CN1736041B - 在自组网络中中继信息的方法和设备 - Google Patents

Abstract

通过给那些用于中继目的的单元赋予优先级能够减轻电池消耗。该优先方案较之待用单元更倾向于活动发射单元。在另一个实施例中，那些使用实时服务的单元比使用非实时服务的活动单元优先级高。

Description

在自组网络中中继信息的方法和设备

技术领域

本发明总的来说涉及通信系统，更具体的，涉及用于在自组网络(ad-hoc network)中中继信息的方法和设备。

背景技术

通信系统可以使用自组联网来改进自身性能。如在专利合作条约下出版的，公开号是WO 00/54539、名称为“ROUTING IN A MULTI-STATION NETWORK”的国际申请中描述的，该申请在此结合作为参考，增加的覆盖可靠性以及增加的吞吐量在某种程度上得益于使用自组联网。在使用自组联网的蜂窝通信系统中，蜂窝手机被配置用于操作在蜂窝和自组网络两者之中。当用户不能直接访问蜂窝网络或他们发现像下面这样做更好时，他们通过自组网络访问蜂窝基础结构。使用专用(ad-hoc)空中接口，用户可以传送到其他用户，其它用户通过蜂窝空中接口转发(中继)该传输到基础结构。这样的系统显示在图1中。

如图所示，在区域101内的远程(或移动)单元102不能直接和基础结构设备106通信。通过使用自组联网，远程单元102和远程单元104通信(经专用空中接口103)。远程单元104然后经空中接口105中继该通信到基础结构106。

因为用作到其他移动站的中继的移动单元消耗自身的电池储备，如果电池功耗过大，通常用户不愿意被用作中继。这会妨碍蜂窝系统中自组联网的发展。因此，需要一种用于在自组网络中中继通信的方法和设备，其降低那些中继通信的远程单元的电池功耗量。

附图说明

图1是自组通信系统的框图。

图2是比较现有技术自组联网以及根据本发明优选实施例操作的自组网络的图。

图3是显示使用自组联网以降低平均电池功耗的通信系统的耗用电流的图。

图4是根据本发明优选实施例的移动单元的框图。

图5是显示根据本发明优选实施例的图2的移动单元操作的流程图。

具体实施方式

为说明在降低电池功耗量的自组网络中路由通信的需要，在此提供一种用于路由此类通信的方法和设备。根据本发明的优选实施例，通过赋予这些用于中继目的的单元优先级来减轻电池功耗。该优先化方案较之待用单元更倾向于活动的发射单元。在另一个实施例中，那些使用实时服务的单元优先于使用非实时服务的活动单元。如将在下面示出的，通过将活动的发射单元用作中继作为第一选择，将会大大降低网络的整体电池功耗。因此，通过避免经待用的单元中继，可以降低操作在该系统中的蜂窝手机的平均电流消耗。

本发明包括一种在自组网络中中继信息的方法。该方法包括步骤：识别多个能够用作中继装置的装置，并识别该多个装置的属性。根据这些属性，将可以产生最佳系统性能的装置确定为中继装置，并将其用于中继信息。

本发明另外还包括一种方法，该方法包括步骤：识别多个能够用作专用中继的装置，识别该多个装置中的哪一个是活动发射的，并将该活动发射的装置用作专用中继。

此外，本发明还包括一种设备，该设备包括用于识别多个能够用作专用中继的装置的逻辑电路，该电路还识别该多个装置中的哪一个是活动发射的，并选择该活动发射的装置用作专用中继。该设备还包括发射机，用于使用第一无线通信协议发送信息到该活动发射装置，使得该活动发射装置使用第二无线通信协议发射该信息到基础结构设备。

本发明还包括一种设备，该设备包括用于识别能够用作专用中继的多个装置、识别该多个识别的装置的多条属性、并根据识别的属性选择一个装置用作专用中继的逻辑电路，其中选择的装置使系统性能最大化。该设备还包括发射机，用于使用第一无线通信协议发送信息到所述装置，使得所述装置使用第二无线通信协议传送该信息到基础结构设备。

在说明根据本发明优选实施例的专用路由之前，提供以下文字和等式从而为使用本发明优选实施例限定必要的背景。

考虑蜂窝装置的平均活动电流消耗，该电流可用以下等式表示。

$+P_{\mathrm{act}\_\mathrm{relayed}}\·I_{\mathrm{act}\_\mathrm{relayed}}+---\left(1\right)$

$+\frac{P_{\mathrm{inactive}}}{P_{\mathrm{active}}}\·P_{\mathrm{inact}\_\mathrm{relaying}}\·I_{\mathrm{inact}\_\mathrm{relaying}}$

其中：

E[I]是给定蜂窝装置活动时的期望平均电流消耗。该平均值直接和蜂窝装置的谈话时间相关；

P_{act_relayed}是该装置由另一个装置中继的概率；

I_{act_relayed}是当被中继时的电流消耗；

P_{act_relaying}是活动装置中继来自另一个装置的消息的概率；

I_{act_relaying}是直接和基站通信并同时中继来自另一个蜂窝装置的消息的活动蜂窝装置的电流消耗；

I_direct是当该蜂窝装置直接和基站通信，不中继来自任何蜂窝装置的消息时消耗的电流；

P_inactive是给定装置在待用状态(即不承载任何来自其所有者的通信)的时间比例；

P_active是给定装置在活动状态的时间比例；

P_{inact_relaying}是当其处于待用状态时，给定蜂窝装置中继来自另一个装置的消息的概率；

I_{inact_relaying}是待用蜂窝装置中继来自另一个蜂窝装置的消息时耗用的电流；

代表待用中继在平均活动电流消耗中的影响。

使用以上表示，在本发明优选实施例中，当降低P_{inact_relaying}时，P_{act_relaying}随之增加。直观的，注意到已经处于活动的中继所需的额外电流消耗远远低于待用的单元所需的额外电流，该单元需要给其发射机供电以执行中继功能。因此，通过避免经待用单元中继，可以降低操作在该系统内的手机的平均电流消耗。另一种直观看出将活动发射机用作中继站的益处的方式是：假设小区内有20个活动用户。如果5个待用用户中继来自5个活动用户的通信，则实际存在25个蜂窝装置耗用电池资源。然而，如果这5个活动用户由另外5个活动用户中继，则消耗电池资源的蜂窝装置的数目还是20。

为提供避免经待用单元中继的定量测量，可以对经活动以及待用用户中继来评价等式(1)。为简化该模型，假设活动和待用用户在小区中均匀随机分布。

以下是I_direct、I_{act_relaying}、I_{act_relayed}和I_{inact_relaying}的采样平均值。

I_direct＝260mA

I_{act_relaying}＝375mA(中继一条消息)

I_{act_relayed}＝70mA

I_{inact_relaying}＝315mA(中继一条消息)

假定中继了N个用户，在现有技术中，当中继时同等考虑活动单元和待用单元，从而P_{act_relaying}和P_{inact_relaying}由下式给出。

其中P_inrange是N个用户之一能够联系到给定中继候选者的几率。

给定中继和被中继单元之间的最大距离(R_{max_BT})，该概率可近似为比率(R_{max_BT}/R_{max_3G})²，其中R_{max_3G}是小区半径。P_selected是给定中继候选者在所有其它中继候选者中被选定的几率。如果没有明确的通过活动用户中继，该概率大致为中继候选者数目的倒数，中继候选者的数目等于半径R_{max_BT}的圆周区域内待用和可用活动单元的数目。

然而，如果仅通过活动用户中继，则降低了P_{inact_relaying}，增加了P_{act_relaying}。P_{act_relaying}仍由上式给出，但P_selected是半径R_{max_BT}区域内活动中继候选者数目的倒数。P_{inact_relaying}由下式给出：

其中P_{no_act}代表没有活动的中继候选者可被用于服务寻求中继的给定用户的几率，它可由下式近似给出：

$P_{\mathrm{no}\_\mathrm{act}}={[1-{\left(\frac{R_{\max \_\mathrm{BT}}}{R_{\max \_3G}}\right)}^2]}^{N_{\mathrm{act}}},$

其中N_act是系统中活动中继候选者的数目。注意到上述公式意味着如果在半径R_{max_BT}区域内没有活动中继单元，才可以选择待用中继候选者。

使用上述公式，图2比较现有技术自组联网与根据本发明优选实施例操作的自组网络。更具体的，图2显示对于不同的P_relayed值以及几个R_{max_BT}/R_{max_3G}比率，平均电流耗用的降低百分比。该结果假设每平方公里21242个用户的平均用户密度，平均3％的活动用户。

该结果如所预料的显示出，当被中继的用户数目增加时，平均电流消耗降低。在语音用户、100米小区、每小区667个用户(20个活动的)、室内传播模型以及50％的用户寻求中继的情况中，计算机仿真显示平均电流消耗下降26％，这和分析近似相一致。

上述结果是考虑3％的活动用户。当活动用户的百分比增加时，该有益效果也增加。类似的，对于给定的活动用户比例当增加用户密度时，该有益效果也增加。

不仅当和现有技术比较时，降低了平均电流耗用，而且当和没有自组联网的蜂窝系统比较时，使用活动用户作为中继也允许降低平均电流消耗。图3显示对于不同R_{max_BT}/R_{max_3G}比率的有益效果。注意到，如果没有严格的将活动用户用作中继，自组联网的实施会使得平均电流消耗增加。使用允许R_{max_BT}/R_{max_3G}比率是0.3或更高的技术，和没有自组联网的蜂窝系统比较，使用活动用户作为中继实际上提供平均电流消耗的降低。下面显示的仿真结果也证实了分析预测，平均电流消耗降低13％(R_{max_BT}/R_{max_3G}＝0.4，50％用户寻求中继)。

图4是根据本发明优选实施例的移动单元400的框图。如图所示，移动单元400包括发射机401、接收机407、缓冲器405以及逻辑电路403。如上所述，发射机401和接收机407设计用于在蜂窝空中接口(例如GSM，CDMA，WCDMA...等)和专用(ad hoc)联网空中接口(例如蓝牙(BLUETOOTH)，802.11...等)上运行。本领域普通技术人员会认识到，通常蜂窝空中接口服务于大范围通信，而专用空中接口(使用专用无线通信协议)服务于小范围通信。

当远程单元400用作中继时，它使用专用空中接口连续接收来自另一个远程单元的传输409，并使用蜂窝空中接口经上行链路通信信号411中继(在经缓冲器405缓冲之前或之后)这些传输到基础结构设备。类似的，当远程单元400通过另一个远程或移动单元中继通信时，远程单元400通常经蜂窝空中接口接收下行链路通信，并经专用空中接口传输上行链路通信到另一个远程单元。

在操作中，逻辑单元403被用作通常是“备用”或低功耗模式的专用联网模块。逻辑单元403周期性的进入“查询模式”(例如BLUETOOTH查询扫描模式)。在查询模式中，移动单元通常相互共享有关它们用作中继的能力或它们需要被中继的信息。更具体的，对于使用BLUETOOTH标准的自组联网，移动单元会跳频发送查询到侦听这些查询的备用装置。当备用装置听到该查询时，它用自己的地址以及定时信息响应，从而允许将来的通信。在本发明优选实施例中，备用装置会提供关于该备用装置在蜂窝网络上是否是活动发射的以及其他属性的信息(例如(但不限于)，远程单元是否是A/C供电的，远程单元是否具有低电量储备等)。当完成时，查询移动站会识别出该移动站可通过专用接口用作中继装置的相邻装置的列表，以及这些移动站的属性。这些装置成为中继候选者。

如果移动站希望被中继，逻辑单元403在所有查询的候选者中选择中继。在本发明优选实施例中，逻辑单元对这些单元进行等级排序，从而选择会产生最佳系统性能的中继候选者，在此情况中包括对整体系统电池消耗具有最小影响的中继装置。更具体的，具有较低电池储备的那些单元被放在列表最底部，而那些用A/C供电的单元被放在列表顶部。此外，那些活动发射的单元较之待用单元被放在列表中较高位置。因此，根据本发明优选实施例，以如下顺序选择中继候选者：

1.选择A/C供电的单元。

2.选择具有已建立蜂窝连接的活动发射的单元。

3.选择具有较大电池储备的待用单元。

4.选择具有较低电池储备的单元。

在本发明进一步的实施例中，活动发射移动单元被进一步分类，使用实时服务的单元优先于不使用实时服务的单元。将那些不能容忍较多延迟(例如标准的语音传输)的传输识别为实时服务。将那些能够容忍较长延迟(例如网页浏览)的传输识别为非实时服务。在本发明优选实施例中，将那些使其发射机401总是激活或每秒钟激活多次、在相继的发射机激活之间时间间隔较短(例如标准的语音传输具有40％占空因数)的单元识别为使用实时服务的单元；而那些使用非实时服务的单元特征在于其发射机401在通信时间(例如网页浏览)的大部分中都是待用的，通信中的大多数都是从基础结构指向移动单元。因为寻求中继信息的远程单元对那些单元区分优先级来选择作为中继单元，所以大大降低了整体系统电池耗用。

在本发明进一步的实施例中，由于被选定作为中继的活动单元104的发射机在实时或非实时数据传输中具有待用周期，来自单元102的非实时数据可以在单元104内缓存，以和单元104内产生的数据同时传输，从而避免增加单元104的发射机激活，这就避免了增加平均电流功耗。因此，中继远程单元能够断续的发射内部产生的信息到第一网络，同时经第二网络接收来自远程单元的中继信息(外部产生的)。缓存该中继信息，直至确定内部产生的信息要被发射到第一网络的时刻，在该时刻将缓存的信息和内部产生的信息一起由该远程单元发射到第一网络。

在本发明进一步的实施例中，A/C供电的单元被分为永久或临时A/C供电单元。临时A/C供电单元的例子是在电池充电器托架内休眠的移动单元。当其位于托架内时，它是A/C供电单元。当从电池充电器托架内移开时，它是电池供电的。因此，本发明进一步建议较之临时A/C供电单元，优先选择永久A/C供电单元，因为临时A/C供电单元在中继操作中会变为电池供电单元，造成额外的电池消耗。

在本发明进一步的例子中，由活动发射的移动单元中继的连接数目也被用作确定中继单元的属性。

图5是显示根据本发明优选实施例的图4的远程单元操作的流程图。该逻辑流程从步骤501开始，其中远程单元400确定需要通过第二远程单元中继信息。对中继信息的需求可能是由于当被中继时允许任何用户从低电流消耗中获益，由于利用具有较好信道质量的中继等，尤其是由于没有与蜂窝系统通信的能力。

在步骤503，远程单元进入“查询模式”，查询所有的本地远程单元，以寻找潜在的中继装置。如上所述，在本发明的优选实施例中，该远程单元会确定所有中继候选者的属性或性能特征。更具体的，为该远程单元提供诸如中继候选者是否是A/C供电的、中继候选者是否具有到基础结构设备的已建立和活动的连接……等的信息。在步骤505，远程单元对潜在的候选者进行等级排序，并选择会产生最佳系统性能的远程单元。更具体的，选择那些因为中继目的对电池消耗具有最小影响的远程单元。如上所述，优先选择那些A/C供电的单元，随后选择具有到基础结构的活动连接的单元。在步骤507，通过选定的远程单元中继信息。

如上所述，通过如此赋予中继站以优先级，和没有自组联网的蜂窝系统相比，不仅降低电流耗用，而且使用活动用户作为中继还允许降低整个系统内的平均电流消耗。

虽然具体显示并参考特定实施例描述了本发明，本领域技术人员应当理解，可做出形式和细节上的多种改变而不背离本发明的精神和范围。例如，期望在此提供的有益效果还可用于多于一个中继的情形。此外，虽然上述说明是关于在蜂窝通信系统内的中继给出的，本领域普通技术人员应当认识到，上述的中继可在其它类型的通信系统中出现。期望此种改变在下面的权利要求的范围之内。

Claims (6)

1.一种用于在自组网络中中继信息的方法，该方法包括：

识别能够用作中继装置的多个装置；

识别所述多个装置的属性，所述属性选自包含下述属性的组：每一装置是否是A/C供电的、每一装置是否具有较大电池储备、每一装置是否是活动通信的、以及每一装置是否使用实时服务；

基于所述属性，从所述多个装置选择装置；以及

使用所述选择的装置用于中继信息。

2.如权利要求1所述的方法，其中，使用所述选择的装置用于中继信息包括：使用第一无线通信协议发送信息到所述选择的装置，使得所述选择的装置使用第二无线通信协议发射所述信息到基础结构设备。

3.一种用于在自组网络中中继信息的设备，包括：

逻辑电路，用于识别能够用作自组中继装置的多个装置，用于识别所述多个识别的装置的属性，所述属性选自包含下述属性的组：每一装置是否是A/C供电的、每一装置是否具有较大电池储备、每一装置是否是活动通信的、以及每一装置是否使用实时服务，以及用于根据所述识别的属性从所述多个装置选择一个装置；以及

发射机，用于使用第一无线通信协议发送信息到所述选择的装置，使得所述选择的装置使用第二无线通信协议发射所述信息到基础结构设备。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述逻辑电路包括专用联网模块。

5.如权利要求3所述的设备，其中，所述第一无线通信协议包括专用无线通信协议。

6.如权利要求3所述的设备，其中，所述第一无线通信协议包括专用无线通信协议，所述第二无线通信协议包括蜂窝无线通信协议。

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