CN1757204A - 基于网络拓扑和对等体响应的无线性能优化 - Google Patents

基于网络拓扑和对等体响应的无线性能优化 Download PDF

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Abstract

在节点(N)进入新环境时，该节点随后将会周期性地发起网络学习协议，其中节点将会以特定功率设定来广播查询并且从其他每一个收到该查询的节点(A～F)接收响应。然后，该节点调整其功率设定、重新发送查询并且再次接收针对该查询的响应。这个处理将会反复进行，直至节点在整个功率设定范围中都发送了查询。在这个处理过程中，节点将会记录在各个功率设定上哪些其它节点响应该查询。每一个节点开始响应的功率设定转变点定义了每个节点与查询节点之间的电子距离或范围。随后，查询节点使用每一个节点的距离来确定用于与各个节点进行通信的功率设定。

Description

基于网络拓扑和对等体响应的无线性能优化
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种根据在节点之间通信所需要的功率电平来确定节点在网络中的相对位置的系统和方法。
通过了解每一个节点在网络中的相对物理位置，可以提高通信效率。可以通过使用实施每一次通信所需要的最小功率电平来减小每一个节点耗费的功率。同样，在任何可行的时候都可以通过降低各个节点的功率输出来减少节点间的干扰。
对具有固定拓扑的网络来说，它们被配置成基于节点间的已知距离在节点设定与特定节点进行通信的功率电平，以便进行有效通信。对于具有未知拓扑的网络、其中包括具有动态成员和拓扑的自组织网络(ad-hoc network)，它们需要动态手段来确定节点间的距离和/或确定两个或多个网络节点间的最佳传输电平。
除了提供通信效率之外，通过了解各个节点在物理环境中的相互距离，还能使那些依赖于位置的特定应用更易于使用。例如，很多家庭自动化应用和安全应用都包含了基于特定设备邻近程度的特征和算法，例如用户标识符与某个设备的邻近程度、确定两个设备处于相同房间等等。同样，通过将基于特定设备邻近程度的控制和功能耦合在一起，还可以改善网络的利用和管理。
在2002年4月18日公布的美国专利申请2002/0044533A1中提出了一种基于方向的拓扑控制系统，在该系统中，消息是根据需要而以节点-节点方式从源节点中继到目的地节点的，并且该申请在此引入作为参考。为了确保所有节点都能借助这种中继/多跳技术到达所有其他节点，每一个节点的发射功率都是逐步增大的，直至其传输半径在一组发射锥角的每一个锥角范围中包含至少一个节点，其中所述发射锥角构成了一个围绕在该节点周围的圆周。如所引用申请中描述的那样，如果发射锥角不到150度，则可以确保所有节点之间的连接性。虽然这种方案减少了各个节点需要的发射功率，但是必须对每一个节点进行配置，使之提供所需要的中继功能，此外，每一个节点必须包含一组定向接收天线。
在Agarwal等人发表于Proceedings of PMRC 2001，San Diego的“Distributed Power Control in Ad-hoc Wireless Networks”中教导了一种用于确定节点之间所需要的发射功率的方法，其中每一个节点为每一个其它节点所使用的功率电平是基于来自每一个其他节点的报告接收功率电平确定的。当源节点向目的地节点进行传送时，目的地节点就所述传送的接收进行确认，并且该确认包含了一个相对接收功率电平。源节点使用这个报告接收功率电平来调整发射功率，以便对这个目的地节点执行后续传输。每一个节点都维护了一个报告接收功率电平以及与之通信的各个其他节点的已确定发射功率电平的表。针对每一个节点的发射功率是以最大传输电平初始化的，并且是响应于报告接收功率电平而减小的。如果随后没有对传输做出确认，那么针对这个已定址节点的发射功率电平将会增大，直至接收到确认或是到再次达到最大功率电平为止。
在Agarwal等人教导的技术中，每一个节点必须被配置成测量并报告接收功率电平，并且在通信协议中必须包括一种将接收功率电平连同传输确认一起传递的手段。
本发明的一个目的是提供一种无需实质修改或是增强现有传输系统的性能优化方法和系统。本发明的另一个目的是提供一种适用于节点的节点优化处理，其中所述处理基本上独立于网络中其他节点的优化处理。本发明的另一个目的是基于每一个节点相对于网络中其他节点的位置的确定来优化网络内部节点的性能。
这些和其他目的是基于到达每一个节点所需要的发射功率并通过确定每一个节点相对于指定节点的位置来实现的。在节点进入新环境时，该节点随后将会周期性发起网络学习协议，其中节点以特定功率设定来广播查询并且从其他每一个收到查询的节点接收响应。然后，节点调整其功率设定、重新发送查询并且再次接收针对该查询的响应。这个处理将会反复进行，直至节点在整个功率设定范围中都发送了查询。在这个处理过程中，节点将会记录在各个功率设定上哪些其它节点响应该查询。每一个节点开始响应的功率设定的转变点定义了每一个节点与查询节点之间的电子距离或范围。随后，查询节点使用每一个节点的转变点来确定用于与各个节点进行通信的功率设定。可选地，查询节点还可以确定其他每一个节点的能力和功能，并且还通过确定用于与远端节点进行通信的替换路由方案来使用该信息优化性能，其中所述通信通常需要很高的功率设定。此外，可选地，控制节点还可以被配置成从多个节点收集距离信息，以便确定节点在网络中的二维物理拓扑。
图1描述的是依照本发明而在物理分布节点的网络中实施的测距(ranging)处理的例示框图。
图2描述的是依照本发明而在物理分布节点的网络中实施的测距处理的例示流程图。
图3描述的是依照本发明并且有助于进一步优化节点性能的路由确定处理的例示流程图。
图4描述的是依照本发明的节点的例示框图。
在所有这些附图中，相同的参考数字表示相同的部件或者实际执行相同功能的部件。
图1描述的是依照本发明而在物理分布的节点的网络中实施的测距处理的例示框图。节点N通过在一系列发射功率电平T1～T5中的各个电平上发射查询并且记录在每一个功率电平哪些节点A～F做出响应，由此确定其与网络中其他每一个节点A～F的相对电子距离或范围。
图2描述的是本发明的测距处理的例示流程图。在节点N上维护了一个传送表，它指示的是其他每一个节点A～F做出响应的最小功率电平。在图2中的210将会清除这个表。在循环220～290内部，节点N按照顺序逐步经过一组功率电平T1～TN中的每一个电平。图2中的处理描述的是从最小到最大功率电平的例示顺序处理，但是根据本公开，本领域技术人员也可以想到使用其他替换顺序。
在230，节点B将其发射功率设定成当前顺序值Tx，并且在240中以这个功率电平来发射查询。该查询可以是任何其他节点预期将会答复的常规广播。循环250～280对接收到的各个响应进行处理。在260，节点N确定响应节点是否是新近发现的。如上所述，由于在一开始清除了传送表，因此任何响应节点都是新发现的节点，在270，每一个响应节点都是在当前功率电平Tx输入传送表的。其后将会在后续功率电平上检查传送表，以便确定是否已经将每个响应节点输入传送表。在260中，如果尚未将节点输入该表，则在270中将其输入；否则跳过步骤270。在逐步经过了所有功率电平之后，处于节点N的范围以内的所有节点都被输入到了传送表中。以下例示了一个与图1所述网络相对应的样本传送表。
  功率   节点
  T1
  T2   A   F
  T3   C
  T4   D   B
  T5   E
随后，节点N使用这个传送表来为与每一个节点A～F的通信确定优选功率电平。在优选实施例中，优选功率电平略微大于用以创建传送表的功率电平，以便为通信提供一定程度的健壮性。可选地，如果网络是动态的，那么节点N可以被配置成周期性重复上述节点发现和定位处理，以便更新传送表。
对本领域普通技术人员来说，很明显，传送表中的条目可以与各个节点的其他特性相关联，例如每一个节点的MAC地址、IP地址、发射/接收频率和信道、能力、协议等等。此外，在优选实施例中还保存了各个节点的先前位置或范围，由此简化了那些依赖于位置、速度等因素变化的应用。另外，在这里还可以确定每一个已发现节点的其他特征，并且将其与每一个节点相关联，以供后续使用，举例来说，所述特征可以是来自各个节点的对查询所做出的接收响应的功率电平。举个例子，来自节点的接收消息功率电平变化可以指示节点的相对位置变化，并且可用于触发节点发现和定位处理的反复执行，由此对传送表进行更新。
应该指出的是，上述处理可以用于任何那些具有可控输出功率电平的节点，无论网络中其他任何节点是否以相似方式配置，所述处理都是适用的。也就是说，在节点中执行的本发明的处理实施例与现有常规网络节点以及现有常规网络协议兼容。
实际上，上述传送表所提供的是各个节点A～F到节点N的一维相对位置(范围)。可选地，在这里可以对控制节点进行配置，使之从网络中的多个节点接收传送表的归一化版本，并且可以通过使用常规位置确定处理而从所述传送表的归一化版本中确定网络的二维拓扑(范围和方向)。对传送表所进行的归一化处理会将每个节点的每个发射电平T1～T5映射到一个公用的范围基准上。随后，二维拓扑可用于启用那些依赖于节点间的二维关系的应用，例如安全系统、家庭自动化系统等等。
依照本发明的另一个可选方面，通过进一步优化节点N的性能，以使用功率效率最高的手段而将消息传递到各个节点。在这个实施例中，节点N对每一个已发现节点A～F进行查询，以便确定每一个节点的能力。如本领域中常见的那样，通过对某些或所有节点A～F进行配置，有助于将消息中继或是路由到网络中的其他节点。如果节点N可以通过一个经由较近节点的消息路由而将消息发送到远端节点，那么可以将节点N设定为这个较近节点的较低功率，从而节约电力。
在优选实施例中，连至每一个节点的优选消息路由是在发现了各个节点的能力之后确定的，这些路由将会保存在路由表中，以供后续使用。图3描述的是依照本发明这个方面并有助于进一步优化节点N的可选路由确定处理的例示流程图。循环310～390将会确定用于将消息路由到网络各个节点的最佳方案。在默认情况下，在320，连至各个节点K的路由都会经过一个连至节点K的直接链路，其中当节点N具有传送到节点K的消息时，它会使用上述传送表来确定合适的发射功率电平，以便直接将其传递到节点K，在下文中，所述发射功率电平也称为Tx(K)。
循环330～370将会确定是否还有另一个节点M可用来将消息传递到节点K。这个循环被配置成检查每一个比将消息直接传递到节点K所需要的功率电平Tx(K)更低的发射功率电平Tx。对本领域普通技术人员来说，明显可以确定的是，如果只节省一个或两个功率电平，那么与直接将消息传递到节点K相比，消息中继的效率并不高，此外，在330可以对控制循环上限进行相应调整。
如果以最低功率电平开始，那么在350，检查每一个节点在这个功率电平上的能力，以确定节点是否有能力将消息路由到节点K。如果节点M具有这种能力，则在380调整节点K的路由R(K)，以便指示针对节点K的消息是经由节点M路由的，并且针对连至该节点的替换路由所进行的搜索(循环330～370)将会终止，在390，用于下一个节点的优选路由将会开始。其后，针对各个节点的消息都是在优选路由节点的已确定功率电平上经由为该节点确定的优选路由节点来进行路由选择的。
上述路由方案基于网络的一维(范围)拓扑。如上所述，在这里可以将来自多个节点的距离信息提供给中心控制器，以便简化网络的二维拓扑。基于这种二维拓扑，可以选择替换路由路径，从而对更为完全的网络性能因素进行优化，例如在所有节点中将来自节点A的消息经由每一条替换路由路径传递到节点B所耗费的总功率，而不是对在特定节点上耗费的功率进行优化。此外，这种集中控制还可以基于中间节点的可能或实际拥塞等信息来动态改变优选路由路径。本领域普通技术人员还可以想到其他那些基于一维和二维拓扑判定的可能优化方案。
图4描述的是依照本发明的节点400的例示框图。如以上在图2中详细描述的那样，控制器450在一系列发射电平中的每一个电平上传送来自收发信机420的查询，并且检测来自其他节点的响应，由此创建传送表440。可选地，如以上在图3中详细描述的那样，控制器450还可以创建路由表430。
格式器410对后续消息进行格式化，以便将其传送到指定目的地，可选地，所述格式化为指定消息目的地使用在路由表430中提供的优选路由。经过格式化的消息将会转发到收发信机420，并且控制器450将会基于目的地节点或是来自可选路由表430的优选路由节点而从传送表440中选择适于收发信机420的功率电平。
以上仅仅描述了本发明的原理。由此应该了解，本领域技术人员能够设计出不同的方案，虽然在这里没有明确描述或显示这些方案，但是这些方案实施的是本发明的原理，由此将会落入下列权利要求的实质和范围以内。

Claims (16)

1.一种促进网络中节点(N，A～F)之间的通信的方法，包括：按顺序从网络中的(N)以多个发射功率电平(T1～T5)中的每一个功率电平来发射(220～290)查询，在第一节点(N)以多个发射功率电平(T1～T5)中的每一个功率电平来接收(250)来自网络中的一个或多个其他节点(A～F)的响应，以及确定(260-270)网络中的一个或多个其他节点(A～F)中每一个用以提供响应的多个发射功率电平(T1～T5)中的最低发射功率电平，由此确定一个或多个其他节点(A～F)中的每一个节点与第一节点(N)之间的距离。
2.权利要求1的方法，还包括在第一节点(N)调整发射电平，以便基于一个或多个其它节点(A～F)中的第二节点与第一节点(N)的距离来促进到第二节点的后续通信。
3.权利要求2的方法，其中，发射电平高于第二节点用以提供响应的最低发射功率电平。
4.权利要求1的方法，还包括确定(310-390)从第一节点(N)经由第三节点(M)到第二节点(K)的路由路径(R(K))，其中所述第三节点(M)与第一节点(N)的距离小于第二节点与第一节点(N)距离。
5.权利要求4的方法，还包括在第一节点(N)上基于第三节点(M)与第一节点(N)之间的距离来调整发射电平，由此促进从第一节点(N)经由路由路径(R(K))到第二节点(K)的后续通信。
6.权利要求5的方法，其中，发射电平高于第三节点(K)用以提供响应的最低发射功率电平。
7.权利要求1的方法，还包括向控制器提供一个或多个其他节点(A～F)中的每一个节点的距离，以便促进对从第一节点(N)到一个或多个其他节点(A～F)中的每一个节点的相对方向的进一步确定。
8.权利要求1的方法，还包括自动重复该方法，以便确定从第一节点(N)到一个或多个其他节点(A～F)中的每一个节点的距离变化。
9.一种用于在网络内部进行通信的节点(400)，包括：控制器(450)，发射功率可控的收发信机(420)以及对用于与网络中的一个或多个其他节点(A～F)通信的最小功率设定进行识别的传送表(440)，其中，控制器(450)通过如下操作促进传送表(440)的创建：对收发信机(420)的发射功率进行控制(230)，使之达到一系列发射功率电平(T1～T5)中的每一个功率电平，在这一系列发射功率电平(T1～T5)中的每一个电平上发射(240)查询，从网络中的一个或多个其他节点(A～F)接收针对该查询的响应(250)，并且根据该响应来确定(260-270)与网络中的一个或多个其他节点(A～F)中的每一个进行通信所需要的最小功率电平。
10.权利要求9的节点，其中控制器(450)被配置成控制收发信机的发射功率(420)，以便根据传送表(440)中与网络中一个或多个其他节点(A～F)中的选定节点相对应的条目来与这个选定节点进行后续通信。
11.权利要求10的节点，其中发射功率高于创建传送表(440)时选定节点用以提供响应的最低发射功率。
12.权利要求9的节点，还包括路由表(430)，其中控制器(450)还被配置成通过确定(310-390)节点到网络中的一个或多个其他节点(A～F)中的每一个节点(K)的优选路由路径来促进路由表(430)的创建，其中所述确定是根据连至一个或多个其他节点(A～F)中的每一个(K)的替换路由路径(R(K))上与第一节点(M)进行通信所需要的最小功率电平做出的。
13.权利要求12的节点，其中控制器(450)被配置成根据传送表(440)中的条目对收发信机(420)的发射功率进行控制，以便与网络中的一个或多个其他节点(A～F)中的选定节点(K)进行后续通信，其中该条目与路由表(430)中对应于选定节点(K)的条目(R(K))是对应的。
14.权利要求13的节点，其中发射功率高于创建传送表(440)时与传送表(440)中对应于条目(R(K))的最低发射功率电平。
15.权利要求9的节点，其中控制器(450)还被配置成将对应于传送表(440)的信息传递到网络中的另一个节点，以便促进从该节点到一个或多个其他节点(A～F)中的每一个节点的相对距离和方向的确定。
16.权利要求9的节点，其中控制器(450)还被配置成接收与网络中的一个或多个其他节点(A～F)的其他传送表相对应的信息，以便促进从该节点到一个或多个其他节点(A～F)中的每一个节点的相对距离和方向的确定。
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