CN103039110B - 用以使得在网状网络中合作通信成为可能的基于群体智能的方法 - Google Patents

Abstract

描述一种方法和装置，其用于在网状网络中的节点处，在网状网络中转发消息和分组时，以无实时握手的独立且分布式的方式确定与其它节点的合作。

Description

用以使得在网状网络中合作通信成为可能的基于群体智能的 方法

背景技术

移动区域网络或MANET可为移动“自组织（ad hoc）”或移动的网状网络。MANET可由通信装置或移动装置的自配置网络形成。这样的装置能通过无线链路连接到彼此上。在MANET中连接到彼此上的装置被认为是邻居装置。随着装置穿过MANET，各个装置能自由地独立移动，以及改变邻居。装置有时可转发与它们本身的使用无关的业务(即，代表其它装置传递信息，并且对其它装置充当路由器)。一般来说，装置可被称为网络(MANET)中的“节点”。

能针对不同的用途和环境实现MANET。这样的实现的示例包括教室环境(即，教育机构)；会议厅；军事设施；医院和诊所(例如，患者生命指征监测)；部署成监测环境的传感器网络；智能网；输油管；火车轨道，以及其它基础设施。MANET的其它实现包括客户云计算环境，其中，客户机(即，节点)网络(即，连接)共同满足用户的计算需要且使得协作成为可能。另外，具有一起连成网以实现娱乐、家庭计算和节能目的的家庭装置和/或器具的“智能”家庭能利用MANET。

在MANET中能出现问题和困难，这可使服务质量或QoS降级。QoS的一方面涉及确保传输在等待时间要求内从源节点有效地发送到目的节点。动态网状网络(诸如MANET)涉及解决吞吐量和链路(例如，节点到节点)中断。理想地，MANET应当以低的开销成本在节点之间提供合作分布式过程。在典型的MANET中，可在不提供任何关于如何选择那些合作节点的算法的情况下，确定合作节点。

某些高性能网状网络可由许多用户节点构成，该用户节点通过多跳(multi-hop)路由方案建立完全连接性。在网(例如，MANET)内的跳跃受到动态环境的扰动时，路由方案可需要修理，这能显著地增加网络发信号开销且花时间。

附图说明

参照附图来描述详细说明。在图中，参考标号的最左边的数字(一个或多个)标识其中参考标号首先出现的图。相同标号贯穿整个附图用来引用相同特征和构件。

图1是实现群体智能合作通信的节点的示例性移动网状网络；

图2是示出了邻居节点如何支持传输的示例性子网络；

图3是示出了在转发传输中的合作通信的群体智能的示例性子网络；

图4是实现群体智能以使得合作通信成为可能的示例性装置或节点的框图；

图5是关于用以使得在网状网络中的节点之间的合作通信成为可能的群体智能的流程图。

具体实施方式

本文描述的实施例涉及改进用户服务质量(QoS)、吞吐量，以及减少动态网状网络(诸如移动区域网络或MANET)中的链路中断。能以低的开销实现被称为“群体智能”的分布式合作过程。在某些实施例中，在其中连接性由多跳路由方案建立或限定的网络中，能作出补偿，以解决动态扰动的跳跃。

具体而言，能实现以下概念：在通信系统中的合作和基于阈值的资源分配模型。传统上，对于利用网状网络中的多跳协议的通信系统，能实现节点之间的合作，但合作的成本高昂且巨大。因此，提出实现由混合式自动重复请求或HARQ触发的合作方法/途径，该方法能带来更低的开销和更高的带宽/功率效率。基于阈值的资源分配模型以观察“蚂蚁”社会为基础，其中，单个“蚂蚁”能决定何时、何地以及如何对任务作出反应以及参与任务，以在不与其它蚂蚁沟通的情况下，最佳地服务于“群落”的需要。在这个类比中，节点是“蚂蚁”，而网络是“群落”。换句话说，节点决定如何与彼此合作。总的来说，能认为所实现的概念是用于网络中的节点的合作通信的“群体智能”。该概念指向提供这样的计划，即，该计划使得在合作节点之中没有实时握手的情况下，在MANET或移动自组织网络中进行自动合作决定成为可能。这能通过在不引发开销和干扰的情况下自动地提升系统信号噪声比(SNR)来提高系统可靠性。

能作出关于能提供最有效的帮助且以分布式方式降低网络干扰水平的合作节点的确定。另外，当应用于MANET环境时，所描述的算法能通过识别最佳链路使得以预先的方式进行合作通信成为可能，在该最佳链路上应当进行合作，以确保在合作链路上需要较少重新传输，并且从而使得较高的吞吐量、频谱效率和能量效率成为可能。

示例性网络

图1示出了网络100，网络100实现用于在节点之间进行合作通信的群体智能。网络100能为各种网络中的一个，并且特别地，移动区域网络或移动“自组织”网络，大体被称为MANET。网络100包括可添加或取走的多个节点。随着各个装置或节点移动穿过网络100，各个装置或节点自由地独立移动并改变邻居。在这个示例中示出的是以下：节点A 102、节点B104、节点C 106、节点D 108、节点E 110、节点F 112、节点G 114、节点H 116，节点I 118、节点J 120、节点K 122、节点L 124、节点M 126、节点N 128、节点O 130、节点P 132、节点Q134、节点R 136、节点S 138和节点T 140。构想到的是，在某些实现中，也能实现不规则地放置的节点位置。

通过使用各种通信协议或标准，节点102-140能与彼此通信。示例性标准包括IEEE802.11和码分多路访问(CDMA)。节点102-140通过无线接口通信。数据或消息能作为分组传输，能使用各种编码方案/标准对该分组编码。

作为移动装置，节点102-140能够如上面论述的那样在整个网络100中移动。对于它们的邻居节点，节点102-140能用作路由器或转送装置。节点102-140中的各个能转发可能与特定的节点的使用无关的业务(即，分组)，该特定节点充当其它节点的路由器。

在这个示例中，节点K 122被认为是“源节点”，其想要将消息传输或发送给“目的节点”130。确定路由方案，使用中间节点来传递分组。在这种情况下，分组从“源节点”节点K122传递到节点L 124(由链路142表示)；节点124将消息转送给节点M 126(由链路144表示)；节点M 126将消息转送给节点N 128(由链路146表示)；并且节点N 128将消息转送给节点O 130(由链路148表示)。这个示例中的路由方案将是节点K 122/节点L 124/节点M 126/节点N 128/节点O 130。

现在参照图2，示出了显示邻居节点能如何支持传输的子网络。如所论述的那样，MANET或网络100是具有不规则地布置的节点102-140的完整网。能提供所建立的路由方案，根据该路由方案，对各个节点提供路由表。在这个示例中，各个节点仅能与其八个直接邻居节点通信。例如，“源节点”节点K 122与节点F 112、节点G 114、节点L 124、节点P 132和节点Q 134通信。节点K 122能与三个在前的节点(未示出)通信；但是，由于分组传输正向前移动，所以仅示出了相关的合作节点。因此，节点F 112能用作用以将分组从节点K 122转送到节点L 124的合作节点，如由链路200和202表示的那样。同样，能以类似的方式实现节点G114，如由链路204和206表示的那样；能以类似的方式实现节点P 132，如由链路208和210表示的那样；并且能以类似的方式实现节点Q 134，如由链路212和214表示的那样。因此，邻居节点能“听见”消息(分组传输)，并且可用来协助传输该消息。但是，需要关于何时协助邻居节点的确定。由于来自邻居节点的合作或协助，分组或消息强度能提高(即，更多节点将分组/消息转发给随后的节点)。在某些情形中，节点进行协助/合作可能不是合乎需要的，因为这可能会提高网络中的其它节点处的噪声。在下面参照转发函数来进一步论述确定。

现在参照图3，示出了显示合作通信的群体智能的子网络。具体而言，示出了合作节点的群体移动。链路300至326示出了能从其发送分组的分组传输路径；在这个示例中，被截断的路径是从节点L 124至节点O 130(如上面论述的那样，整个路径是从节点K 122至节点O 130)。

因为路由表(路由方案)已经建立为待从“源节点”节点K 122输送到“目的节点”节点O 130的分组，所以问题可以为，在路由表建立之后，如何通过节点K 122至节点O 130跳跃中的节点之间的合作，使得可靠的通信成为可能。当这个多跳路由中的任何跳跃(一个或多个)受到扰动时，邻居节点能自动地决定参与合作方案，以成功地补偿多跳路由计划的任何失败部分。在下面描述这个方案。

对于能够对前往邻居节点的分组正确地解码的节点，它们能根据导自以下“蚂蚁”群落资源分配模型的函数来选择将分组转发给下一个跳跃目的地：

(1)

是“可达到的邻居节点”，并且当下一个跳跃目的地是直接邻居且能够被当前节点根据路由表接近时，被赋予值1。否则，为0。

变量是以下的量的函数：

分组编码/调制速率，更高效的编码/调制速率会提高度量水平，因为它们具有更高的分组差错率概率；

根据具有实时分组的QoS的分组分类会提高度量水平，因为必须正确地接收这些分组，而且不能重新传输它们；

SNR差=(从当前节点至下一跳跃节点的链路的信号噪声比(SNR)估计)-(从原始节点至下一跳跃节点的链路的SNR估计)，以及其中，更高的SNR差具有更高的度量值。这意味着，如果原始节点和下一跳跃节点之间的链路SNR高(这表示为低SNR差)，可能就不需要合作。在另一方面，如果原始节点和下一跳跃节点之间的链路SNR低(这表示为高SNR差)，作为合作节点，这个节点有很好的帮助。因为，我们的算法仅在需要时使得合作成为可能，并且在它不必要且只会对系统产生更多干扰时自动取消合作。

客户装置的电池功率水平，具有更低的功率水平的节点可能选择不进行帮助，而具有足够功率的节点将选择进行帮助。

变量与网络拥堵/干扰水平成比例，网络拥堵/干扰水平能由在当前节点处检测到的冲突率确定，或者根据在当前节点处执行的干扰测量确定。当检测到包围当前节点的邻居(即，子网络或网络100)繁忙时，则当前节点将是不活跃（silent）的，并且不干扰附近的来自其它节点的传输。但是，当邻居安静时，当前节点能通过合作来帮助附近的节点。

确定分组的合作/转发

能用来确定转发的方法是转发概率。示例性函数如下：

(2)

此函数有利于较高的值，并且通过自乘动作来使较低的值降级。在各个节点处，能生成0和1之间的随机数。如果随机数小于，则当前节点将参与传输。否则，当前的或活动的节点将保持不活跃。也能选择其它函数。

以下是示例性情形。现在回头参照图1，在节点K 122将分组传输到节点L 124之后；并且节点F 112、P 132、G 114、L 124和Q 134全部都能“听见”传输。如果节点L 124未正确地接收分组，则节点L 124能将NACK(未确认)消息发送给节点K 122，或者不会从节点L124中发送ACK给节点K 122，并且能从节点122进行重新传输。如果出现这种情况，节点F112、P 132、G 114和Q 134能“听见”NACK，或者未能听见ACK，并且能与节点K 122合作，以再次将分组传输给节点L 124。在一实现中，与节点F 112和P 132相比，节点G 114和Q 134能具有更高的与节点122合作的概率，因为节点G 114和Q 134更接近节点L 124。节点G 114和Q 134能还具有更高的，因为从节点G 114或Q 134至节点L 124的SNR估计更高。在用于同步目的的定期握手期间，在所有邻居之中能确定和交换各个节点在重新传输之前将等待的时间量。例如，如果使用了CTS/RTS(清除发送，请求发送)握手，则所有邻居节点都能知道节点在接收到RTS(请求发送)之后应当何时开始传输，因为在标准协议中能规定这个信息。为了在没有CTS/RTS握手的情况下进行传输，在对于网络路由维护和同步目的而言需要的定期握手期间，可交换定时信息和下一跳跃路由信息。

如果假设节点L 124和节点F 112、P 132、G 114和Q 134全部都已经正确地接收了分组。分组能从节点L 124转发到节点M 126。注意的是，节点F 112和P 132不会参与转发分组，因为节点M 126不是节点F 112和P 132的直接邻居，而且它们的值将为零，因为=0。算法能自动地修整不会参与合作的节点，并且通过仅允许能真正地有助于参与合作的节点来降低整体的系统干扰水平。

节点在将分组转发到下一跳跃之前将等待的时间在邻居之中能被知道，因为在用于同步的定期握手期间能交换这个信息。再一次，如果使用了CTS/RTS握手，则所有邻居节点都能知道节点在接收到来自标准协议规范的RTS之后何时将开始传输。能假设的是，节点L 124在得到节点G 114和/或Q 134的帮助的情况下，将分组传输给节点M 126。

接下来，随着分组到达节点M 126，虽然节点A 102、B 104、C 106、H 116、M 126、F112、K 122、P 132、Q 134和R 136可接收传输，因为它们在传输范围内，但通过应用算法，在将分组转发给节点N 128时，仅节点H 116和R 136能与节点M 126合作。所有其它节点都将具有零，因为节点N 128不是节点A 102、B 104、C 106、F 112、K 122、P 132和Q 134的直接邻居。类似地，对于从节点N 128至节点O 130的最后跳跃，在将分组从节点N128传输到节点O 130时，仅节点I 118和S 138能与节点N 128合作。

由于合作而在目的节点处的信道容量增益

能执行示例性分析来示出由于来自节点H 116、M 126和R 136至节点N 128的合作而产生的容量增益。由于邻居节点之间的短距离和定期同步，能假设邻居节点或多或少被同步。为了简单，在接收节点N 128处结合同等增益的情况下，以下情形考虑三个单输入单输出(SISO)信道。使用MIMO和一致的信道估计方案的更高级的方法可提供甚至更多增益。在节点N处的来自导频（pilot）和数据副载波的接收信号由以下限定：

(3)

其中，分别表示从发送节点H/M/R到接收节点N的信道；

表示在节点N 128上/处的来自节点H 116、M 126和R 136的接收信号；

表示在副载波上传输到节点N 128的QAM符号。

如果副载波是导频，则在节点N 128处是已知的；以及

n表示节点N 128处的热噪声。

最后的解码符号能由以下限定：

(4)

(5)

其中表示复共轭，并且表示向量的复数的量值的平方，并且从导频副载波测量。在节点N 128处，有或没有来自节点H 116和R126的合作的SNR分别由以下限定：

(6)

(7)

其中，和分别是信号和接收噪声功率。在Rayleigh衰落信道的最坏假设情况下(使用平均数为零且方差为1的高斯变量生成h，并且设置)，具有合作的SNR的累积分布图(CDF)示出，SNR与没有合作的SNR的CDF相比有所改进。在较低的SNR处，能看到5dB的SNR增益。当使用“Shannon公式”来转变成信道容量时，合作能以低SNR提供更大容量，从而转变成以低的SNR值使用信道或不使用信道的能力。

示例性节点装置

图4示出了实现群体智能以使得合作通信成为可能的示例性装置或节点400。节点400能为前面论述的节点(诸如节点102至140)的示例性实施例。如上面论述的那样，节点400能为各种无线装置中的一个，并且是移动网或MANET网络的一部分。节点400能移入和移出这种网络。此外，节点400与网络中的其它节点通信和合作。

节点400包括一个或多个处理器402。处理器构造成与存储器(一个或多个)404通信。存储器404能包括各种类型的存储器和/或存储器装置，包括(但不限于)随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、内部存储器和外部存储器。此外，存储器404能包括实现本文描述的过程的特殊芯片组。存储器404能包括可由装置102操作的计算机可读指令。要理解的是，本文描述的构件可结合或设置成存储器404的一部分。

节点400能使用一个或多个各种无线输入和输出接口协议和标准，诸如CDMA、IEEE802.11及其(子)标准等。如框406所表示的那样，节点400包括用于无线接口(一个或多个)的无线I/O。

存储器404包括如上面论述的那样实现的路由表408。存储器404还包括用以解决合作通信的算法410。算法410包括上面论述的用以支持群体智能和合作通信的算法/方程。

在这个示例中，节点400还包括用以支持分组传输的编码器/解码器412。换句话说，编码器/解码器412能用来对分组和消息加密和解密。

用于群体智能的示例性过程

图5是用于在网状网络中进行合作通信的群体智能的示例过程500的流程图。作为示例，用于合作通信的群体智能可由装置或节点400执行。其中描述方法的顺序不意于理解为限制，而是任何数量的所描述的方法框都能组合起来实现方法或备选方法。另外，能从方法中删除单独的框，而不偏离本文描述的主题的精神和范围。此外，能在任何适当的硬件、软件、固件或它们的组合中实现方法，而不偏离本发明的范围。

在框502处，创建路由方案，并且/或者执行路由表。能预先确定路由方案和路由表，并且它们能用来描述从节点到相继的节点以及最终到目的节点的分组或消息的路径。路由方案是从节点到目的节点的特定路径，并且路由表对节点提供能用来传递分组或消息的信息。

在框504处，执行以下：确定邻居节点，以协助合作，或者协助传递分组或消息。在具有一致且均匀的结构的结构化矩阵网络中，如上面描述的那样，用以协助或合作的候选节点可为例如相邻的或邻近的八个节点。构想到的是，网络可能不是均匀的结构，而且用以协助和合作的候选节点能有所改变。对于这样的网络，将节点的邻居节点限定成能直接与当前节点通信的节点。一旦决定了邻居节点，就执行有规律的定期握手，以交换用于路由、转发和同步目的的信息。

在框506处，各个邻居节点能决定其是否能合作或者协助发送分组/消息。如上面论述的那样，该决定能以转发函数为基础。具体而言，能实现转发概率函数。无论如何，构想到的是，各个节点能决定用来合作或协助转发分组/消息的邻居节点。这个决定与网络和/或其它节点无关。

在框508处，执行分组/消息的转发。节点将分组/消息发送给下一跳跃节点，在将分组/消息发送给下一跳跃节点时邻居节点能协助或合作。

结论

虽然关于本文呈现的图和其它流程图来描述了示例性方法的具体细节，但应当理解的是，不必按所描述的顺序执行图中示出的某些动作，而可修改和/或可完全省略某些动作，这取决于情况。如本申请中描述的那样，可使用软件、硬件、固件或这些的结合来实现模块和发动机。此外，基于存储在存储器上的指令，所描述的动作和方法可由计算机、处理器或其它计算装置实现，存储器包括一个或多个计算机可读的存储媒体(CRSM)。

CRSM可为能够由计算装置访问的任何可用的物理媒体，以实现存储在其上的指令。CRSM可包括(但不限于)随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除只读存储器(EEPROM)、闪速存储器或其它固态存储器技术、紧密盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储装置，或者能用来存储期望的信息且能由计算装置访问的任何其它介质。

Claims (15)

1.一种由装置实现以使得在基于路由表创建路由方案之后在网状网络中与其它装置进行合作通信成为可能的方法，所述方法包括：

基于所述路由方案来确定能接收分组的可用邻居装置；

基于下列概率转发方程，决定与哪个所述可用装置合作：

其中，是所述可用邻居装置中的一个，并且当下一个跳跃目的地是直接邻居且能够被当前装置根据所述路由方案接近时被赋予值1，否则被赋予值0；是以下量中的一个或多个的函数：编码调制速率、服务的质量、信号噪声比和电池功率；并且与网络拥堵成比例；以及

将所述分组转发到决定要与其合作的其它装置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述创建所述路由方案包括将所述路由方案发送给所述可用邻居装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述可用邻居装置包括最靠近所述装置的邻居装置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定所述可用邻居装置是基于信号质量的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述概率转发包括比较所述装置处随机生成的数值与所述概率转发方程所确定的值。

6.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在执行所述转发之后，确定所述路由方案中的信道容量。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转发包括对所述分组编码。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述装置是移动网状网络中的节点。

9.一种用以确定与网状网络中的其它装置的合作的装置，包括：

一个或多个处理器；以及

耦合到所述一个或多个处理器上的存储器，所述存储器包括：

路由表；以及

算法，其用以基于根据所述路由表创建的路由方案以及与所述装置的接近度来确定要与其合作的所述其它装置，并且基于下列概率转发方程，决定与哪个所述其它装置合作：

其中，是所述其它装置中的一个，并且当下一个跳跃目的地是直接邻居且能够被当前装置根据所述路由方案接近时被赋予值1，否则被赋予值0；是以下量中的一个或多个的函数：编码调制速率、服务的质量、信号噪声比和电池功率；并且与网络拥堵成比例。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述用以确定与网状网络中的其它装置的合作的装置和所述其它装置通过无线接口通信。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述存储器是专用芯片组。

12.根据权利要求9所述的装置，其中，预先确定所述路由表。

13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述算法包括概率转发函数。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述概率转发函数是识别函数。

15.根据权利要求13所述的装置，其中，比较从所述概率转发函数导出的值与随机生成的数值。