-12-13 2017-05-31 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种基于事件的链路冲突实时仿真方法
CN110521229A (zh) * 2017-04-19 2019-11-29 高通股份有限公司 用于无线通信的同步和寻呼信道设计
CN111698146A (zh) * 2020-06-10 2020-09-22 深圳市慧联通信技术有限公司 一种低功耗广域网的即时通信方法及系统

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008146196A1 (en) * 2007-05-25 2008-12-04 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Channel change decision mechanism and method for a wireless network
US8228785B2 (en) * 2007-10-11 2012-07-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Method for contention-free NPD periodic updating
US20090154386A1 (en) * 2007-12-18 2009-06-18 Tricci So Wimax multicast broadcast services (mbs) efficient handover and power saving support for intra and inter-mbs zones
JP5320859B2 (ja) * 2008-06-30 2013-10-23 富士通株式会社 無線アドホック通信システム
US20110117852A1 (en) * 2008-07-22 2011-05-19 Gregory Clark Copeland Ad hoc wireless communications
KR101572792B1 (ko) * 2008-10-09 2015-12-11 코닌클리케 필립스 엔.브이. 메시―유형 네트워크들에서의 채널 전환
CN102257865A (zh) * 2008-12-25 2011-11-23 三洋电机株式会社 报知方法以及访问控制装置、无线装置
US8233495B2 (en) * 2009-04-22 2012-07-31 Intel Corporation Discovery channel and discovery beacon for peer-to-peer devices in wireless communications network
US8730844B2 (en) 2009-05-04 2014-05-20 Lockheed Martin Corporation Self-forming ad-hoc network system
DE102011003656B4 (de) * 2011-02-04 2014-08-21 MESH Mobile Electronics in Sports & Health GmbH Verfahren zur Durchführung eines Wechsels eines von einer Gruppe aus mehreren Teilnehmern gemeinsam genutzten Übertragungskanals
JP5858626B2 (ja) 2011-02-25 2016-02-10 任天堂株式会社 無線通信プログラム、情報処理装置、および通信制御方法
CN103024811B (zh) * 2011-09-28 2016-06-15 富士通株式会社 无线网络通信方法及无线网络通信装置
US8849325B2 (en) 2011-10-28 2014-09-30 Qualcomm Incorporated Determination of maximal independent sets of mobile devices
US9270579B2 (en) 2012-04-27 2016-02-23 Cisco Technology, Inc. Synchronization of traffic multiplexing in link aggregation
US9323803B2 (en) * 2012-07-02 2016-04-26 International Business Machines Corporation Collaborative filtering of a graph
EP3148277A1 (en) * 2015-09-23 2017-03-29 R3 - Reliable Realtime Radio Communications GmbH Communication system
EP3360374B1 (en) * 2015-10-09 2020-03-25 Telefonaktiebolaget LM Ericsson (PUBL) Network node, wireless device and methods performed thereby for the network node to provide information to the wireless device

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE301350T1 (de) * 2000-04-07 2005-08-15 Nokia Corp Verfahren und vorrichtung zur übertragung mit mehreren antennen
US6985465B2 (en) * 2000-07-07 2006-01-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Dynamic channel selection scheme for IEEE 802.11 WLANs
US6990080B2 (en) * 2000-08-07 2006-01-24 Microsoft Corporation Distributed topology control for wireless multi-hop sensor networks
US6829216B1 (en) * 2000-08-18 2004-12-07 Hitachi Telecom (U.S.A.), Inc. Method and system for designing a network
US7035227B2 (en) * 2000-10-10 2006-04-25 The Regents Of The University Of California On-demand loop-free multipath routing (ROAM)
US6807165B2 (en) * 2000-11-08 2004-10-19 Meshnetworks, Inc. Time division protocol for an ad-hoc, peer-to-peer radio network having coordinating channel access to shared parallel data channels with separate reservation channel
US7756090B2 (en) 2002-03-12 2010-07-13 Koninklijke Philips Electronics N.V. System and method for performing fast channel switching in a wireless medium
US7398204B2 (en) * 2002-08-27 2008-07-08 Her Majesty In Right Of Canada As Represented By The Minister Of Industry Bit rate reduction in audio encoders by exploiting inharmonicity effects and auditory temporal masking
US20040042424A1 (en) 2002-08-30 2004-03-04 Hsu Hsien-Tsung Switch method and device thru MAC protocol for wireless network
US20050180356A1 (en) 2002-10-01 2005-08-18 Graviton, Inc. Multi-channel wireless broadcast protocol for a self-organizing network
US7379447B2 (en) * 2003-05-02 2008-05-27 Microsoft Corporation Slotted seeded channel hopping for capacity improvement in wireless networks
US20040230680A1 (en) * 2003-05-16 2004-11-18 Kamal Jain Computer-based techniques providing greedy approaches for facility location and other similar problems
KR100526182B1 (ko) * 2003-05-30 2005-11-03 삼성전자주식회사 멀티 채널을 이용한 무선 랜 통신방법
WO2004109476A2 (en) 2003-06-05 2004-12-16 Meshnetworks, Inc. System and method to maximize channel utilization in a multi-channel wireless communication network
US7414982B2 (en) * 2003-06-24 2008-08-19 Raytheon Company Distributed dynamic channel selection in a communication network
US7469143B2 (en) * 2003-10-07 2008-12-23 Microsoft Corporation Model and method for computing performance bounds in multi-hop wireless networks
KR100659332B1 (ko) 2004-07-27 2006-12-19 학교법인 울산공업학원 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로재설정방법
JP4590969B2 (ja) * 2004-07-28 2010-12-01 ソニー株式会社 無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム
US7466676B2 (en) 2004-11-30 2008-12-16 Stmicroelectronics Asia Pacific Pte. Ltd. Method and apparatus for multi-channel MAC protocol using multi-tone synchronous collision resolution
EP1829398B1 (en) * 2004-12-23 2018-01-17 Intellectual Ventures I LLC Systems and methods for the connection and remote configuration of wireless clients
KR101237544B1 (ko) 2005-05-13 2013-02-26 삼성전자주식회사 단일 무선 인터페이스를 위한 다중채널 스케줄링 방법
KR101235972B1 (ko) 2005-05-31 2013-02-21 삼성전자주식회사 단일 무선 인터페이스 무선랜 장치를 위한 다중채널 매체접속제어 방법 및 장치
KR101234900B1 (ko) 2005-06-14 2013-02-19 삼성전자주식회사 다중채널 매체접속제어를 위한 비애자일 채널화 방법
KR20060131671A (ko) * 2005-06-15 2006-12-20 한국전자통신연구원 셀룰러 시스템의 레이턴시를 향상시키는 프로토콜 구조를갖는 무선 통신 시스템
US8077683B2 (en) * 2005-11-03 2011-12-13 Interdigital Technology Corporation Method and system for performing peer-to-peer communication between stations within a basic service set

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102811472A (zh) * 2011-06-01 2012-12-05 富士通株式会社 网关装置、节点装置、通信系统及信道切换方法
CN102811472B (zh) * 2011-06-01 2015-08-05 富士通株式会社 网关装置、节点装置、通信系统及信道切换方法
CN103516502A (zh) * 2012-08-02 2014-01-15 杭州电子科技大学 专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法
CN103516502B (zh) * 2012-08-02 2016-08-03 杭州电子科技大学 专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法
CN102869114A (zh) * 2012-08-28 2013-01-09 杭州电子科技大学 基于ieee 802.11的公共跳多信道协议吞吐性能分析系统及方法
CN102869114B (zh) * 2012-08-28 2015-02-11 杭州电子科技大学 基于ieee 802.11的公共跳多信道协议吞吐性能分析系统及方法
CN106789218A (zh) * 2016-12-13 2017-05-31 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种基于事件的链路冲突实时仿真方法
CN106789218B (zh) * 2016-12-13 2019-12-31 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种基于事件的链路冲突实时仿真方法
CN110521229A (zh) * 2017-04-19 2019-11-29 高通股份有限公司 用于无线通信的同步和寻呼信道设计
CN110521229B (zh) * 2017-04-19 2023-02-28 高通股份有限公司 用于无线通信的同步和寻呼信道设计
CN111698146A (zh) * 2020-06-10 2020-09-22 深圳市慧联通信技术有限公司 一种低功耗广域网的即时通信方法及系统
CN111698146B (zh) * 2020-06-10 2022-05-20 深圳市慧联通信技术有限公司 一种低功耗广域网的即时通信方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
US7720086B2 (en) 2010-05-18
US20100214945A1 (en) 2010-08-26
EP2132903A1 (en) 2009-12-16
EP2132903A4 (en) 2014-10-22
JP2010522487A (ja) 2010-07-01
CA2680289A1 (en) 2008-09-25
WO2008115996A1 (en) 2008-09-25
CN101641909B (zh) 2012-07-18
US20080232389A1 (en) 2008-09-25
JP4723035B2 (ja) 2011-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101641909B (zh) 用于无线自组织网络的分布式重叠多信道媒体访问控制（mac）
CN101978761B (zh) 在包括多个节点的无线网络中进行通信的方法
Vallati et al. Improving network formation in 6TiSCH networks
ES2351438T3 (es) Utilización dinámica de recursos inalámbricos.
Barroso et al. /spl mu/-MAC: an energy-efficient medium access control for wireless sensor networks
CN101651969B (zh) 基于时分多址(tdma)的功率控制认知mac协议的实现方法
CN101379768A (zh) 用于在无线局域网中进行动态功率管理的方法和系统
Cheng et al. Adopting IEEE 802.11 MAC for industrial delay-sensitive wireless control and monitoring applications: A survey
Mennes et al. A neural-network-based MF-TDMA MAC scheduler for collaborative wireless networks
CZ20023661A3 (cs) Přizpůsobovací zařízení komunikačních terminálů, komunikační terminál a bezdrátový komunikační systém
CN105263143A (zh) 自组织网络中自适应节点密度和负载的时隙分配方法
Rady et al. g6TiSCH: Generalized 6TiSCH for agile multi-PHY wireless networking
Jerbi et al. MSU-TSCH: A Mobile scheduling updated algorithm for TSCH in the internet of things
Fahmida et al. Real-Time Communication over LoRa Networks
Gatate et al. Energy preservation and network critic based channel scheduling (EPNCS) in cognitive radio sensor networks
Garrido-Hidalgo et al. Efficient online resource allocation in large-scale LoRaWAN networks: A multi-agent approach
Veisi et al. Enabling centralized scheduling using software defined networking in industrial wireless sensor networks
EP2745437B1 (en) Method of transmission between nodes of a manet communication network operating on an hf band with tdma sharing of the radio channel
Phung et al. A scheduler for time slotted channel hopping networks supporting qos differentiated services
Sempere-Payá et al. Evaluation of TSCH scheduling implementations for real WSN applications
Gupta et al. Practical scheduling schemes with throughput guarantees for multi-hop wireless networks
Modekurthy et al. Low-latency in-band integration of multiple low-power wide-area networks
US7664082B1 (en) Method of scheduling with multiple radios per node in a wireless multihop network
Hussain et al. TDMA MAC protocols for WiFi-based long distance networks: A survey
Ruiz et al. Cross-layer medium access control protocol with quality-of-service guarantees for wireless sensor networks

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
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20120718

Termination date: 20140319