CN103260207A - 预测性ad-hoc - Google Patents

Abstract

本发明的名称是预测性AD-HOC，其涉及所提出的一种用于在包括多个网络节点的多跳无线通信网中有效地路由的系统。该系统包括：用于获取指示在所述基础结构节点之间的链路状态的质量信息的装置（3001）；用于通过使用预测性程序过程而在基础结构节点的路由确定处理过程中使用所述链路质量信息的装置（3002），所述链路质量信息包含有关所述链路状态的时变信息的信息，以及所述预测性程序过程在该预测性程序过程中使用所述链路状态的时变信息；以及路由装置（101），用于按照确定的路由来路由数据分组。

Description

预测性AD-HOC

发明领域

本发明涉及一种路由系统、方法和设备，特别用于在移动或静止环境下、使用预测性路由模型的基于ad hoc(特设)的网络。

发明背景

在移动用户之间的无线通信随着设备和技术的发展而变得越来越流行。基础结构的铺开正在电信系统和数据网络系统内不断扩展。而且今天电信系统正越来越多地使用分组交换网络，以及趋势是明显朝向这种基于分组的路由的方案。这种系统多年来一直被使用于基于数据网的系统，因此存在许多用于这一用途的标准化路由协议。然而，它们并没有为快速改变的网络构形(例如象所谓的ad hoc网络)作准备。

无线ad hoc网的特征在于，它并不具有与通常的有线网基础结构相同的静态性质，而是基于ad hoc的网络不具有集中的控制并且常常以自发的方式被创建。它通过一种分散(decentralized)的概念来保持控制。与标准固定网体系结构相比较，节点能以非受控的方式被连接或断开；这些节点可以快速地进出，这导致动态改变的网络拓扑。在某些情形下，这样的ad hoc网络由用户/客户设备本身作为基础结构部件而形成。于是这些部件在用户四处移动、移进和移出网络单元的意义上是真正移动的，所以，基础结构将随之四处移动。这是构建基础结构的一种激动人心的方式，但是它对路由协议设置了非常高的要求。

无线环境中的其它问题是由于无线电所特定的问题而引起的，它们将使网络流的性能和效率降级。在无线电环境下可能有由于基础结构节点的运动或物体的运动而引起的衰落问题，以及可能有由于来自范围内其它无线电的源的干扰而引起的问题。

这些种类的网络构形一直在军事环境中使用，但现在也移植到民用领域。无线系统现在被使用来快速构建基础结构区域，例如用于在居民区或商业区的无线宽带接入。它可被使用于临时基础结构构建，例如在紧急状况下、在灾区、或在战场用于军事目的。它也可以在例如象音乐会、会议、集会或季节性旅游区域那样的事件期间被使用来构建临时的接入覆盖区域。在这些种类的区域中，不必全年进行覆盖而只在特定的时期内覆盖。

今天，几个互联网服务供应商(ISP)通过使用固定的无线基础结构系统在诸如机场、餐馆、咖啡店和旅馆那样的公共或半公共区域提供无线接入。这些系统常常被称为所谓的热点(hotspot)。

随着来自用户的对得到接入的要求增加，考虑到覆盖和带宽，扩展无线覆盖的区域或带宽的一个方式是安装更多的基础结构部件，然而用正常的固定无线部件来完成这一点是昂贵的，因此已出现了使用无线路由器来构建网络的想法。在这种情形下，ad hoc路由协议可被使用来实行一个简化的安装过程。

当讨论ad hoc网络时，基本上有两种网络用法；第一个用法是构建局域网而不用任何提供到外部网络(例如互联网)的接入的外部网关。这个方案可以在有关灾区的安装、或在战场上的军事安装中找到。其它的和可能更通用的用法是当一个或几个网关向网络提供例如到基于IP的网络(私有或公共的，例如互联网)的外部连接时。在这样的网络配置中，数据分组可以取不同的路由和/或使用不同的网关，这取决于例如数据业务类型、拥塞、或路由花费。

基于分组的路由方案常常围绕分层模型，例如OSI参考模型，来在那里构建通信网络系统。通信软件或硬件被划分成以分级方式工作的几个较小的子单元、层。信息和通信控制参数在本地向上和向下传递以及在发送和接收端之间、在相同的层之间被传递。每个这样的层负责通信命令中的不同任务。对于路由，按照OSI参考模型的头三个层是最重要的。

层1负责数据的比特的物理传输；物理装置的例子例如可以是基于以太网的网络中的有线链路或无线局域网(WLAN)中的无线链路。

层2常常称为链路层或MAC层，以及它负责传输大块数据、检错、和网络资源协调。

层3常常称为网络层；它负责使能网络中任何节点对之间的通信。这个层例如看管路由计算和拥塞控制。为此目的，取决于网络类型而开发了不同的路由协议。

在基于IP的网络中的分组路由协议通常是基于路由算法，其使用距离向量或链路状态信息来找出并保持该网络中的用于每对源节点和目的地节点的路由。原理上，在距离向量路由算法中，每个路由器把离所有主机的距离广播到其相邻的路由器，以及接收该信息的每个路由器计算到网络中每个主机的最短的路由。在链路状态路由算法中，每个路由器把它的每一个邻接的网络链路的状态信息广播到其相邻的路由器，以及接收该信息的每个路由器根据该链路状态信息来保持网络的整个图像的数据库，并根据数据库中的链路花费来计算到每个主机的最短的路由。这些路由算法被设计用于相对静态的网络，因此必须为其拓扑频繁改变的ad hoc网络设计新的路由算法。

对于ad hoc网络，基本上有两类现有的路由协议。这些路由协议是“先应式(proactive)，，(表格驱动的)和“反应式(reactive)”(经要求的(on-demand))路由协议。具有这些协议的组合的协议也是可能的。

先应式路由协议不断地和周期性地计算到该ad hoc网络中所有主机的路由。因此当分组需要被发送到特定的目的地主机时，路由总是可获得的。该结果被维持在所有节点的路由表中。

为了保持到每个主机的路由，要在路由器之间交换控制消息以便通知网络配置与链路状态的改变。距离向量和链路状态路由协议都被归类为先应式协议。应当指出的是，控制消息造成额外开销以及可导致降低的网络效率。另外，在网络拓扑频繁改变时，先应式协议在保持有效的路由方面可能有困难。

DSDV(目的地排序的距离向量路由)是一种基于距离向量算法的先应式路由协议，它使路由信息协议(RIP)适应于ad hoc网络。每个节点保持路由表，该节点在该路由表中存储了到所有可达到的目的地主机中每一个主机的下一跳节点和跳计数。在DSDV中，每个节点周期性地、或当它检测到网络拓扑的改变时，广播或多播路由更新。为了减小控制业务量，也使用增量更新，增量更新仅仅更新有关自上一次更新以来改变的信息。

当有数据分组要发送时，反应式协议仅仅执行控制消息交换以便找出/更新路由。当源节点想要发送数据分组时，它通过发送路由请求消息到其相邻的节点而启动控制协议来找出路由。通过这个原理，反应式方法是很好的，因为当没有分组要输送时不会浪费网络资源。然而，当必须第一次形成路由时，要花费较长的时间来发送分组。AODV和DSR是代表性的反应式协议。

AODV(ad hoc经要求的距离向量路由)协议在经要求的基础上，也就是仅仅当源节点想要发送数据分组时，使用DSDV算法来创建/更新路由。这导致减小了找出/更新路由所需的广播的数量。

在AODV中，每个节点保持检测到的相邻节点的列表。邻居列表以以下三种方式之一被更新：a)当从相邻节点接收到分组时，b)通过接收来自相邻节点的本地广告，即问候(Hello)消息，或c)通过来自链路层的反馈。问候消息从每个节点周期性地广播到其相邻的节点，告知它们有关它的存在。

在AODV中，每个节点保持用于所有目的地的路由表，该节点与其中每个目的地通信或代表其它节点把数据分组转发到每个目的地。对于每个目的地，在路由表中有一个条目，其包含有关该目的地的信息，诸如I P地址、该目的地节点的序号、到该目的地的跳计数、到该目的地的下一跳节点、和该路由的使用期限。

当节点想要与目的地节点通信时，即要发送数据分组到该目的地时，则源节点启动路由发现机制，其中源节点把一个路由请求(RREQ)广播到所有检测到的相邻节点。当相邻节点接收到该RREQ消息并且在它的路由表中具有到该目的地的足够新鲜的路由的条目时，那么它把一个路由回答(RREP)消息发回到源节点。如果相邻节点没有找到用于该目的地的路由条目，则它把该RREQ消息转发到它自己检测到的相邻节点。当目的地节点接收到RREQ时，它把RREP消息返回到源节点。

在转发RREQ分组的处理过程中，每个中间节点记录从其接收到该广播RREQ的第一个拷贝的相邻节点的IP地址，由此建立反向路由。后来接收的相同RREQ消息的拷贝都被丢弃。中间节点把用于该目的地的一个条目加到它们的路由表中，其中从其接收到RREP的相邻节点被记录为用于该目的地的下一跳节点。目的地序号和路由的使用期限从RREP中被复制并被记录到该条目中。当RREP消息最后被返回到源节点时，从源到目的地的转发路由被形成。

当节点检测到一个路由由于该路由上的入射链路故障而变为不可用时，它发送一个路由错误(RERR)消息到使用该路由的所有相邻节点。该RERR消息被继续发送到它们的相邻节点，如此直至它到达源节点为止。源节点然后可决定或是停止发送数据分组或是启动一个新的路由发现。

DSR(动态源路由)协议使用源路由机制，其中源节点在经要求的基础上确定沿路由的完整的节点序列，以及把中间节点列表设置在分组头标中，以指示用于该路由的节点序列。这样，每个分组必须载送用于分组路由的额外开销。然而，中间节点不需要保持任何有关路由的信息，以及它们可以在递送数据分组时学习路由。

在DSR中，每个节点存储(高速缓冲存储)它学习的路由。当源节点想要发送数据分组到目的地节点而在高速缓冲存储器中却没有用于该目的地的条目时，那么它通过在其链路层上广播RREQ消息而启动路由发现机制。接收到该RREQ消息的每个节点把它们的IP地址添加到该RREQ消息上，然后进一步转发它。在找出到该目的地的路由或另一个节点可以提供到该目的地节点的路由之前，一直进行这个处理过程。然后把包含到该目的地节点的网络跳序列的路由回答(RREP)消息返回到源节点。

在DSR中，当在一节点处检测到一个链路故障时(即当该包已被重发最大数目的次数时)，该节点从它的路由高速缓冲存储器中去除该链路，以及把一个路由错误(RERR)消息发送到自从上一次接收应答以来使用过该链路的每个节点。这些节点必须去除包括该链路的路由。然后由诸如传输控制协议(TCP)的更高层来操控数据分组从源节点的重发。

在使用链路期满时间和节点的业务量负荷的ad hoc路由协议中，链路期满时间被定义为在其间某两个节点的距离维持得短于或等于无线电有效距离的时间间隔。在这个路由协议中，度量被用作为每个链路的花费，以及节点尝试找到最小花费路由，预期这样的路由的使用期限是较长的，因此它会减小路由更新频率和由于控制业务量而造成的额外开销，以及会增加数据分组传送的总吞吐量。

在这个协议中，节点的业务量负荷由在给定的时间周期内节点的忙率(busy rate)来表示。在路由选择算法中选取具有最小的节点业务量负荷的路由。预期该算法会导致网络中较好的负荷平衡，也就是，它将避免把业务集中到网络中的特定的节点。

当在移动无线电通信网中使用传统的ad hoc网络路由方法时，可能出现某些问题。一个问题是由于用户是移动的，他们将四处移动进而系统将受到由于例如衰落、传播损耗和遮蔽造成的无线电质量的改变。当基础结构系统由移动单元组成时，例如当客户设备是基础结构的一部分时，情况也是这样。即使在具有固定的无线基础结构部件的系统中，也可能发生这样的问题，例如，由于交通工具或其它物体临时阻挡了在两个基础结构部件之间的信号路径，这导致该无线电链路质量的改变。当它们比路由表的更新频率或路由路径的改变更快速地改变时，引起了对这些类型问题的主要的关注。

如果尝试通过提高路由信息的更新频率来解决上述问题，则由于路由信息的更新将占据媒体中可能的数据传输量的主要部分，这将在某一点上开始使传输效率降级。

在美国专利申请2003/0120809中描述了一种系统，它通过收听在使用的频带-在本例中是2.4GHz ISM频带-中的未经授权的信号来检测网络中的干扰源。在这个文献中，主要关注在网络层上出现的问题，而不太关注在无线电层上出现的问题。该文献只公开了对当前状态的适配，而与可能来临的链路状态的性质没有关联起来。于是该系统尝试去适配分组路由，从而减小干扰的影响。该解决方案关注于只检测干扰，并且是通过调节天线位置和靠近干扰者的节点的方向以便减小朝向干扰源的无线电覆盖来解决问题的。

在美国专利No.5,537,394中，为一种固定网络解决方案引入了一种状态预测功能。该解决方案牵涉到对来自状态监视功能的信息的大量统计计算。统计计算是为了解译对整个网络系统的推断而进行的，以及它不易对ad hoc网络进行调节，特别是不易对无线ad hoc网络进行调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种ad hoc路由方法，该方法通过引入使用基础结构节点之间链路状态信息的预测性路由控制而减小某些上述的问题。

通过周期性地测量无线电信道特性、链路质量或其它链路重要的参数，有可能分析网络/链路状态。这个信息被传递到路由处理单元，其使用该信息来决定信号质量的类型并及时监视链路状态的改变。该处理单元可以外推测量的趋势，以及预测信号质量的改变，由此以适当的方式进行响应，从而有效地使用可用的网络资源。

从OSI网络参考模型的层1得到的信道特性信息连同从层2得到的链路质量信息一起被输送到3层，在层3中设有路由控制和业务量调度。测量的和得到的信息被存储下来，并针对在可用的相邻节点和在作为当前节点路由方案一部分的网络区域内的节点之间的链路质量/状态的趋势而对其进行分析。由此，ad hoc路由协议决定用于待发送数据分组的适当路径。

通过对几个不同参数的测量，可以得到有关信道特性和链路质量的信息。这些种类的参数的例子可以是由于无线电信号的衰落造成的无线电信号的多普勒扩展，用于这一方面的不同方法是推导出无线电信号的相干时间、接收信号的变化速度、或信号-干扰噪声比。

这种预测性性状的使用与所使用的ad hoc路由协议的类型无关。

在一个实施例中，一种用于在包括多个网络节点的多跳无线通信网中有效地路由的系统，其特征在于，该系统包括：用于获取指示在基础结构节点之间的链路状态的质量信息的装置；用于通过使用预测性程序过程而在基础结构节点的路由确定处理过程中使用所述链路质量信息的装置，该链路质量信息包含有关链路状态的时变信息的信息，以及该预测性模型在预测性程序过程中使用该链路状态的时变信息；以及路由装置，用于按照确定的路由来路由数据分组。

该系统的特征还在于，无线链路是基于电磁辐射的、具有在100kHz到100PHz范围内频率的传输系统。该系统的特征甚至还在于，传输系统是IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、HiperLAN、HomeRF、蓝牙、IR、UWB、JTRS、3G、GPRS、或EDGE中的一个或几个。

在本发明的另一个方面，该系统包括反应式ad hoc路由协议、先应式ad hoc路由协议、或反应式和先应式ad hoc路由协议的组合。

按照本发明的另一方面，该系统的特征在于，链路状态信息是通过对多普勒扩展、相干时间、平均衰落持续时间、信号强度、或信号-干扰噪声比的至少一项的测量而给出的无线电信道状态信息。

该系统的特征在于，用于ad hoc路由协议的预测性程序过程在与确定的路由预期准则的比较中使用得到的链路状态信息和无线电信道信息。

该系统的特征在于，用于反应式ad hoc路由协议的预测性模型从经修改的RREP、问候消息、应答或RERR消息中得到有关链路状态和无线电信道状态的信息。

该系统的特征还在于，用于先应式ad hoc路由协议的预测性模型包括经修改的路由表，该路由表包含具有关于链路状态的信息的路由状态字段。

该系统的特征还在于，链路状态信息包括网络中节点的能量状态。

该系统的特征还在于，链路状态信息包括在网络中节点之间的NACK或ACK信号的数目。

按照另一方面，该系统的特征在于，链路状态信息包括在网络中节点之间的通信中的误码的数目。

该系统的特征还在于，链路状态信息包括有关网络中节点的所有权的信息。

在另一个实施例中，是一种在按照以上描述的系统中使用的路由协议。

该路由协议还是先应式ad hoc路由协议、反应式ad hoc路由协议、或先应式和反应式ad hoc路由协议的组合的其中之一。

在另一个实施例中，是一种用于在包括多个节点的无线通信网中有效地路由的方法，该方法包括以下步骤：获取各节点之间的链路状态、用该链路状态信息来更新路由单元、按照预测性模型使用该链路状态信息来确定有效的路由、以及按照所确定的路由来路由业务。

路由确定步骤包括使用反应式ad hoc路由协议、先应式ad hoc路由协议、或反应式和先应式ad hoc路由协议的组合的步骤。

在本发明的另一方面，该方法从对多普勒扩展、相干时间、平均衰落持续时间、信号强度、或信号-干扰噪声比的至少一项的测量中获取无线链路状态信息。

用于ad hoc路由协议的预测性程序过程包括在与确定的路由预期准则的比较中使用得到的链路状态信息的步骤。

用于反应式ad hoc路由协议的预测性程序过程包括从经修改的RREP、问候消息、应答或RERR消息中得到有关链路状态的信息的步骤。

用于先应式ad hoc路由协议的预测性程序过程包括修改路由表的步骤，该路由表有一个具有关于链路状态的信息的路由状态字段。

链路状态信息可以是网络中节点的能量状态、网络中节点之间的ACK信号、网络中节点之间的通信中的误码的数目、或有关网络中节点的所有权的信息。

该方法的特征还在于，无线通信是基于电磁辐射的、具有在100kHz到100PHz范围内频率的传输系统。该节点的特征甚至还在于，传输系统是IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、HiperLAN、HomeRF、蓝牙、IR、UWB、JTRS、3G、GPRS、和EDGE中的一个或几个。

在另一个实施例中，一种用于在多跳无线通信网中有效地路由的节点的特征在于，该设备包括：链路质量获取装置；链路状态监视装置，其把链路状态信息馈送到路由装置，通过使用预测性程序过程按照链路质量信息来确定适当的路由。

该节点的特征还在于，无线链路是基于电磁辐射的、具有在100kHz到100PHz范围内频率的传输系统。该节点的特征甚至还在于，传输系统是IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、HiperLAN、HomeRF、蓝牙、IR、UWB、JTRS、3G、GPRS、和EDGE中的一个或几个。

该节点包括反应式ad hoc路由协议、先应式ad hoc路由协议、或反应式和先应式ad hoc路由协议的组合。

在本发明的另一方面，该节点的特征在于，链路状态信息是通过对多普勒扩展、相干时间、平均衰落持续时间、信号强度、或信号-干扰噪声比的至少一项的测量而给出的无线电信道状态信息。

该节点的特征还在于，用于ad hoc路由协议的预测性模型在与确定的路由预期准则的比较中使用得到的链路状态信息和无线电信道信息。

该节点的特征还在于，用于反应式ad hoc路由协议的预测性模型从经修改的RREP、问候消息、应答或RERR消息中得到有关链路状态和无线电信道状态的信息。

该节点的特征还在于，用于先应式ad hoc路由协议的预测性模型具有经修改的路由表，该路由表包含具有关于无线电链路状态的信息的路由状态字段。

该节点的特征还在于，链路状态信息包括网络中节点的能量状态、在网络中节点之间的NACK或ACK信号的数目、在网络中节点之间的误码的数目、或有关网络中节点的所有权的信息。

在本发明的另一个实施例中，一种在无线通信网中使用的层间协调包括：第一层，包括无线电信道信息获取装置；第二层，包括链路状态信息获取装置；和第三层，包括从第一和第二层得到无线电信道和链路状态信息的链路状态监视装置、使用链路状态信息的路由确定装置、以及用于经由确定的路由来路由数据的路由装置。

在另一个实施例中，一种用于在多跳无线通信网中控制路由的计算机程序包括：第一指令集，用于获取基础结构节点之间的链路状态信息；第二指令集，用于在预测性程序过程中使用所获取的链路状态信息来确定有效的路由；和第三指令集，按照确定的路由来路由业务。

在另一个实施例中，一种包括用于在多跳无线通信网中控制路由的计算机程序的制造的产品，包括：第一指令集，用于获取基础结构节点之间的链路状态信息；第二指令集，用于在预测性程序过程中使用所获取的链路状态信息来确定有效的路由；和第三指令集，按照确定的路由来路由业务。

一种用于在无线网中有效地路由的方法的特征在于，通过使用以下步骤来路由数据分组：通过测量网络中基础结构节点之间的链路状态质量而提供链路状态信息；用该链路状态信息来更新路由单元；通过使用该链路状态信息来确定路由；经由所确定的路由来路由数据分组；以及在检测到数据分组的路由故障后，经由不同的路由重发该数据分组，其中该不同的路由是通过使用预测性程序过程利用无线网中基础结构节点的链路状态信息来确定的。

参照以下的详细描述，将明白本发明的这个和其它目的、特点、功能和好处。

附图说明

图1是在本发明优选实施例的层间概念中的某些部件和它们的各自作用的示意框图。

图2是信号强度和变化速度参数相对时间的图，具有一阈值水平来支配慢类别或快类别确定。

图3是对于反应式路由协议，在系统中信道状态信息和链路质量信息如何被传递回来的示意图。

图4是对于反应式协议，在系统中信道状态预测如何被传递回来的示意图。

图5是小型ad hoc网络和该网络中两个节点之间的可能路由的示意性描绘。

图6是无线ad hoc网络拓扑的示意图。

图7是图示用于反应式路由ad hoc协议(图7A)和先应式ad hoc路由协议(图7B)的一部分路由和路由确定处理过程的示意框图。

图8是图示网络中的节点的示意框图。

具体实施方式

在图6上，显示了本发明的移动多跳无线ad hoc网络的基本概念。多个节点或基础结构单元601、602、603、604、...、60n通过互相通信和互相转发数据业务与控制业务而一起构建ad hoc网610，以便保持在通信的末端节点与中间节点之间的网络业务。有时在ad hoc网610中存在一个或几个网关601。此网关601充当在例如无线ad hoc网610与标准固定IP网620(例如互联网)之间的链接。到标准IP网的连接600可以是例如使用以太网的固定线路，或是例如使用LMDS或“迷你链路”系统或类似技术的固定无线连接。

图6上未明显示出的是那些可以经由这些基础结构节点601、602、603、604、...、60n进行通信的客户/最终用户终端；然而，该基础结构实际上可以通过使用客户/最终用户终端本身来构建。该基础结构也可以通过专用路由器来构建，或者一个网络可以被构建在这两种单元的组合上。今天客户/最终用户终端即使是在ad hoc环境中也具有计算能力来操控联网应用。客户终端可包括诸如台式计算机、工作站、膝上型计算机、PDA(个人数字助理)、移动电话的设备，或具有通信或联网装置的其它数据处理设备。

基础结构单元或节点601、602、603、604、...、60n、800包括至少处理装置(801)、存储装置(802)、通信装置805和路由装置101、803。通信装置805可以是无线的806或使用有线连接806，然而，在优选实施例中，通信装置805是无线的。路由装置101、803常常使用软件程序以路由算法来实现，以及正常地路由装置101、803和/或通信装置805常常被嵌入在基础结构单元800中，但它们也可以位于一个通过连接器804被连接到基础结构单元601、602、603、604、...、60n、800的外部设备中。这种安排的例子可以是PDA，它具有被连接到PDA的外部设备；这个外部设备操控路由和/或通信装置，以使PDA能够作为ad hoc网610的、或一般而言的无线网的一部分。

在图1上，显示了在路由单元800中的关键部件和它们的各自作用，以及在分层网络参考模型-例如OSI模型-内的数据和控制业务流图案。第一层104(L1)负责数据比特的物理传输，在这一层可以有这样的功能性，用来测量和得到物理媒体特性的状态和质量，例如无线的无线电信道状态。这个信息被传递到第三层106(L3)给链路状态监视器102。

有几个不同的参数，可以对它们进行测量以得到基础结构节点之间的无线电链路的状态。一个这样的参数是多普勒扩展。多普勒扩展、平均衰落持续时间、和相干时间(正比于平均衰落持续时间)都是描述无线电信道的时变性质的参数。如果在移动站与基础结构节点之间有相对运动，则将有与此有关的衰落问题。如果有物体在两个基础结构节点之间的或在基础结构节点与移动站之间的无线电路径上运动，则出现同样的问题。当每个节点周期性地发送和接收信标信号(例如“问候消息”)，或以任何其它方式监视来自相邻节点的无线电信号时，有可能测量到所谓的多普勒频移f_D，它可以给出无线电信道质量的指示，多普勒频移是对多普勒扩展宽度的量度。把这个测量与多普勒频移上限f_DUL相比较，多普勒频移上限对ad hoc路由算法仍将能够适应而不使传输效率降级的情势设置了极限。如果信号带宽比多普勒扩展的确定的阈值极限大得多，则影响是可忽略的，以及这种情形被定义为慢衰落，因此对于通过提高更新频率而使ad hoc路由算法适应于此是不成问题的。然而，如果多普勒扩展高于所确定的阈值水平，衰落处在所谓的快速区域，则在路由算法提高路由更新的频率的情形下，由于控制业务占用可用传输容量的越来越大的部分，所以这将在某一点上开始使业务流效率降级。应当指出的是，当多普勒扩展进一步增加时，FEC(前向纠错)的效果也增加，因此提供了稳定的改进的L2链路质量。

平均衰落持续时间<τ_D>是根据瑞利(Rayleigh)衰落模型计算出来的。从这些计算中有可能得出平均衰落持续时间，以及把这个值与阈值极限<τ_DUL>进行比较，这可以与它的配对物f_DUL相比较，<τ_D>可以根据下式计算：

$\&lang;{\mathrm{\&tau;}}_D\&rang;=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&tau;}}_m}{N\left(R_S\right)T}$

其中M是监视的衰落持续时间的数目，τ_m是第m个衰落持续时间，N(R_S)是在每秒R_S水平下衰落的水平交叉点的数目，以及T是测量时间。

描述无线电链路的质量的另一个参数是所谓的变化速度VS 201，如图2所示，它是关于接收信号强度202或信号-干扰噪声比202改变得有多快的量度。VS 201可以通过对瞬时信道强度202进行微分而被计算出来。当VS 201低于阈值水平V_SUL 203时，ad hoc路由算法仍能够适应，而不使网络效率降级。然而，当VS 201高于V_SUL 203时，对于上述的多普勒扩展将引起相同的问题，其中由于控制业务占据可用传输容量的较大的部分，路由表的更新频率204将导致传输效率的降级。

第二层105(L2)操控更大段的信息的传输控制以及看管错误操控；对错误的检测以及适当的响应。它也可向第三层106提供有关自从它操控检错以来链路质量的信息。例如，有关NACK或ACK 408、409和410信号的数目的信息可被传递到链路状态监视器102。对这些参数的解译可以是，NACK信号的数目的增加表示链路在质量上降低，而ACK信号的增加表示无线电信道在质量上提高。

另外，由位于L2 105中的前向纠错单元(FEC)检测和纠正的误码的数目可被报告给链路状态监视器102。这个参数可以反映从上述的ACK/NACK信令中没有明显看出的链路质量。

链路状态监视器102监视从第一网络层104 L1和第二网络层105 L2得到的信道特性和链路质量信息。链路状态监视器102确定无线电信道相对于预定准则的质量，以及把它拣选到两种不同类型的衰落类别之一中；如果测量到多普勒扩展则拣选到慢衰落或快衰落，如果测量到VS则拣选到慢VS类别或快VS类别。

链路状态监视器102也可以接收来自应用层的信息、或是来自在路由确定处理过程中相关的节点的硬件的信息。这样的信息例如可以是网络中节点的电池电平或能量状态，以便在路由路径中排除这样的节点，或至少减小这样的节点的使用量。做出这种排除是为了保留这些节点的电池电平，因为它们可能是客户终端，而客户/最终用户不想要它们的设备因为几个原因而用完电池能量。也有一种增加的风险：具有低电池电平的节点可能在未来不久的时间停止工作。另一个这样的相关的路由参数可以是基础结构节点的所有权信息，以便能够在多拥有者网络中实现一种最少经济成本的路由方法。在这样的方法中，分组可以经由客户的运营商所拥有的基础结构单元被路由，或经由其中客户的运营商与拥有者具有协议的基础结构单元被路由。如果有在每个基础结构节点处实行的货币路由花费，则这个方法是有用的，以及使货币花费维持得尽可能小是令人感兴趣的。这个方法不限于无线ad hoc网，而是可以在任何路由IP分组的通信网中被实现。

链路状态监视器102把得到的和分析的状态信息传输到路由单元101。该单元101执行路由计算来为目前待发送的数据分组确定路由，它也确定它应当何时及如何更新路由表。路由单元101操控发送和接收数据业务和控制业务。它操控处理路由更新，以及按照预定的进度表或根据从链路状态监视器102得到的状态信息来启动路由更新。

使用预测性模型或程序过程的路由确定方法或程序过程，其组成如下：取从无线电和/或链路质量的测量中所得到的链路状态信息，监视链路的变化，和预期或外推被存储在路由表中的每个链路的近期的状态；因此路由单元101可以在链路失效之前更新路由配置。这具有减少由于丢失的包而造成的不必要的业务流的好处。

路由确定方法或程序过程可以在驻留于基础结构节点中的软件程序中被解决。

在L3 106中，有关先前的测量的信息在一定量的时间内被存储下来，以便了解链路质量的趋势和改变。这是根据在基础结构节点中所使用的硬件而用标准技术来进行存储的。

表1显示了某些情景和它们的解译，考虑了信号强度与衰落参数或变化速度VS参数。

表1：链路状态的特征

从表1中有可能得到预期准则的以下例子和下文所列的关于信号强度趋势的假设。

1.在低f_D或低VS的情形下：

如果信号强度从低转高，则将引起新的路由。

如果信号强度从高转低，则当前的路由将淡出。

2.在高f_D或高VS的情形下：

如果信号强度从低转高，则新的稳定路由将慢慢产生。

如果信号强度从高转低，则当前的稳定路由将慢慢消失。

表1上的信号强度或L2质量涉及平均水平，这意味着它们代表在相对较长的时间范围期间的信道质量，而f_D或VS被定义在短的时间范围内。在这方面长和短的定义取决于在其中实现本发明的系统。长时间范围可被定义为覆盖几个业务帧的范围，而短时间范围可被定义为覆盖几个传输码元或比特的范围。所以，短时间中的快速信道变化可引起随机误码，它可以通过FEC技术(前向纠错)被恢复。由于FEC使用不同的时刻载送信息部分(有时称为系统比特)和它的奇偶校验部分。如果该时刻分离得足够开，以致在两个时刻之间没有时间信道相关，那么FEC可以提供时间分集效果；其中或者是信息部分或者是奇偶校验部分可经受得住衰落。FEC功能因而可恢复正确的信息。

根据这些情形，如何有可能以预测的方式具体地就路由更新来修改ad hoc路由协议是明显的。

现在将对于反应式和先应式ad hoc路由协议给出使用这个方法的某些例子。

如果路由是基于先应式协议，则取决于使用协议、通过正常的程序过程来周期性地更新路由表。一个这样的协议可以是DSDV，它保持网络中各节点的路由表。这个路由协议按照状态测量被修改，并因此在路由表中加上指示链路状态的额外列表。通过使用取决于所选路由协议的正常技术，例如使用“问候消息”和/或拓扑消息，来分发链路状态信息。

例如，如果数据分组要从节点A 501发送到节点C 503，如图5A所示，则数据分组通过节点B 502被传输。然而，由于在本例中已经知道在节点B 502与节点C 503之间的当前的链路状态是关闭的(即，信号强度正随时间减小)和性状是突发的(即，已测量到衰落或VS参数低于阈值)，并且该系统从测量中还知道，经过节点D 504的路由具有更好的质量，于是路由单元101决定下一个分组应经由节点D 504发送，而不是使用经由节点B 502的老的路由505和506，路由的这个改变在图5B上表示。

在下面描述的算法中可以阐明按照先应式路由协议的路由方法(还参阅图7B)：

1.无线ad hoc网中所有的节点在定期的基础上测量它们各自的、通向邻居的链路质量。

2.所有的链路质量信息被分发到无线ad hoc网中所有的节点，以及该信息按照确定的路由更新频率被更新并被存储到所有节点的各自的路由表中。

3.由该处始发数据分组的源节点通过使用该链路质量信息和预测性模型来确定适当的路由。

4.按照所确定的路由将所考虑的数据分组路由到目的地节点。

如果路由是基于反应式路由协议，则使用一种稍微不同的方法。路由确定不是以与先应式协议相同的周期性方式被更新，而是在要求时被更新；路由协议对发送分组的要求反应，且因此需要知道至少部分的路由来发送该分组。

参见图3，其图示了一个在反应式路由协议中经修改的路由发现的例子，链路状态信息304、305和306被包括在被发回到源节点300的、规定路由发现信息的正常路由回答(RREP)消息中。利用这个信息，路由单元101可以根据所得到的有关当前活动的路由的信息来改变数据分组的路由。所包括的状态信息给出了经修改的RREP消息313、314和315，它们向路由单元101提供了信息，其用来得到当前的链路状态并用来预测在源300与目的地节点303之间的链中所有链路的近期链路状态。有关该路由链中每个节点的链路状态信息被加到经修改的路由回答(RREP)消息中。在图3上，示例的四个节点与一个分组事物处理有关。分组从源节点300经由两个中间节点301和302被传送到目的地节点303。当该分组被传送到目的地节点303时，最后的中间节点302发回一个经修改的RREP消息313。这个经修改的RREP消息313包含有关在最后的中间节点302与目的地节点303之间的链路信息304的信息。该RREP消息被传送回该链中前一个中间节点301(在图3的例子中，这是中间节点1 301)，以及这个节点301加上有关在它本身与该链向上的下一个节点302(中间节点2 302)之间的链路的链路状态的信息。当该RREP消息315最后返回到源节点300时，它将包含有关在源节点300与目的地节点303之间的网络路由链中的所有链路的信息。这种方案可以独立于网络中的节点数目而被使用，然而在图3上，只画出四个节点，但应当明白，这不是一个限制的数目。节点的数目可以更少或更多。在图3上只图示了RREP中的L1信息，然而，也可以包括来自所牵涉到的每个节点的L2信息，和/或也可以包括来自该基础结构节点的其它部分的、有关路由的其它信息。基于ad hoc的反应式路由协议，例如象AODV或DSR，可以使用这个方法。

在下面描述的算法中可以阐明按照反应式路由协议的路由方法(还外参阅图7A)：

1.无线ad hoc网中所有的节点在定期的基础上测量它们各自的、通向邻居的链路质量。

2.所有的链路质量信息被分发到无线ad hoc网中所有的路由参与节点，以及当路由请求被发出时该信息被更新并被存储到所述节点的各自的路由表中。

3.源节点通过使用该链路质量信息和预测性模型来确定适当的路由。

4.按照确定的路由来对所考虑的数据分组进行路由。

也有可能修改在基于ad hoc的反应式路由协议中发送的标准RERR信号，这被图示于图4中。这个修改是通过从节点402发送一个经修改的RERR消息而完成的，其中节点402已检测到可能来临的通往下一跳406方向的故障。这个经修改的RERR包含有关所关心的这个链路406的链路状态404的信息，以及它被发回到源节点400。网络链401中的较早中间节点把这个信息404中继到源节点400。源节点400中的路由单元101使用这个信息404，并且可以据此改变路由。

通过使用这种经修改的RERR 404的方法，有可能大大地减少由于网络链中稍后的链路故障造成的分组重发。正常地，在路由协议检测到链路故障之前花费相当多的时间，以及路由单元101在判定已发生链路故障并改变路由配置之前将尝试重新发送数据分组几次。利用本方法，有可能在链路失效之前改变路由路径，所以由于链路故障造成的重发的次数可以被减少，或甚至被消除。

利用有关节点之间的链路状态的信息，预测性模型可被使用来在检测到链路故障时、在经由同一个路由进行数据重发-对于标准路由协议这是正常的程序过程-之前改变路由。因为路由单元101通过链路状态获取方法-具体地是通过经修改的RERR消息-知道了链路故障，所以发送失败的分组使用新的路由被重发。图5A和5B被使用来图示这个路由分集的例子，其中分组首先经由节点B 502从节点A 501发送到节点C 503，然后在链路故障后代之以经由节点D 504重发该同一个分组。

使用预测性方法的智能路由模型可被使用于许多不同的应用领域，诸如，举例而言，由警察在平常或在特殊事件期间，援救队伍在灾难或事故期间，军队在战场上或在训练中，或用于构建用于住宅和商业网络接入的通信用途的无线接入区域。例如，在其它宽带接入技术缺乏、或连接起来太昂贵的居民区中，有可能使用这些ad hoc网络来构建使用短距离、低成本、无线设备的宽带接入。它也可以在商业区被使用，用于向企业或小公司提供宽带接入，或用于在所谓的热点的无线连接。热点的特征在于，它们取决于商业模式为付费顾客或免费顾客提供在某一区域内--例如在机场休息厅或在旅馆--的通信接入。

应当指出的是，虽然在优选实施例中使用链路状态监视器102，但这个功能也可以被合并到路由单元101中。

该路由协议是与所使用的无线电编码方案无关的，以及可以使用任何无线电类型。例如，可以提到在如下各项中的无线电标准：IEEE 802.11系列(例如IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g等)、IEEE802.15、IEEE 802.16、HiperLAN、HomeRF、蓝牙、IR(红外)、UWB(超宽带)、JTRS(联合战术无线电系统)、3G(第三代移动通信)、GPRS(通用分组无线电服务)、或EDGE(用于全球演进的增强数据速率)。然而，可能的无线电标准并不限于以上提到的标准。它可以是任何适用的基于电磁辐射的、在100kHz到100PHz频带内工作的传输方案；这包括：射频，微波频率，以及在红外、可见光和紫外区域中的频率。

用于解决业务量调度和ad hoc路由分集的并行的申请：

1.“ad hoc路由分集”

2.“ad hoc业务量调度”

由相同的发明人同时提交，以及在此引用以供参考。

还应当指出，虽然在优选实施例中举例说明了无线ad hoc网，但相同的概念可被应用于有线网或固定无线网。

尽管为了举例说明的目的而详细地描述了本发明，但应当明白，这样的细节仅仅用于这一目的，以及本领域技术人员可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在其中做出变化，除非它可能受到本权利要求的限制。

Claims (29)

1.一种用于在包括多个节点的无线通信网络中路由的方法，该方法包括以下步骤：

获取节点之间的链路状态信息；

用所获取的链路状态信息来更新路由单元，所述路由单元包括之前存储的链路状态信息，其特征在于，

按照预测性程序过程来确定路由，所述预测性程序过程基于衰落参数或变化速度参数来预测或推断存储在路由单元中的链路状态信息的近期状态；以及

按照所述确定的路由来路由业务。

2.按照权利要求1的方法，其中所述预测性程序过程包括反应式ad hoc路由协议。

3.按照权利要求1的方法，其中所述预测性程序过程包括先应式ad hoc路由协议。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中所述预测性程序过程包括反应式和先应式ad hoc路由协议的组合。

5.按照权利要求1的方法，其中所述获取步骤从对多普勒扩展、相干时间、平均衰落持续时间、信号强度、或信号-干扰噪声比的至少一项的测量中获取无线链路状态信息。

6.按照权利要求2的方法，其中所述反应式ad hoc路由协议的所述预测性程序过程包括从经修改的RREP、问候消息、应答或RERR消息中得到有关链路状态的信息的步骤。

7.按照权利要求3的方法，其中所述先应式ad hoc路由协议的所述预测性程序过程包括修改路由表的步骤，该路由表有一具有关于链路状态的信息的路由状态字段。

8.按照权利要求1的方法，其中所述链路状态信息包括网络中节点的能量状态。

9.按照权利要求1的方法，其中所述链路状态信息包括在网络中节点之间的NACK或ACK信号的数目。

10.按照权利要求1的方法，其中所述链路状态信息包括在网络中节点之间的通信中的误码的数目。

11.按照权利要求1的方法，其中所述链路状态信息包括有关网络中节点的所有权的信息。

12.按照权利要求1的方法，其中所述无线通信基于具有在100kHz到100PHz范围内频率的电磁辐射。

13.按照权利要求13的节点（800），其中所述无线通信是IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、HiperLAN、HomeRF、蓝牙、IR、UWB、JTRS、3G、GPRS、和EDGE中的一个或几个。

14.一种用于在多跳无线通信网络中路由的节点（800），所述节点包括：

链路质量获取装置（3001），用于从网络中的其它节点获取链路状态信息；

链路状态监视装置（102），用于将所述链路状态信息发送到路由装置，其中所述节点还包括路由装置，其特征在于，

所述路由装置（101）用于通过使用预测性程序过程按照所述链路质量信息来确定路由，所述预测性程序过程基于衰落参数或变化速度参数来预测或推断链路状态信息的近期状态，及

所述路由装置（101）按照所述确定的路由来路由业务。

15.按照权利要求14的节点（800），其特征在于，其中所述无线通信基于具有在100kHz到100PHz范围内频率的电磁辐射。

16.按照权利要求15的节点（800），其特征在于，所述无线通信是IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、HiperLAN、HomeRF、蓝牙、IR、UWB、JTRS、3G、GPRS、和EDGE中的一个或几个。

17.按照权利要求14的节点（800），其中所述预测性程序过程包括反应式ad hoc路由协议。

18.按照权利要求14的节点（800），其中所述预测性程序过程包括先应式ad hoc路由协议。

19.按照权利要求14的节点（800），其中所述预测性程序过程包括反应式和先应式ad hoc路由协议的组合。

20.按照权利要求15的节点（800），其特征在于，所述链路状态信息是通过对多普勒扩展、相干时间、平均衰落持续时间、信号强度、或信号-干扰噪声比的至少一项的测量而给出的无线电信道状态信息。

21.按照权利要求17或20的任一项的节点（800），其特征在于，所述反应式ad hoc路由协议的所述预测性程序过程从经修改的RREP、问候消息、应答或RERR消息中得到有关链路状态和无线电信道状态的信息。

22.按照权利要求18或20的任一项的节点（800），其特征在于，所述先应式ad hoc路由协议的所述预测性程序过程具有经修改的路由表，该路由表包含具有关于无线电链路状态的信息的路由状态字段。

23.按照权利要求14的节点（800），其中所述链路状态信息包括网络中节点的能量状态。

24.按照权利要求14的节点（800），其特征在于，所述链路状态信息包括在网络中节点之间的NACK或ACK信号的数目。

25.按照权利要求14的节点（800），其特征在于，所述链路状态信息包括在网络中节点之间的误码的数目。

26.按照权利要求14的节点（800），其特征在于，所述链路状态信息包括有关网络中节点的所有权的信息。

27.一种用于在包括多个网络节点的多跳无线通信网中路由的系统，其中所述多个网络节点中的至少一个节点是如权利要求14-26中任一项所述的节点。

28.一种用于控制多跳无线通信网络中路由的计算机程序，包括：

第一指令组，用于获取节点之间的链路状态信息，

其特征在于，所述计算机程序还包括：

第二指令组，用于在预测性程序过程中利用所获取的链路状态信息来确定路由，所述预测性程序过程基于衰落参数或变化速度参数来预测或推断存储在路由单元中的链路状态信息的近期状态；以及

第三指令组，用于按照所确定的路由来路由业务。

29.按照权利要求1的方法，其中还包括：在检测到数据分组的路由故障后，经由不同的路由重发所述数据分组，其中所述不同的路由是通过使用预测性程序过程利用所述无线网络中基础结构节点的链路状态信息来确定的，所述预测性程序过程基于衰落参数或变化速度参数来预测或推断存储在路由单元中的链路状态信息的近期状态。

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