CN1679359A - 多信道移动自组织网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多信道移动自组织网络。所述移动自组织网络(图1)，包括多个无线移动节点(S～N)以及经由多个信道而将所述多个节点(S～N)连接在一起的多个无线通信链路。该方法包括在多个信道中的每一个信道上发送一个路由请求(RREQ)，以便发现至目的地节点(N)的路由，并且对处于多个信道中的至少一个信道上的至目的地节点的路由进行选择。路由请求(RREQ)可以按顺序经由多个信道中的每一个信道发送，并且路由请求优选包含了一个源节点信道标识符。

Description

多信道移动自组织网络
技术领域
本发明涉及一种多信道移动自组织网络.
背景技术
无线网络中一个快速发展的领域是移动自组织(ad hoc)网络。在物理上，移动自组织网络包括很多在地理上分散并且通过一个或多个射频信道而以无线方式连接的可移动节点。与蜂窝网络或卫星网络等其他类型的网络相比，移动自组织网络的最大区别特征在于没有固定架构。网络仅仅由移动节点所组成，并且该网络是在节点与其他节点进行发送或接收操作的时候匆忙建立的。一般来说，这种网络不依赖于特定节点，并且会在某些节点加入或者其他节点离开网络的时候进行动态调整。
自组织网络可以快速部署并提供非常需要的通信。例如，自组织网络使人们只需打开计算机或PDA就能在野外或教室中交换数据，而不必使用除自身所创建网络之外的任何网络架构。
全新的移动自组织网络应用仍在继续显现并且成为通信架构中的一个非常重要的部分。由于没有固定架构，因此节点必须执行自组织操作并且必须在移动、加入或离开网络时进行重新配置。所有节点在功能上都大致相同，并且在网络中不存在任何固有层次或中心控制器。众多的网络控制功能是在节点之间分配的。而节点则通常是由电池供电并且只具有有限的通信和计算能力。此外，系统带宽通常是非常有限的。并且两个节点之间的距离往往会超出无线电传送范围，由此必须在到达其目的地之前由其他节点来中继所述传输。因此，该网络具有多跳拓扑结构，并且这种拓扑结构会在节点来回移动的时候发生变化。
Internet工程任务组(IETF)中的移动自组织网络(MANET)工作组已经对包括多播、协议在内的路由进行了有效评估，并且对其进行了标准化处理。由于网络拓扑结构会在节点移动时任意改变，因此信息将会变得过时，此外，不同节点通常会在时间(信息可能在某些节点过时，但在其他节点流行)和空间(节点可能只知道那些通常离自己很近的邻域中的网络拓扑结构)方面具有不同的网络视图。
路由协议需要适应于频繁的拓扑结构变化以及精确性很低的信息。由于存在这些独特的需要，因此与其他网络相比，这些网络中的路由与其他网络存在很大差别。用于收集整个网络的最新信息的操作往往费用很高并且非常不切实际。很多路由协议都是后应式(reactive)(按需)协议：它们只在必要时收集路由信息及其路由的目的地的信息，并且在某些时段之后，它们通常不会保持未曾使用的路由。这样一来，与任何时间都保持针对所有目的地的路由的先应式(pro-active)协议相比，路由开销将会大为减少。此外对协议而言，能够进行自适应也是非常重要。并且自组织按需距离矢量(AODV)、动态源路由(DSR)和临时排序路由算法(TORA)代表了MANET工作组所给出的按需路由协议。
其他不同的路由协议实例包括在授予Perkins的美国专利5,412,654中公开的目标排序距离矢量(DSDV)路由，以及在授予Haas的美国专利6,304,556中公开的区域路由协议(ZRP)。而ZRP则是一种同时使用了基于距源节点距离的先应式和后应式方法的混合协议。
这些常规路由协议都在选择从源节点到目的地节点的路由的过程中使用了尽力而为的方法。一般来说，跳数是这种尽力而为方法中的主要判据(量度)。换句话说，这其中将会选择跳数最小的路由作为传输路由。然而，移动自组织网络中的服务质量(QoS)路由同样得到了关注。为了提供服务质量，协议不但需要找出一条路由，而且还要确保沿着该路由的资源安全。由于共享和限制了网络带宽并且不具有可以顾及和控制这些有限资源的中央控制器，因此节点必须通过相互协商来管理QoS路由所需要的资源。然而，频繁的拓扑结构变化会进一步复杂化这种处理。由于存在这些约束，因此，与尽力而为的路由相比，QoS路由的要求更为苛刻。
同样，如所述，典型的自组织网络的带宽是很有限的。常规的移动自组织网络路由协议假设所有节点都永久处于同一信道上。这种单信道操作是带宽可用性中的一个因素。然而，虽然某些网络可以使用一条独立控制信道来减少传输信道上的开销，但是常规的移动自组织网络并未使用多条信道来传送分组数据。
发明内容
因此，鉴于上述背景内容，本发明的一个目的是提供一种有效使用多个信道的多信道移动自组织网络。
依照本发明的这个及其他目标、特征和优点是由一种用于在多个信道上操作移动自组织网络的方法提供的。该网络包括多个无线移动节点以及经由多个信道而将所述多个节点连接在一起的多条无线通信链路。该方法包括：在源节点，经由多个信道中的每一个信道来发送一个路由请求，以便发现至目的地节点的路由，以及对处于多个信道中至少一个信道上的至目的地节点的路由进行选择。其中所述路由请求可以在多个信道中的每一个信道上按顺序发送，并且路由请求优选地包含了一个源节点信道标识符。
同样，每一个中间节点都可以判定中间节点是否支持所请求的路由，以及如果支持的话，则将路由请求转发给其他中间节点中的一个节点以及目的地节点。并且中间节点会在多个信道上转发路由请求。而那些已经侦听过这个请求的节点则不会继续这种扩散。此外，非常优选的是，本方法还包括：当在目的地节点接收到路由请求的时候，向源节点产生关于每一个已发现路由的应答。优选地，向源节点产生关于每一个已发现路由的应答的处理包括反过来将应答沿着已发现路由回送到源节点。而源节点则沿着选定路由向目的地节点进行传输，其中所述选定路由可以跨越若干条信道。
在选择路由之前，源节点可以为每一个至目的地节点的已发现路由计算一个量度，以便为已发现路由划分优先级。该量度可以基于可用带宽、差错率、端到端延迟、端到端延迟变化、跳数、预期路径耐久性以及优先级中的至少一项。至目的地节点的选定路由可以包括多个信道中的一个或多个信道。换句话说，选定路由可以完全或者部分处于一个与源节点不同的信道上。
本发明的系统方面涉及的是一种多信道移动自组织网络，该网络包括多个移动节点以及经由多个信道而将所述多个移动节点连接在一起的多条无线通信链路。每一个移动节点包括一个经由无线通信链路而与所述多个节点中的其他节点进行无线通信的通信设备，以及一个对经由通信设备的通信进行路由的控制器。该控制器包括：一个路由发现单元，该单元经由多个信道中的每一个信道来传送路由请求，以便发现至目的地节点的路由，以及一个路由选择单元，该单元对处于多个信道中至少一个信道上的至目的地节点的路由进行选择。路由发现单元可以在多个信道中的每一个信道上按顺序发送路由请求，并且所述路由请求可以包括一个信道标识符。至目的地节点的选定路由可以包括多个信道中的一个以上的信道。
控制器还可以包括一个用于判定节点是否支持被请求路由，以及如果支持的话，则将路由请求转发给其他中间节点中的一个节点以及目的地节点的路由请求处理单元。另外，控制器还可以包括一个用于向源节点产生关于每一个已发现路由的路由应答的应答生成器。此外较为优选的是，向源节点产生关于每一个已发现路由的应答的处理包括反过来将应答沿着已发现路由回送到源节点。
控制器还可以包括一个沿着选定路由而向目的地节点进行传输的数据传输单元，以及一个为那些已发现路由划分优先级的路由优先级划分单元。此外，优先级划分还可以包括为每一个至目的地节点的已发现路由计算一个量度。该量度可以基于可用带宽、差错率、端到端延迟、端到端延迟变化、跳数、预期路径耐久性以及优先级中的至少一项。
附图说明
图1～5是依照本发明的多信道移动自组织网络的示意图。
图6是描述依照本发明的网络的节点路由器的示意图。
图7是描述图6中的路由器控制器细节的示意图。
图8是描述依照本发明而在移动自组织网络中执行的多信道路由方法步骤的流程图。
具体实施方式
以下将参考那些显示本发明优选实施例的附图来对本发明进行更全面的描述。然而，本发明还可以通过多种不同形式加以实施，并且不应该将本发明视为是局限于这里所阐述的实施例。与此相反，通过提供这些实施例，可以使本公开更为全面和完整，并且充分向本领域技术人员展示本发明的范围。在这里，相同的数字始终表示相同的部件，而在替换实施例中则使用了原始符号来表示相同部件。
本领域技术人员将会了解，本发明的某些部分是作为方法、数据处理系统或计算机程序产品实现的。相应地，本发明的这些部分既可以完全采用硬件实施例的形式，也可以完全采用软件实施例的形式，此外还可以采用组合了软件和硬件方面的实施例的形式。另外，本发明的某些部分可以是计算机可用存储介质上的计算机程序产品，其中在所述介质上具有计算机可读程序代码。并且在这里可以使用任何适当的计算机可读介质，其中包括但不局限于静态和动态存储设备、硬盘、光存储设备以及磁存储设备。
在下文中将参考依照本发明实施例的方法、系统以及计算机程序产品的流程图例示来对本发明进行描述。应该理解的是，例示的块和例示块的组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器，从而生产一种设备，以便由那些借助于计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令来实现一个或多个块中所规定的功能。
这些计算机程序指令也可以保存在计算机可读存储器中，其中该指令可以指示计算机或其他可编程数据处理设备以一种特定方式运作，由此计算机可读存储器中存储的指令将会产生一个制造物品，其中包含了用于实施一个或多个流程图块中规定的功能的指令。此外，计算机程序指令还可以加载到计算机或其他可编程数据处理设备中，以便在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤，从而产生一个由计算机执行的处理，这样一来，在计算机或其他可编程设备上执行的指令将会提供用于实现一个或多个流程图块中规定的功能的步骤。
在这里首先参考图1～5以及图8来描述一种用于在移动自组织网络20中判定从源节点到目的地节点的路由的方法。网络20包括多个移动节点30，其中包含了源节点S和目的地节点D，其间则具有中间节点A～C以及E～N。同样，在这个实例中，节点Y和Z不处于任何其他所述节点30的通信范围以内。本领域技术人员可以了解，节点30可以是膝上计算机、个人数字助理(PDA)或移动电话，并且是通过无线通信链路32相连的。与常规的移动自组织网络相反，通信链路32存在于多个信道上，其中举例来说，所述信道数量介于三到十个信道之间。
该方法开始执行(块100)，如图8中的块102所示，该方法包括经由多个信道发送一个来自源节点S的路由请求RREQ，以便发现至目的地节点D的路由。当前，源节点S并不知道目的地节点D通常所在的信道。在图1所示的实例中，源节点向中间节点A～C发送路由请求RREQ。其中源节点S和节点C通常处于第一信道上，而节点B则通常处于第二信道上，并且举例来说，节点A通常处于第三信道上。因此，源节点S在网络当前操作的所有现有信道上发送路由请求RREQ，以便在单跳中到达所有节点30。优选地，路由请求RREQ包含了一个表示源节点S所在信道的源节点信道标识符。
路由发现分别在各个信道上照常进行(图2)。每一个中间节点A、B和C都判定节点是否可以支持路由请求RREQ。如果节点不支持特定请求RREQ，则节点拒绝请求或者仅仅不转发该请求。然而举例来说，如果诸如节点A这样的节点可以支持特定请求RREQ，那么该节点会在所有信道上将路由请求RREQ转发到诸如节点H这样的其他中间节点，如果该请求涉及的是不同于尽力而为的业务量，则节点会为这个路由请求临时保留节点资源。对尽力而为的业务量而言，在这里没有必要保留任何资源。并且路由请求RREQ最终将会转发到目的地节点D。
如图3所示，一旦接收到路由请求RREQ，则目的地节点D会向源节点S产生一个应答RREP(块104)。然而如图4所示，目的地节点D可能已经从其他各种可能路由那里接收到了所转发的路由请求RREQ，其中包括S-A-H-J-D或S-B-G-K-D。并且在每一种情况中都会产生应答RREPQ。应答RREP包括从S到D的已发现路由，并且所述应答RREP将会沿着一个路由回送到源节点S，其中该路由是通过对附加在目的地节点D所接收的路由请求RREQ上的路由进行反转而得到的。在图3和图4所显示的实例中，如果节点D、J、H和A处于一个与源节点S不同的信道上，那么最后一跳A必须移动到与源节点S相同的信道上，并且将会发送带有其正常信道指示的应答RREP。RREP不但包含了沿着路由的节点列表，而且还包含了每一个节点所在的信道。
源节点S则缓存每一个已发现路由，其中包括至第一跳节点的信道。在块106，源节点S可以为至目的地节点D的每一个已发现路由计算一个量度，以便为已发现路由划分优先级。其中举例来说，该量度可以基于可用带宽、差错率、端到端延迟、端到端延迟偏差、跳数、预期信道耐久度以及优先级中的至少一项。至目的地节点的选定路由可以包括多个信道中的一个以上的信道。换句话说，选定路由可以完全或者部分处于与源节点不同的信道上。
此外，在块108，源节点S会基于路由量度来选择一个至目的地节点D的路由，其中较为优选的是，该节点是在选定路由上将路由确认CONFQ传送到中间节点的。该处理是对临时保留的选定路由上的资源使用进行确认。通过不在已发现但却未曾选择的路由上传送CONFQ，可以允许临时保留在这些路由上的其他资源超时。CONFQ的使用与用于业务量的资源使用的确认是关联的，它需要尽力而为的路由之外的QoS。用于尽力而为的路由发现不需要在每一个中间节点包含保留资源，一旦选择了该路由，那么在块110，消息/分组数据可以经由选定路由并通过恰当信道而从源节点S传送到目的地节点D，由此将会结束本方法(块112)。本领域技术人员将会了解，这里使用的“消息数据”旨在包含任何那些可以在移动自组织网络的节点之间发送的数据，其中包括(但不局限于)附加的路由请求/应答、视频数据、音频数据、字母数字数据等等。
本领域技术人员将会了解，所述方法可以应用于任何类型的按需或后应式路由协议，例如动态源路由(DSR)或自组织按需距离矢量(AODV)路由，此外所述方法还可以应用于任何混合先应式/后应式协议，例如区域路由协议(ZRP)。相似的方法可以与先应式路由协议结合使用，以便发现那些跨越了可能处于不同信道的节点的最佳路由。
所述过程很容易应用于DSR协议。常规的DSR消息类型RREQ、RREP、RRER是作为可选分组类型定义的，并且可被用作为常规协议操作所定义的消息类型，从而支持后向兼容模式中的“尽力而为”的业务量。此外，在这里还可以通过定义经过修改的可选分组类型来支持多信道路由。这些类型所需要的报头字段的定义直接以如上定义的功能为基础。并且在这里还可以包含用于任务数据的特定类型的源路由分组。
现在附加参考图6和7，其中将对本发明的系统方面进行描述。如先前所述，移动自组织网络20包括多个移动节点30以及将多个移动节点连接在一起的多条无线通信链路32。每一个移动节点30都包括一个路由器40(图6)，其中该路由器具有经由无线通信链路32而在多个信道上与其他节点进行单向或双向无线通信的通信设备42，此外所述移动节点还包括一个用于对经由通信设备42的通信进行路由的控制器44。另外，在这里还可以包含一个作为控制器44的一部分或者与控制器相连的存储器46。
如图7所示，控制器44包括一个路由发现单元50，该单元经由多个信道的每一个而传送路由请求RREQ，以便发现至目的地节点D的路由，此外，控制器44还包括一个路由选择单元52，用于选择处于多个信道中的至少一个信道上的至目的地节点的路由。路由发现单元50可以按顺序经由多个信道中的每一个信道来发送路由请求，并且路由请求可以包含一个信道标识符。而至目的地节点的选定路由则可以包括多个信道中的一个以上的信道。
控制器44还可以包括一个路由请求处理单元54，用于判定节点30是否可以支持所请求的路由，如果支持的话，则将路由请求RREQ转发到其他中间节点中的一个节点以及目的地节点D。此外，控制器44还可以包括一个应答生成器56，用于向源节点S产生关于每一个已发现路由的应答RREP。而且，较为优选的是，用于向源节点S产生每一个已发现路由的应答RREP的处理包括反过来将应答沿着已发现路由回送到源节点。
控制器44还可以包括一个数据传输单元58，用于沿着选定路由向目的地节点D发送一个消息/传输，并且包括一个路由优先级划分单元60，用于对已发现路由划分优先级。另外，划分优先级可以包括为至目的地节点的每一个已发现路由计算一个量度。该量度可以基于可用带宽、差错率、端到端延迟、端到端延迟偏差、跳数、预期路径耐久度以及优先级中的至少一项。
如在2002年4月29日由同一案卷申请人提交的共同待决申请10/134,862(律师案卷号51261)中所描述的那样，本发明可以通过在移动自组织网络中使用动态信道分配来有效使用多个信道，其中所述申请在此全部引入作为参考。与802.11a相类似的IEEE802.11派生物将会使用5GHz频带中的ISM频谱。在这个频带中存在着更多可以用于支持多个信道的带宽。这样一来，将信道自动分配给802.11节点的处理将是非常重要的。这种信道判定是以当前信道使用率以及其他信道的采样为基础的。使用动态信道选择可以提供更好的性能，因此频谱将会得到更均匀的使用。另外，信道的使用可以得到调节，由此可以为使用信道的当前站保持服务质量(QoS)。

Claims (8)

1.一种用于操作移动自组织网络的方法，其中该网络包括多个无线移动节点以及经由多个不同的无线信道而将所述多个节点连接在一起的多个无线通信链路，该方法包括：
在源节点，经由多个信道中的每一个信道来发送路由请求，以便发现至目的地节点的路由；
在每一个中间节点，判定中间节点是否支持所请求的路由，以及如果支持的话，则经由多个信道中的每一个信道而将路由请求转发到其他中间节点以及目的地节点；
在目的地节点，一旦接收到路由请求，则为向源节点产生关于每一个已发现路由的应答；
在源节点，对处于多个信道中的至少一个信道上的至目的地节点的路由进行选择；以及
在源节点，沿着选定路由来发送至目的地节点的传输。
2.根据权利要求1的方法，其中源节点按顺序经由多个信道中的每一个信道来发送路由请求。
3.根据权利要求1的方法，还包括：在源节点，为已发现路由划分优先级。
4.根据权利要求3的方法，其中划分优先级包括为每一个至目的地节点的已发现路由计算一个量度，其中该量度基于可用带宽、差错率、端到端延迟、端到端延迟偏差、跳数、预期路径耐久度以及优先级中的至少一项。
5.一种移动自组织网络，包括：
多个移动节点；以及
经由多个不同的无线信道而将所述多个移动节点连接在一起的多个无线通信链路；
每一个移动节点包括：
经由无线通信链路而与多个节点中的其他节点进行无线通信的通信设备；以及
对经由通信设备的通信进行路由的控制器，并且包括：
路由发现单元，用于在多个信道中的每一个信道上传送路由请求，以便发现至目的地节点的路由；以及
路由选择单元，用于对处于多个信道中的至少一个信道上的至目的地节点的路由进行选择。
6.根据权利要求5的移动自组织网络，其中控制器还包括一个路由请求处理单元，用于判定节点是否可以支持所请求的路由，以及如果支持的话，则向其他中间节点之一以及目的地节点转发路由请求。
7.根据权利要求5的移动自组织网络，其中控制器还包括一个路由优先级划分单元，用于为已发现路由划分优先级。
8.根据权利要求7的移动自组织网络，其中优先级划分单元为至目的地节点的每一个已发现路由计算一个量度，该量度基于可用带宽、差错率、端到端延迟、端到端延迟偏差、跳数、预期路径耐久度以及优先级中的至少一项。
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