DE112006003086B4

DE112006003086B4 - System und Verfahren zum Ausführen einer Topologiesteuerung in einem drahtlosen Netz

Info

Publication number: DE112006003086B4
Application number: DE112006003086.8T
Authority: DE
Inventors: Guenael Strutt; Sebnem Z. Ozer; Shyamal Ramachandran
Original assignee: Mesh-Networks Inc
Current assignee: Arris Enterprises LLC
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2026-10-11
Also published as: KR20080075154A; US20070115829A1; DE112006003086T5; WO2007055856A1; KR101018141B1; US8068428B2

Abstract

Verfahren zum Erhöhen einer Netzkapazität einer Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten, wobei das Verfahren ein Betreiben jedes Knotens aus der Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten umfasst zum:
Anpassen einer Sendeleistung einer Senders innerhalb des Knotens, um eine wirksame Kommunikation mit jedem anderen Knoten aus der Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten zu ermöglichen, durch den er Informationen sendet; und
Auswählen eines oder mehrerer Knoten aus der Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten, durch die der Knoten Informationen sendet, zumindest teilweise basierend auf einer Gesamtpfadmetrik, wobei die Gesamtpfadmetrik berechnet wird unter Verwendung eines Einflusses des Knotens auf eine Kommunikation des einen oder der mehreren anderen Knoten und eines Einflusses des einen oder der mehreren anderen Knoten auf eine Kommunikation des Knotens.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf drahtlose Kommunikationsnetze und insbesondere auf ein System und Verfahren zum Ausführen einer Topologiesteuerung in einem drahtlosen Netz, indem Verbindungskosten berechnet werden und Routing-Entscheidungen und Übertragungsleistungsanpassungen auf Basis der berechneten Verbindungskosten vorgenommen werden.
Hintergrund
In den letzten Jahren wurde ein Typ von Mobilkommunikationsnetz entwickelt, das als ein ”Ad-hoc”-Netz bekannt ist. Bei diesem Typ Netz ist jeder mobile Knoten im Stande, als eine Basisstation oder ein Router für die anderen mobilen Knoten zu agieren, so dass die Notwendigkeit einer festen Infrastruktur von Basisstationen eliminiert wird. Wie es sich für einen Fachmann versteht, übertragen und empfangen Netzknoten Datenpaketkommunikationen in einem Multiplexformat, wie z. B. einem Format mit Mehrfachzugriff im Zeitmultiplex (engl. Time-Division Multiple Access – TDMA), einem Format mit Mehrfachzugriff im Codemultiplex (Code-Division Multiple Access – CDMA) oder einem Format mit Mehrfachzugriff im Frequenzmultiplex (Frequency-Division Multiple Access – FDMA), wodurch es einem einzelnen Transceiver in einem ersten Knoten ermöglicht wird, mit etlichen anderen Knoten in seinem Versorgungsbereich gleichzeitig zu kommunizieren. Die US 2002/0013856 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung verschiedener Aufwandsmetriken für das Routen in einem Computernetzwerk. Die US 6,735,448 B1 betrifft die Energieverwaltung im Kontext eines drahtlosen Ad-hoc-Netzwerks. A. Muquattash et al., ”A Distributed Transmission Power Control Protocol for Mobile Ad Hoc Networks”, IEEE Transactions an Mobile Computing, Vol. 3, No. 2, April – June 2004, p. 113–– 128 beschreibt eine umfassende Lösung zur Leistungsregelung in mobilen Ad-hoc-Netzwerken.
Es werden auch differenziertere Ad-hoc-Netze entwickelt, die zusätzlich dazu, dass sie es, wie in einem herkömmlichen Ad-hoc-Netz, mobilen Knoten ermöglichen, miteinander zu kommunizieren, den mobilen Knoten darüber hinaus ermöglichen, auf ein festes Netz zuzugreifen und auf diese Weise mit anderen mobilen Knoten, wie z. B. jenen im öffentlichen Telefonnetz (Public Switched Telephone Network – PSTN) und in anderen Netzen, wie z. B. dem Internet, zu kommunizieren. Einzelheiten zu diesen hoch entwickelten Typen von Ad-hoc-Netzen werden in der U.S.-Patentanmeldung US 2002/0058502 A1 mit dem Titel ”Ad Hoc Peer-to-Peer Mobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and Cellular Networks”, die am 29. Juni 2001 eingereicht wurde, in der U.S.-Patentanmeldung US 2002/0080750 A1 mit dem Titel ”Time Division Protocol for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer Radio Network Having Coordinating Channel Access to Shared Parallel Data Channels with Separate Reservation Channel”, eingereicht am 22. März 2001, nun U.S.-Patent Nummer 6,807,165 , und in der U.S.-Patentanmeldung US 2002/0090949 A1 mit dem Titel ”Prioritized-Routing for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer, Mobile Radio Access System”, eingereicht am 22. März 2001, jetzt U.S.-Patent Nummer 6,873,839 , beschrieben, wobei hier der gesamte Inhalt von jedem durch Literaturhinweis umfasst wird.
Eine Topologiesteuerung, wie man sie in der Technik versteht, wird ausgeführt, um es einem Knoten zu ermöglichen, benachbarte Knoten für ein Routing von Paketen so zu selektieren, dass eine Kommunikation optimiert wird. Eine Topologiesteuerung umfasst gewöhnlich die Operation zum Anpassen der Übertragungsleistung von Knoten in einem drahtlosen Multi-Hop-Netz, um eine gewünschte Topologie zu erzeugen. In den meisten Topologiesteuerungsschemata ermittelt jeder Knoten seine Übertragungsleistung auf eine verteilte Weise, indem zum Beispiel seine Sendeleistung basierend auf der Anzahl seiner Nachbarn (d. h. dem ”Node Degree” – dt. ”Knotengrad”) angepasst wird.
Eine Einschränkung bei einer Topologiesteuerung ist, dass sie die Konnektivität des Netzes nicht beeinträchtigen sollte, wohingegen das Ausführen einer Topologiesteuerung einen doppelten Vorteil hat. Erstens ermöglicht es eine Topologiesteuerung, dass Knoten in einem drahtlosen Netz durch ein Reduzieren ihrer Übertragungsleistung Energie sparen. Und zweitens verbessert eine Topologiesteuerung auf Grund des Potentials für mehr gleichzeitige Übertragungen bei weniger Interferenz die Netzkapazität eines Netzes. Der letztere Vorteil könnte allerdings zu einem Preis geschehen, da bei geringerem Übertragungsbereich mehr Zwischenhops für einen End-to-End-Flow erforderlich sein könnten.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Begleitfiguren, in denen sich in den ganzen individuellen Ansichten ähnliche Verweisziffern auf identische oder in funktioneller Hinsicht ähnliche Elemente beziehen, und die zusammen mit der ausführlichen Beschreibung unten in der Spezifikation umfasst sind und zu ihr gehören, dienen dazu, unterschiedliche Ausführungsformen zusätzlich zu veranschaulichen und verschiedene Prinzipien und Vorteile alle gemäß der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
1 ist ein Flussdiagramm für ein beispielhaftes drahtloses Ad-hoc-Kommunikationsnetz, das eine Mehrzahl von Knoten unter Verwendung eines Systems und Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen in dem in 1 dargestellten Netz verwendeten mobilen Knoten darstellt;
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für Operationen eines Sendeleistungsselektionsprozesses darstellt, der von einem Topologiesteuerungsprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
4 ist ein Netztopologiediagramm, das ein Beispiel für eine Kommunikation zwischen Knoten des in 1 dargestellten Netzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist ein Verkehrskonfigurationsdiagramm auf Basis des in 4 dargestellten Netztopologiediagramms;
6 ist ein Netztopologiediagramm, das ein Beispiel für Kommunikationsflusspfade zwischen Knoten des in 1 dargestellten Netzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
7 ist ein Netztopologiediagramm, das ein Beispiel für Kommunikationsflusspfade zwischen Knoten des in 1 dargestellten Netzes darstellt, um den Wert des Durchsatzes der Flüsse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erhöhen.
Es versteht sich für einen ausgebildeten Fachmann, dass Elemente in den Figuren der Einfachheit und Klarheit halber dargestellt werden und nicht zwangsläufig maßstabsgerecht gezeichnet worden sind. Die Maße einiger der Elemente in den Figuren können zum Beispiel bezüglicher anderer Elemente übertrieben sein, um ein Verständnis für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessern zu helfen.
Ausführliche Beschreibung
Bevor Ausführungsformen, die der vorliegenden Erfindung entsprechen, ausführlich beschrieben werden, sollte beachtet werden, dass die Ausführungsformen im Wesentlichen in Kombinationen aus Verfahrensschritten und Systemkomponenten liegen, die sich auf ein System und Verfahren zum Ausführen einer Topologiesteuerung in einem drahtlosen Netz beziehen. Demgemäß sind die Systemkomponenten und Verfahrensschritte, wo angemessen, in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt worden, wobei nur diejenigen spezifischen Details dargestellt werden, die für ein Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relevant sind, um die Offenbarung nicht durch Einzelheiten unverständlich zu machen, die einem ordentlichen Fachmann, der den Vorteil der Beschreibung hier besitzt, leicht ersichtlich sind.
In diesem Dokument können relationale Ausdrücke, wie z. B. erster und zweiter, oben und unten u. Ä. lediglich verwendet werden, um eine Entität oder Aktion von einer anderen Entität oder Aktion zu unterscheiden, ohne dass zwangsläufig irgendeine tatsächliche solche Relation oder Ordnung zwischen solchen Entitäten oder Aktionen vorausgesetzt oder impliziert wird. Die Ausdrücke ”umfasst”, ”umfassend” oder jegliche weitere Variante davon sind dazu gedacht, eine nicht ausschließliche Angabe zu umfassen, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Gegenstand oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfassen, nicht nur diejenigen Elemente umfasst, sondern weitere Elemente umfassen kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt oder einem solchen Prozess, Verfahren, Gegenstand oder Vorrichtung immanent sind. Ein Element, das durch ”umfasst ...ein” ausgeführt wird, schließt das Vorhandensein weiterer identischer Elemente in dem Prozess, dem Verfahren, dem Gegenstand oder der Vorrichtung, die das Element umfassen, nicht ohne weitere Einschränkungen aus.
Es versteht sich, dass Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung aus einem oder mehreren herkömmlichen Prozessoren und eindeutigen gespeicherten Programmbefehlen, die den einen oder die mehreren Prozessoren steuern, bestehen können, um in Verbindung mit gewissen Nichtprozessorschaltungen einige, die meisten oder alle der Funktionen eines wie hier beschriebenen Systems und Verfahrens zum Ausführen einer Topologiesteuerung in einem drahtlosen Netz zu implementieren. Die Nichtprozessorschaltungen können einen Funkempfänger, einen Funksender, Signaltreiber, Taktschaltungen, Energiequellenschaltungen und Benutzereingabegeräte umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Als solches können diese Funktionen als Schritte für ein Verfahren zum Ausführen einer Topologiesteuerung in einem drahtlosen Netz interpretiert werden. Alternativ könnten einige oder alle Funktionen durch eine Zustandsmaschine, die keine gespeicherten Programmbefehle aufweist, oder in einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits – ASICs), in denen jede Funktion oder einige Kombinationen aus bestimmten der Funktionen als Custom Logic implementiert sind, implementiert werden. Selbstverständlich könnte eine Kombination aus den beiden Ansätzen verwendet werden. Somit sind hier Verfahren und Mittel für diese Funktionen beschrieben worden. Es versteht sich darüber hinaus, dass ein ordentlicher Fachmann, ungeachtet eventuell erheblichen Aufwands und vieler Designalternativen, zum Beispiel motiviert durch verfügbare Zeit, aktuelle Technologie und wirtschaftliche Überlegungen, bei Anleitung durch die hier offenbarten Konzepte und Prinzipien leicht dazu im Stande ist, solche Softwarebefehle und Programme und ICs (Integrated Circuits – Integrierte Schaltungen) durch minimales Experimentieren zu entwickeln.
Wie unten ausführlicher erörtert wird, stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Ausführen einer Topologiesteuerung in einem drahtlosen Netz zur Verfügung. Das System und Verfahren arbeiten, um es einem Knoten zu ermöglichen, Informationen von einer Mehrzahl anderer Knoten in dem Netz zu empfangen und auf Basis der durch den Knoten von den anderen Knoten empfangenen Informationen Parameter in Bezug auf die anderen Knoten zu ermitteln. Der Knoten berechnet dann auf Basis der Parameter Verbindungskosten der Verbindungen zwischen sich selbst und den anderen Knoten. Darüber hinaus gründet der Knoten Routing-Entscheidungen auf den berechneten Verbindungskosten.
Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus ein System und Verfahren zum Steuern der Übertragungsleistung eines Pakets, das durch einen Knoten in einem drahtlosen Netz, wie z. B. einem drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Netz, übertragen wird, zur Verfügung. Das System und Verfahren führen Operationen aus, um einen Wert zu ermitteln, der eine Fähigkeit eines Sendeknotens repräsentiert, Übertragungsparameter eines Datenpakets, das über eine Verbindung zwischen dem Sendeknoten und einem Empfangsknoten zu übertragen ist, basierend auf Bedingungen der Verbindung (d. h. einem ”Link Adaptation Value”, dt.: Verbindungsanpassungswert) anzupassen. Das System und Verfahren arbeiten zum Beispiel, um zu ermitteln, ob der Knoten Pakete über eine Verbindung zwischen sich selbst und einem Empfangsknoten überträgt. Das System und Verfahren selektieren die Verbindung, indem sie Netztopologieergebnisse berücksichtigen. Wenn der Knoten Pakete überträgt, passen das System und Verfahren eine Sendeleistung, bei der der Knoten ein Paket über die Verbindung übertragen soll, auf Basis einer repräsentativen Datenrate, bei der die Pakete übertragen werden, und einer Zieldatenrate, an, und wenn der Knoten keine Pakete überträgt, passen das System und Verfahren die Sendeleistung, bei der der Knoten das Paket über die Verbindung übertragen soll, auf Basis einer Bedingung der Verbindung an.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein System und Verfahren zum Selektieren von Routen zu und von einem Knoten in einem drahtlosen Netz, wie z. B. einem drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Netz, zur Verfügung. Das System und Verfahren führen die Operationen zum Ermitteln der Sende- und Empfangsaktivitätsstufe von Knoten in dem Netz, die sich innerhalb derselben Nachbarschaft wie der Knoten befinden, zum Ermitteln der Anzahl an Knoten, die von dem Knoten übertragene Steuerpakete empfangen würden, und zum Ermitteln der Anzahl an Knoten, deren Steuerpakete von dem Knoten empfangen würden, auf Basis des Vergleichs der entsprechenden Sendeleistung der Steuerpakete und der gemessenen Pfadverlustwerte der Verbindungen zwischen den Knoten, aus. Das System und Verfahren arbeiten dann, um auf Basis der Ergebnisse dieser Ermittlungen die Routen zu und von dem Knoten zu selektieren.
Die Einzelheiten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben.
1 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein drahtloses paketvermitteltes Ad-hoc-Kommunikationsnetz 100 unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Insbesondere umfasst das Netz 100 eine Mehrzahl von mobilen drahtlosen Benutzerterminals 102-1 bis einschließlich 102-n (gewöhnlich als Knoten 102 oder mobile Knoten 102 bezeichnet) und kann, muss aber nicht, ein festes Netz 104 mit einer Mehrzahl von intelligenten Zugangspunkten 106-1, 106-2, ... 106-n (gewöhnlich als Knoten 106, Zugangspunkte (engl.: Access Points – APs) 106 oder intelligente Zugangspunkte (engl.: Intelligent Access Points – IAPs) 106 bezeichnet) umfassen, um den Knoten 102 Zugang zu dem festen Netz 104 zu verschaffen. Das feste Netz 104 kann zum Beispiel ein Kern-LAN (Local Access Network – lokales Zugangsnetz) oder WAN (Wide Area Network – Weitbereichsnetz) und eine Mehrzahl von Servern und Gateway Routern umfassen, um Netznoten Zugang zu anderen Netzen, wie z. B. anderen Ad-hoc-Netzen, dem öffentlichen Telefonnetz (Public Switched Telephone Network – PSTN) und dem Internet, zu verschaffen. Das Netz 100 kann darüber hinaus eine Mehrzahl von festen Routern 107-1 bis einschließlich 107-n (gewöhnlich als Knoten 107, drahtlose Router (engl.: Wireless Routers – WRs) 107 oder feste Router 107 bezeichnet) für ein Routing von Datenpaketen zwischen anderen Knoten 102, 106 oder 107 umfassen. Es wird angemerkt, dass für die Zwecke dieser Erörterung die oben besprochenen Knoten kollektiv als ”Knoten 102, 106 und 107” oder einfach ”Knoten” bezeichnet werden können.
Wie es sich für einen Fachmann versteht, sind die Knoten 102, 106 und 107 im Stande, direkt miteinander zu kommunizieren oder über einen oder mehrere andere Knoten 102, 106 oder 107, die als ein Router oder Router für Pakete, die zwischen Knoten gesendet werden, agieren, wie in der U.S.-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 09/897,790 und den U.S.-Patenten mit den Nummern 6,807,165 und 6,873,839 , auf die oben hingewiesen wird, beschrieben wird.
Wie in 2 dargestellt wird, kann man erkennen, dass jeder Knoten 102, 106 und 107 einen Transceiver oder Modem 108 umfasst, welcher mit einer Antenne 110 gekoppelt ist und im Stande ist, unter der Steuerung eines Controllers 112 Signale, wie z. B. paketierte Signale, zu und von dem Knoten 102, 106 oder 107 zu übertragen und zu empfangen. Die paketierten Datensignale können zum Beispiel Sprach-, Daten- oder Multimediainformationen und paketierte Steuersignale, wobei Knotenupdateinformationen umfasst werden, umfassen.
Jeder Knoten 102, 106 und 107 umfasst darüber hinaus einen Speicher 114, wie z. B. einen RAM-Speicher (Random Access Memory – Speicher mit wahlfreiem Zugriff), der unter anderem dazu im Stande ist, Routing-Informationen in Bezug auf sich selbst und andere Knoten in dem Netz 100 zu speichern. Wie darüber hinaus in 2 dargestellt wird, erkennt man, dass bestimmte Knoten, insbesondere die mobilen Knoten 102, einen Host 116 umfassen können, der aus irgendeiner Anzahl von Geräten, wie z. B. einem Notebook Computer Terminal, einer mobilen Telefoneinheit, einer mobilen Dateneinheit oder irgendeinem anderen geeigneten Gerät, bestehen kann. Jeder Knoten 102, 106 und 107 umfasst auch die entsprechende Hardware und Software, um das Internet Protocol (IP – Internetprotokoll) und das Address Resolution Protocol (ARP – Adressauflösungsprotokoll), deren Bestimmung für jeden Fachmann leicht nachvollziehbar ist, auszuführen. Die geeignete Hardware und Software, um das Transmission Control Protocol (TCP – Übertragungssteuerungsprotokoll) und das User Datagram Protocol (UDP – Benutzerdatagrammprotokoll) auszuführen, kann ebenfalls umfasst sein.
Es wird angemerkt, dass sich die folgende Beschreibung zuweilen auf mobile Knoten 102, wie sie in 1 dargestellt werden, bezieht. Die folgenden Prozesse, Operationen usw. können allerdings von irgendeinem in 1 dargestellten Typ von Knoten 102, 106 oder 107 ausgeführt werden und darauf anwendbar sein.
Bevor die Operationen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben werden, werden nun bestimmte Eigenschaften des Netzes 100 und der Knoten 102, 106 und 107, bei denen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, dargelegt. Es wird angemerkt, dass es sich bei den folgenden Beschreibungen lediglich um beispielhafte Merkmale des Netzes 100 und der Knoten 102, 106 und 107 für die Zwecke einer Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung handelt, und sie, wie es sich für einen Fachmann versteht, auf jegliche geeignete Weise verkörpert werden können.
Topologiesteuerung
Wie es sich für einen Fachmann versteht, wird eine Topologiesteuerung ausgeführt, um eine Netzkapazität durch Steigern einer räumlichen Wiederverwendung zu erhöhen. Eine gesteigerte räumliche Wiederverwendung wird dadurch ermöglicht, dass die Knoten 102, 106 und 107 betrieben werden, um die Sendeleistung von Steuerpaketen oder -frames zu reduzieren. Dadurch, dass die Sendeleistung von Steuerframes reduziert wird, können mehrere Knoten 102, 106 und 107 gleichzeitig übertragen, was das dargelegte Knotenproblem, das in Ad-hoc- oder Multihopping-Netzen, wie z. B. dem Netz 100, üblicherweise durchgemacht wird, zum Teil löst. Wie es sich in der Technik versteht, tritt das dargelegte Knotenproblem auf, wenn ein Knoten (z. B. ein Knoten 102 wie in 1 dargestellt) versehentlich eine Paketübertragung zwischen anderen Knoten 102, 106 oder 107 empfängt und davon ausgeht, dass er zu diesem Zeitpunkt kein Paket zu einem anderen Knoten 102, 106 oder 107 übertragen kann, wenn der Knoten 102 die Übertragung in Wirklichkeit ausführen kann. Eine Topologiesteuerung kann auch die gesamte Übertragungsleistung des Netzes 100 reduzieren und somit Interferenz und Energieverbrauch reduzieren, wie es durch Reduzieren der Sendeleistung von Datenpaketen ermöglicht wird.
Annahmen
Ein Topologiesteuerungsalgorithmus, der nur die Sendeleistung der Steuer- und Datenframes beeinflusst und der keine Übertragungen plant oder Übertragungsentscheidungen vornimmt, kann durch die Beschaffenheit der MAC (Media Access Control – Medienzugriffssteuerung), auf der der Algorithmus arbeitet, beschränkt sein. In diesem Zusammenhang können die folgenden MAC-Eigenschaften als zutreffend für die Ausführungsformen der hier beschriebenen vorliegenden Erfindung gelten. Wie es sich allerdings für einen ausgebildeten Fachmann versteht, ist es nicht erforderlich, alle oder selbst irgendeine dieser MAC-Eigenschaften anzunehmen, um die Verfahren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, hier beschrieben, auszuführen. In beiden Fällen lauten die Annahmen für dieses Beispiel wie folgt:

• Es gibt keine Trägererkennung. Die MAC basiert auf CSMA/CA (engl. Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance – Mehrfachzugriff mit Trägererkennung und Kollisionsvermeidung) oder virtueller Trägererkennung (Virtual Carrier Sensing).
• Falls ein Knoten 102, 106 oder 107 eine ungerichtete RTS-Nachricht (von engl.: Request To Send – Sendeanforderung) empfängt, wird der Knoten 102, 106 oder 107 nicht daran gehindert, ein Paket zu senden.
• Falls ein Knoten 102, 106 oder 107 eine ungerichtete CTS-Nachricht (von engl.: Clear To Send – Sendebereitschaft) empfängt, wird der Knoten 102, 106 oder 107 nicht daran gehindert, ein Paket zu empfangen.
• Ein Zugriff auf das Medium erfolgt im Halbduplex, d. h. die Transceiver 108 senden und empfangen nicht gleichzeitig.
• Es wird nur ein Kommunikationskanal von den Knoten 102, 106 und 107 verwendet. Mit einer Mehrkanal-MAC werden die Vorteile einer Topologiesteuerung wahrgenommen, sobald die Anzahl aktiver Kommunikationen in einer Nachbarschaft die Anzahl verfügbarer Kanäle übersteigt.

Die Beschaffenheit der MAC, die die Basis für eine Topologiesteuerung bildet, weicht nicht wesentlich von herkömmlichen MACs, wie z. B. dem IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)-Standard 802.11 Basic Service Set (BSS), ab. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Topologiesteuerung vielmehr mit einer MAC mit den oben beschriebenen Eigenschaften ausgeführt. Die Topologiesteuerungsoperationen können auch die Kapazität des Netzes 100 erhöhen, das unter Verwendung einer MA, wie z. B. der von Motorola, Inc. zur Verfügung gestellten Mesh Enabled Architecture (MEA), arbeitet.
Topologiesteuerung und Fairness
Die Reduzierung bei der Steuerpaketsendeleistung soll keine Auswirkung – oder zumindest keine bedeutende Auswirkung – auf die Fähigkeit der MAC, Interferenz standzuhalten und Kollisionen zu vermeiden, haben. Es ist allerdings möglich, dass Knoten 102, 106 oder 107, die bei niedriger Sendeleistung kommunizieren, nicht im Stande sind, so oft auf den Kanal zuzugreifen wie Knoten 102, 106 oder 107, die bei einer höheren Sendeleistung kommunizieren. Darüber hinaus kann es für die Knoten 102, 106 und 107 schwierig sein, in fairer Weise auf den Kanal zuzugreifen, wenn alle Sendeleistungen der Knoten 102, 106 und 107 gleich sind, und es versteht sich für den Fachmann, dass der Topologiesteuerungsprozess dieses Problem verschärfen kann. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden folglich Verfahren, die es den Knoten 102, 106 und 107 ermöglichen, in fairer Weise auf den Kanal zuzugreifen, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
Reduzierung der Nachbarschaftsgröße
Da Topologiesteuerungsalgorithmen gewöhnlich Verbindungen von Knoten 102, 106 oder 107, die weniger Nachbarn haben, favorisieren, versteht es sich für einen Fachmann, dass es wahrscheinlich ist, dass die Gesamtsendeleistung jedes Knotens 102, 106 und 107 reduziert wird, wobei auf diese Weise die Anzahl aktiver Nachbarn in jeder Nachbarschaft beschränkt wird. Der Topologiesteuerungsprozess gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, hier beschrieben, versucht deshalb, die Nachbarschaftsgröße so zu reduzieren, dass sogar in extrem dichten Netzen ein Stattfinden einer räumlichen Wiederverwendung ermöglicht wird.
Netzstabilität
Der Topologiesteuerungsprozess kann ein Routing dadurch beeinflussen, dass auf Verbindungen, die die meiste räumliche Wiederverwendung potentiell verhindern, eine Strafe angewendet wird. Es kann für einen Knoten 102, 106 oder 107 allerdings schwierig sein, zu ermitteln, ob eine neue Verbindung eine räumliche Wiederverwendung einschränkt oder nicht. Deshalb kann sich dadurch, dass Topologiesteuerungsprozesse ausgeführt werden, die Gefahr, dass das Netz 100 instabil wird und sich Routen häufig ändern, erhöhen. Demgemäß verwenden die Topologiesteuerungsprozesse gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Hystereseverfahren in den Routing-Protokollen, um zu verhindern, dass solche Instabilitäten auftreten. Ein Beispiel für ein solches Hystereseverfahren wird in einer gleichzeitig anhängigen, provisorischen U.S.-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 60/622,168 und dem Titel ”System and Method for Providing Routing Specifications for a Wireless Communication System”, eingereicht am 27. Oktober 2004, beschrieben, deren gesamter Inhalt hier durch Literaturhinweis umfasst wird.
Topologiesteuerung und Verbindungsanpassung
Wie es sich für einen Fachmann versteht, hat ein Topologiesteuerungsprozess gewöhnlich keine direkte Auswirkung auf eine Verbindungsanpassung, da jede Verbindung üblicherweise durch einen Verbindungsanpassungsalgorithmus aufrechterhalten wird, der arbeiten kann, um die Qualität einer Verbindung zu maximieren. Topologiesteuerungsprozesse modifizieren gewöhnlich auch die Sendeparameter des Transceivers 108 der Knoten 102, 106 oder 107 nicht, wenn die Knoten Pakete übertragen.
Eine Topologiesteuerung kann allerdings unter den folgenden Umständen eine indirekte Auswirkung auf die Sendeleistung und Datenraten, die von einem Knoten 102, 106 oder 107 verwendet werden, haben:

• Ein Topologiesteuerungsprozess ermittelt üblicherweise die Nachbarn, mit denen der Knoten 102, 106 oder 107 kommuniziert, wobei auf diese Weise Verbindungen mit hoher Leistung zu Gunsten von Verbindungen mit niedriger Leistung potentiell ausgelassen werden.
• Ein Topologiesteuerungsprozess beeinflusst indirekt auch die Gesamtsendeleistung der Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107, wobei auf diese Weise Interferenz reduziert wird und es ermöglicht wird, dass in der Nachbarschaft lokal höhere Datenraten und niedrigere Leistungen verwendet werden.

Die Leistungsstufe, bei der ein Steuerpaket oder Datenpaket übertragen wird, kann im Gegenteil durch ein Topologiesteuerungsmodul ermittelt werden, welches zum Beispiel in dem Controller 112 und zugeordneter Hardware und Software umfasst sein kann, wobei sicherstellt wird, dass die MAC nur mit potentiell störenden Knoten fertig werden muss und eine erhöhte räumliche Wiederverwendung in dem Netz ermöglicht wird. Die unterschiedlichen Anpassungsmechanismen werden in diesem Zusammenhang unten beschrieben.
Datenpaketverbindungsanpassung
Eine Verbindungsanpassung für Datenpakete kann durch einen Verbindungsanpassungsalgorithmus ausgeführt werden, wie zum Beispiel in einer gleichzeitig anhängigen, am 24. Mai 2005 eingereichten U.S.-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 11/138,241 und dem Titel ”Method and System for Controlling the Transmission Power of at least One Node in a Wireless Network”, deren gesamter Inhalt durch Literaturhinweis umfasst wird, beschrieben wird. Wie oben beschrieben wird, repräsentiert ein Verbindungsanpassungswert eine Fähigkeit eines Sendeknotens, Übertragungsparameter eines Datenpakets, das über eine Verbindung zwischen dem Sendeknoten 102, 106 oder 107 und einem Empfangsknoten 102, 106 oder 107 zu senden ist, auf Basis von Bedingungen der Verbindung anzupassen. Dieser Anpassungswert kann gewöhnlich ermittelt werden, wenn Verkehr zu einem Knoten 102, 106 oder 107 gesendet wird. Eine übliche Datenpaketverbindungsanpassungswertberechnung kann allerdings gewöhnlich nicht durchgeführt werden, falls es keine Route zu dem Zielknoten 102, 106 oder 107 gibt oder falls kein anderer Verkehr zu dem Zielknoten 102, 106 oder 107 gesendet wird als der zur Aufrechterhaltung der Route verwendete Verkehr.
Da RTS- und CTS-Sendeleistungen von Datenpaketsendeleistungen abhängig sind, ist es demgemäß erforderlich, einen geschätzten Verbindungsanpassungswert für jede Verbindung, auf der kein Verkehr gesendet wird, zur Verfügung zu stellen, wie unten erörtert wird.
RTS-Verbindungsanpassung
In einem Topologiesteuerungsprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollte die Sendeleistung der RTS, die von einem Knoten (z. B. einem Knoten 102 wie in 1 dargestellt) gesendet wird, ausreichen, um all die aktiven Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107, die auch Vorläufer sind, und insbesondere einen nächsten Hop zu dem Zielknoten 102, 106 und/oder 107 zu erreichen. Für den Zweck dieser Erörterung wird angenommen, dass ein Knoten 102 die RTS-Nachricht überträgt. Die Definition für ”Vorläufer” ist in diesem Zusammenhang ein Knoten 102, 106 oder 107, der eine direkte Route zu dem Knoten 102 aufweist. Für bidirektionale Verbindungen sind alle Vorläufer definitionsgemäß nächste Hop-Knoten 102, 106 oder 107 des Knotens 102.
Die geschätzte Sendeleistung für RTSs wird unter Verwendung einer Kombination aus dem berechneten Datenpaketverbindungsanpassungswert und einem geschätzten Pfadverlust auf Basis des gemessenen Pfadverlusts berechnet. Der geschätzte Pfadverlust garantiert, dass die RTS die meisten der Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107 erreicht, da es sich dabei üblicherweise um ein kurzes Paket mit einer großen Menge Verarbeitungsgewinn handelt. Auf Grund von Kanalbedingungen (z. B. Mehrweg und Rauschen) ist die prognostizierte Sendeleistung gewöhnlich nicht so hoch, um zu gewährleisten, dass eine zuverlässige Kommunikation unter Verwendung der besten Datenrate stattfinden kann. Wenn eine Verbindung aktiv verwendet wird, sollte sich die RTS-Sendeleistung deshalb der Datenpaketsendeleistung nähern, die für jede ATP-(engl.: Asynchronous Transfer Protocol – asynchrones Übertragungsprotokoll)-Verbindung nach jeder Übertragung berechnet wird.
Die RTS-Sendeleistung wird vorzugsweise für jedes empfangene ”Hello”-Paket und übertragene Datenpaket aktualisiert. 3 stellt ein Beispiel für einen Prozess zum Aktualisieren der RTS-Sendeleistung eines Knotens (z. B. eines Knotens 102 wie in 1 dargestellt) dar. Es wird angemerkt, dass diese Operationen ebenso wie alle anderen Leistungsanpassungs-, Topologiesteuerungs- und verwandte Operationen durch den Controller 112 des Knotens 102 und seine zugeordnete Hardware und Software ausgeführt werden können. Wie oben erörtert wird, werden diese Operationen außerdem zu Beispielzwecken mit Bezug auf einen Knoten 102 beschrieben, können aber durch irgendeinen Knoten 102, 106 oder 107 ausgeführt werden.
Der in 3 beschriebene Prozess versucht sicherzustellen, dass, wenn Daten übertragen werden, die Sendeleistungsschätzung für Steuerframes fast völlig von der ATP-Berechnung gesteuert wird, die auf der Zieldatenrate basiert. Wenn der Prozess in einem Schritt 300 insbesondere ermittelt, dass ein Datenpaket durch einen Knoten (z. B. einen Knoten 102-1, wie er in 1 dargestellt wird) übertragen wird, stellt der Prozess in einem Schritt 310 fest, ob eine mittlere Datenrate (z. B. eine repräsentative Datenrate) ermittelt werden kann. Falls die mittlere Datenrate nicht ermittelt werden kann, wartet der Prozess zum Beispiel auf eine weitere Datenpaketübertragung. Falls die mittlere Datenrate allerdings ermittelt werden kann, wird die Übertragungsleistung auf Basis einer Zieldatenrate aktualisiert. Das heißt, dass in einem Schritt 320 die mittlere Datenrate mit einer Zieldatenrate verglichen wird. Falls in dem Schritt 320 ermittelt wird, dass die mittlere Datenrate nicht größer als die Zielrate ist, und falls in einem Schritt 330 ermittelt wird, dass die Leistung eine maximale Leistung erreicht hat, dann wird in einem Schritt 340 die Zielrate neu berechnet. Falls die maximale Leistung nicht erreicht worden ist, dann bleibt in einem Schritt 350 die Zielrate unverändert und die Sendeleistung wird in einem Schritt 360 aktualisiert (z. B. erhöht).
Falls andererseits in dem Schritt 320 ermittelt wird, dass die mittlere Datenrate höher als die Zielrate ist, dann wird die Zielrate in einem Schritt 370 neu berechnet.
Wenn der Prozess in dem Schritt 300 ermittelt, dass keine Datenpakete übertragen werden, wird die Sendeleistung auf Basis von Steuerframes geschätzt. Das heißt, wenn in einem Schritt 380 von dem Knoten 102-1 eine ”Hello”-Nachricht empfangen wird, wird in einem Schritt 390 eine Sendeleistung des Knotens 102-1 zum Beispiel auf Basis des Pfadverlusts einer Verbindung zwischen den Sende- und Empfangsknoten, bei denen es sich um irgendeinen der Knoten 102, 106 und 107, die mit Bezug auf 1 beschrieben werden, handeln kann, aktualisiert (z. B. erhöht oder reduziert). Der Pfadverlust (PL für engl.: Path Loss) wird auf Basis der folgenden Gleichung ermittelt: PL = T_xpower – RSSI wobei T_xpower die Leistung repräsentiert, bei der die Hello-Nachricht übertragen wurde (diese Information kann in der Hello-Nachricht von dem Knoten 102, 106 oder 107, der die Hello-Nachricht übertragen hat, umfasst werden), und RSSI die Empfangssignalstärkeanzeige ist.
Demgemäß kann die Sendeleistung (P) des Sendeknotens 102-1 auf Basis der folgenden Formel angepasst werden: P = λP + (1 – λ)(PL-TargetR_xpower) wobei PL den Pfadverlust repräsentiert, λ einen ”Forgetting-Faktor” repräsentiert, Target R_xpower die Leistung, bei der Datenpakete von dem Empfangsknoten (z. B. einem Knoten 102, 106 oder 107) empfangen werden sollten, repräsentiert. Wie es sich für einen Fachmann versteht, handelt es sich bei dem Forgetting-Faktor λ um eine Zahl innerhalb des Bereichs 1 ≥ λ ≥ 0, die auf Basis eines Alters der vorher gesetzten Sendeleistung ermittelt wird. Mit anderen Worten: der Wert für λ wird zunächst auf 1 (eins) gesetzt, wenn die Sendeleistung P für ein Paket anfangs gesetzt wird. Mit zunehmender Zeitdauer von dieser Anfangssendeleistungseinstellung sinkt der Wert für λ gegen 0 (null), so dass dem Faktor (PL-Target R_xpower) mehr Gewicht gegeben wird. Somit basiert die Sendeleistung, bei der nachfolgende Datenpakete von dem Knoten 102-1 übertragen werden, mehr auf dem Pfadverlust (PL) und der Target R_xpower und weniger auf der Anfangsleistungseinstellung P. Schließlich wird der Wert für λ 1 (eins) und der Wert der Sendeleistung P wird ganz auf Basis des Werts des Pfadverlusts minus der Zielempfangsleistung (d. h. PL – Target R_xpower) ermittelt. Der Wert der Sendeleistung nähert sich somit einem Wert, der auf dem Pfadverlust beruht.
Zusätzlich zu dem Obigen können von dem Topologiesteuerungsprozess gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, hier beschrieben, die folgenden weiteren Kriterien beachtet werden.
CTS-Verbindungsanpassung
Die Sendeleistung einer CTS von einem Knoten 102, 106 oder 107 sollte ausreichen, um alle bekannten aktiven Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107 zu erreichen, wobei die Quelle der RTS, bei der es sich in dem oben beschriebenen Beispiel um einen Knoten 102-1 handelt, umfasst wird.
Hello-Paketverbindungsanpassung
Die Knoten 102, 106 und 107 übertragen ”Hello”-Pakete üblicherweise bei maximaler Leistung. In Situationen sehr hoher Dichte (d. h. falls die Anzahl aktiver Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107 groß ist) sollte das Übertragungsintervall von ”Hello”-Paketen vergrößert werden, um Bandbreite zu bewahren.
Topologiekosten
Wenn ein Knoten (z. B. der Knoten 102-1) eine Route durch seine Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107 festlegt, berechnet der Knoten 102-1 vorzugsweise die Topologiekosten jeder Verbindung, wie unten ausführlicher beschrieben wird, und ermittelt die tatsächliche Routenmetrik dementsprechend.
Nachbarkostenschätzung
Die Nachbarkostenschätzung wird vorzugsweise ausgeführt, indem ein Knoten (z. B. der Knoten 102-1) betrieben wird, um eine Liste von Parametern für jeden Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107 zu führen, und dann die Kosten für die Verwendung einer bestimmten Verbindung zu einem Nachbarknoten 102, 106 oder 107 berechnet werden. Zum Zwecke dieser Ausführung können die Kosten einer Verbindung allgemein als der Grad beschrieben werden, durch den die Fähigkeit der Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107 von dem Knoten 102-1, der diese bestimmte Verbindung verwenden will, beeinflusst wird.
Wie unten beschrieben wird, werden die Parameter dem Knoten 102-1 entweder von den Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107, zum Beispiel als Informationen in den Hello-Nachrichten, zur Verfügung gestellt oder werden abgeleitet (d. h. der Knoten 102-1 ermittelt bestimmte Parameterwerte): ”Informierte” Parameter – Jeder Knoten 102, 106 und/oder 107 gibt in den ”Hello”-Nachrichten die folgenden Informationen bekannt:

• Pfadverlust/Bereich ihrer RTS-Nachricht (was der Pfadverlust zu ihrem weitesten nächsten Hop ist). Falls der Knoten 102, 106 oder 107 nicht aktiv überträgt, ist der Wert ungeachtet des tatsächlichen Sendeleistungswerts auf 0 gesetzt.
• Paketempfangsaktivität, die die Menge an Paketen, die Knoten 102, 106 oder 107 empfängt, angibt.

Abgeleitete Parameter – Jeder Knoten 102, 106 und 107 berechnet nach Empfangen einer Hello-Nachricht von einem Nachbarn vorzugsweise die folgenden Informationen:

• Pfadverlust zu dem Knoten 102, 106 oder 107, der die Hello-Nachricht übertragen hat. Das kann auf Basis einer Empfangssignalstärke der Hello-Nachricht ermittelt werden und kann angeben, ob es sich bei dem Knoten 102, 106 oder 107 um einen sensiblen Nachbarn oder einen aktiven Nachbarn handelt.
• Geschätzte Sendeleistung zu dem Knoten 102, 106 oder 107, der die Hello-Nachricht übertragen hat. Das kann

Diese Parameter (d. h. die Pfadverluste der RTS-Nachrichten und die Pfadverluste zu den Knoten 102, 106 und 107) werden dann in der Verbindungskostenberechnung wie folgt verwendet:
Verbindungskostenberechnung – Die Kosten von einem Knoten (z. B. dem Knoten 102-1, der als der ”Anforderer” (engl.: ”Requester”) bezeichnet wird) zu einem Nachbarn (z. B. einem anderen Knoten 102-2, der als der ”Antworter” (engl.: ”Replier”) bezeichnet wird) entsprechen vorzugsweise einer Kombination aus vier Parametern.

• C_Tx,req – Die Anzahl an Knoten 102, 106 und/oder 107, für die der RTS-Pfadverlust des Anfordererknotens 102-1 größer ist als ihr entsprechender Pfadverlust zu dem Anfordererknoten 102-1. Diese Anzahl schließt die Quelle der Anforderung (d. h. den Quellknoten 102-1) und das Ziel der Anforderung (z. B. den Knoten 102-2) ebenso wie die nächsten Hops zu dem Quellknoten 102-1 und dem Zielknoten 102-2 aus. Diese Variable gibt somit die Anzahl an Knoten 102, 106 und/oder 107 an, deren Kommunikation dadurch, dass der Anfordererknoten 102-1 über die Verbindung eine RTS-Nachricht zu dem Antworterknoten 102-2 sendet, beeinflusst wird;
• C_Rx,req – Die Anzahl an Knoten 102, 106 und/oder 107, bei denen es sich um aktive Empfänger handelt, für die der Pfadverlust zwischen dem Anfordererknoten 102-1 und dem Antworterknoten 102-2 größer ist als ihr entsprechender Pfadverlust zu dem Anfordererknoten 102-1. Diese Anzahl schließt den Quellknoten 102-1 und den Zielknoten 102-2 ebenso wie die nächsten Hops zu dem Quellknoten 102-1 und dem Zielknoten 102-2 aus. Diese Variable gibt somit die Anzahl an Knoten 102, 106 und/oder 107 an, deren Kommunikation dadurch, dass der Anfordererknoten 102-1 über die Verbindung mit dem Antworterknoten 102-2 kommuniziert, beeinflusst wird;
• C_Tx,rep – Die Anzahl an Knoten 102, 106 und/oder 107, für die der RTS-Pfadverlust von dem Antworterknoten 102-2 größer ist als ihr entsprechender Pfadverlust zu dem Antworterknoten 102-2. Diese Anzahl schließt den Quellknoten 102-1 und den Zielknoten 102-2 ebenso wie die nächsten Hops zu dem Quellknoten 102-1 und dem Zielknoten 102-2 aus. Diese Variable gibt somit die Anzahl an Knoten 102, 106 und/oder 107 an, deren Kommunikation dadurch, dass der Antworterknoten 102-2 über die Verbindung eine RTS-Nachricht an den Anfordererknoten 102-1 sendet, beeinflusst wird; und
• C_Rx,rep – Die Anzahl an Knoten 102, 106 und/oder 107, die aktive Empfänger sind, für die der Pfadverlust zwischen dem Anfordererknoten 102-1 und dem Antworterknoten 102-2 größer ist als ihr entsprechender Pfadverlust zu dem Antworterknoten 102-2. Diese Anzahl schließt den Quellknoten 102-1 und den Zielknoten 102-2 ebenso wie die nächsten Hops zu dem Quellknoten 102-1 und dem Zielknoten 102-2 aus. Diese Variable gibt somit die Anzahl an Knoten 102, 106 und/oder 107 an, deren Kommunikation dadurch, dass der Antworterknoten 102-2 über die Verbindung mit dem Anfordererknoten 102-1 kommuniziert, beeinflusst wird.

Es wird angemerkt, dass, damit, wie oben erörtert wird, die Verbindungskostenberechnung stabil ist, die Werte der vier Variablen C_Tx,req, C_Rx,req, C_Tx,rep und C_Rx,rep alle vorzugsweise ausschließen:

• die Quelle der Anforderung (d. h. den Anfordererknoten 102-1);
• das Ziel der Anforderung (d. h. den Antworterknoten 102-2);
• den nächsten Hop zu der Quelle der Anforderung (d. h. den nächsten Hop von dem Knoten 102-2 zu dem Knoten 102-1); und
• den nächsten Hop zu dem Ziel der Anforderung (d. h. den nächsten Hop von dem Knoten 102-1 zu dem Knoten 102-2).

Die Topologiekosten (C) einer Verbindung entsprechen dem maximalen Wert der vier Werte C_Tx,req, C_Rx,req, C_Tx,rep, C_Rx,rep, die oben ermittelt werden, wie durch die folgende Gleichung angezeigt wird: C = max(C_Tx,req, C_Rx,req, C_Tx,rep, C_Rx,rep)
Topologiegesamtkosten
Bei den ”Topologiegesamtkosten” des Netzes 100 handelt es sich deshalb um die Summe all der Verbindungskosten in einem Netz (z. B. einem Netz 100 wie in 1 dargestellt) mit festgelegten Routen. Die Topologiekosten sind in diesem Beispiel ein Maß für die Anzahl von Verbindungen, die gegeneinander konkurrieren. Je niedriger die Topologiekosten, desto niedriger die Konkurrenz in dem Netz 100, und desto höher die Leistung (natürlich unter Berücksichtigung der extra Latenz und Überlastung, die eingegangen werden, wenn die Anzahl an Hops pro Route erhöht wird).
Wie es sich aus dem Obigen versteht, repräsentieren die Topologiekosten den Verlust an Kapazität, der auf Grund eines optimalen Schedulings in einem Netz 100 erfolgen kann. Es sollte sich allerdings verstehen, dass die Summe all der Verbindungskosten eine exzessive Darstellung des Kapazitätsverlusts zur Verfügung stellen kann.
4 stellt ein Beispiel eines Topologiediagramms dar, das eine Kommunikation zwischen mobilen Knoten 102-1 bis einschließlich 102-7 darstellt, wobei die gestrichelten Kreise um die mobilen Knoten 102-1 bis einschließlich 102-7 die Übertragungsbereiche 400-1 bis einschließlich 400-7 der entsprechenden Knoten repräsentieren. Falls ein Knoten (z. B. der Knoten 102-1) mit nur einem Nachbarn (z. B. 102-2) kommuniziert und der Verkehrsfluss als Verkehrsfluss 1 bezeichnet wird, können beide Knoten 102-1 und 102-2 die Kosten einer anderen Verbindung erhöhen, obwohl ein Knoten genügt hätte, da angenommen wird, dass die Transceiver 108 in den Knoten (z. B. den Knoten 102-1 und 102-2) alle halbduplex sind. In 4 kommunizieren die Knoten 102-3 und 102-4 jeweils mit dem Knoten 102-5 und diese Kommunikationen werden als Verkehrsflüsse 2 beziehungsweise 3 bezeichnet. Außerdem kommunizieren die Knoten 102-6 und 102-7 miteinander, wie durch einen Verkehrsfluss 4 dargestellt wird.
5 stellt ein Flusskonkurrenzdiagramm dar, das ein räumliches Konkurrenzverhältnis zwischen Flüssen modelliert, wie zum Beispiel in ”Fair Scheduling with Bottleneck Consideration in Wireless Ad-hoc Networks” von X. Wu, C. Yuen, Y. Gao, H. Wu und B. Li, veröffentlicht in IEEE International Conference an Computer Communications and Networks (ICCCN) 2001, beschrieben wird. In diesem Diagramm repräsentieren die Kreise 1 bis einschließlich 4 die Flüsse wie in 4 dargestellt und die Kanten 500-1 bis einschließlich 500-3, die die Kreise verbinden, zeigen an, wenn die Flüsse auf Grund von Konkurrenz einem Backlogging unterzogen werden. Wie es sich aus diesem Diagramm versteht, kann es vorkommen, dass der Fluss 1 gleichzeitig mit den Flüssen 2, 3 und 4 kommuniziert, während sich die Flüsse 2, 3 und 4 gegenseitig Konkurrenz machen.
Die Topologiegesamtkosten können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch als ein Maß der Anzahl an Verbindungen, die miteinander konkurrieren, berechnet werden. Die Topologiekosten können deshalb gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden:
Der Begriff ”Anzahl aktiver Verbindungen” in der Formel weist die Zwischenknoten aus, die Pakete von einem Knoten 102, 106 oder 107 (d. h. einem Vorläuferknoten) empfangen und die Pakete zu einem anderen Knoten 102, 106 oder 107 (d. h. einem nächsten Hop-Knoten) weiterleiten. Zwar konkurrieren die Flüsse zwischen einem Zwischenknoten 102, 106 oder 107 und seinem Vorläufer und nächsten Hop-Knoten 102, 106 und/oder 107 miteinander, wobei auf diese Weise eine ”Kante” gebildet wird, doch zählt diese Kante nicht als ein Topologiepreis, da das auf der Halbduplextransceiverannahme beruht. Es sollte auch beachtet werden, dass diese Topologiekosten die Kostenerhöhung oder -reduzierung auf Grund von Multihopping nicht differenzieren. Zu diesem Zweck kann ein Graph gemäß 5 mit gewichteten Kanten verwendet werden, um die Veränderungen in dem Goodput auf Grund von Multihopping zu berücksichtigen.
Effekt auf Routing-Metrik
Wie es sich für einen Fachmann versteht, beeinflussen die Topologiekosten die verfügbare Kapazität einer Verbindung. Wenn die Topologiekosten zum Beispiel nicht vorhanden oder null sind, kann eine Verbindung all ihre vorhandene Bandbreite verwenden. Jede Topologiekosteneinheit repräsentiert einen Knoten, der die Bandbreite in der Nachbarschaft verwendet. Es ist schwierig, eine eins-zu-eins Korrelation zwischen den Topologiekosten und der Reduzierung bei der Bandbreitenkapazität herzustellen, da einige Knoten unnötigerweise mehrmals zählen können.
Für ein Kommunikationssystem mit ARQ-Fähigkeit (für: Automatic Repeat Request – automatische Wiederholungsanforderung) kann die Verbindungsverzögerung in einem Hop h gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Basis der folgenden Gleichung berechnet werden:
wo

T_d(h): die mittlere Verzögerung in Hop h ist,
L(h): die Referenz-(oder mittlere)Paketgröße in Hop h ist,
t_s: die Gesamtsendezeit, Overhead umfassend, als eine Funktion der Datenrate und Paketgröße ist,
t_e(h): die Extrazeit, die für eine erneute Übertragung in Hop h erforderlich ist, ist,
t_w(h): die Wartezeit bei dem ersten Übertragungsversuch in Hop h ist,
R(h): die mittlere Datenrate in Hop h ist,
PCR(h): die Paketfertigstellung in Hop h ist.

Für ein markiertes Paket entlang einer Route lautet die gesamte mittlere Verzögerung
wobei H die Anzahl an Hops ist.
Der Goodput G(h) in jedem Hop kann als G(h) = L(h)/T_d(h) berechnet werden. In diesem Zusammenhang ist es das Ziel der Topologiesteuerung, einen Gesamtgoodput in einer gegebenen Nachbarschaft zu erhöhen. Falls Topologiekosten (C) steigen, sinkt zum Beispiel G. Eine Topologiesteuerung beeinflusst t_w, t_e und H für einen Verkehrsfluss. Die Variable t_e ist eine Funktion der Backoffzeit der erneuten Übertragung und des Verkehrs der Nachbarn, die zu diesem Zeitpunkt übertragen können (d. h. Konkurrenzgrad). Die Variable t_w ist eine Funktion der Pakete vorne in der Knotenwarteschlange und des Verkehrs der Nachbarn, die zu diesem Zeitpunkt übertragen können. Die Topologiesteuerung ist bestrebt, den Konkurrenzgrad zu reduzieren, was es erforderlich machen kann, H zu erhöhen, deren Gesamtverzögerung reduziert werden sollte.
Falls die Routenmetrik als
gewählt ist, da t_w und t_e Topologiekosten enthalten, wenn keine optimale Topologie gewählt wird, kann die Metrik mit Topologiekosten größer als 1 so geschrieben werden:
wobei C(h) die Topologiekosten für Hop ”h” sind und α einwillkürlicher Skalierfaktor ist.
Routenselektion
Unterschiedliche Verfahren zum Selektieren von Routen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben.
Unicast-Verfahren
Ein anfordernder Knoten 102-1, der eine Routenanforderungsnachricht (z. B. durch Unicasten der Routenanforderung) erstellt oder weiterleitet, berechnet die Variablen C_Tx,req und C_Rx,req, die oben beschrieben werden. Der anfordernde Knoten 102-1 umfasst Informationen in Bezug auf das Maximum der zwei Variablen C_Tx,req und C_Rx,req in der Routenanforderung. Der Empfängerknoten 102-2 wiederum berechnet die Variablen C_Tx,rep und C_Rx,rep, wie oben erörtert wird. Der anfordernde Knoten 102-1 berechnet dann die endgültigen Verbindungskosten als das Maximum von C_Tx,req, C_Rx,req, C_Tx,rep und C_Rx,rep. Um weitere Verbindungen ausfindig zu machen, kann der anfordernde Knoten 102-1 darüber hinaus eine Erkundungsprozedur (”Scouting Procedure”) verwenden, wie zum Beispiel in einer gleichzeitig anhängigen, am 12. November 2004 eingereichten U.S.-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10/986,698 und dem Titel ”System and Method to Scout for Routes in a Wireless Network”, beschrieben wird, deren gesamter Inhalt hier durch Literaturhinweis umfasst wird. Angenommen, dem anfordernden Knoten 102-1 stehen mehrere Verbindungen zur Wahl, dann kann der anfordernde Knoten 102-1 zum Routen die Verbindung selektieren, die die geringsten Verbindungskosten aufweist.
Broadcast-Verfahren
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Knoten 102-1 ein Broadcast-Verfahren ausführen, um die Verbindungskosten entlang einer Route zu ermitteln. Das Broadcast-Verfahren ist dem oben beschriebenen Unicast-Verfahren ähnlich, mit der Ausnahme, dass der Pfadverlust zu dem Empfänger der Routenanforderung (d. h. Zielknoten 102-2) verwendet wird, um einen Wert für die Variable C_Rx,req zu ermitteln. Deshalb wird das Erkundungsverfahren wie oben erörtert verwendet, um die Verbindungen zu dem Zielknoten 102-2 zu identifizieren. Der Zielknoten 102-2 antwortet auf alle empfangenen Anforderungen über die verschiedenen Pfade zu dem Quellknoten 102-1. Der Quellknoten 102-1 ermittelt dann die beste Route zu dem Zielknoten 102-2 auf Basis der Routenantworten, die der Quellknoten 102-1 empfängt, und sendet eine überflüssige Routenantwort durch die Route, die der Quellknoten 102-1 selektiert hat, um sicherzustellen, dass die umgekehrte Route richtig festgelegt ist.
Die in 6 und 7 dargestellten Beispiele veranschaulichen, dass die Anwendung einer Topologiesteuerung in einem einfachen Netz die Kapazität in hohem Maße verbessern kann, zum Beispiel von 0,9 Megabit pro Sekunde (Mbps) auf 1,3 Mbps. Insbesondere stellt 6 zwei Kommunikationsflüsse dar, wobei ein Fluss zwischen zwei Knoten (z. B. Knoten 102-1 und 102-2), die als Knoten A beziehungsweise B bezeichnet werden, und der andere zwischen zwei Knoten (z. B. Knoten 102-3 und 102-4), die als Knoten C beziehungsweise D bezeichnet werden, erfolgt. In diesem Beispiel wird ein Knoten 102-5 als Knoten E repräsentiert. Die Abstände zwischen den Knoten A und B, zwischen den Knoten B und C und zwischen den Knoten C und D sind in diesem Beispiel gleich oder ungefähr gleich. Der Abstand zwischen den Knoten C und E ist kleiner als der Abstand zwischen den Knoten C und D, und der Abstand zwischen den Knoten D und E ist ebenfalls kleiner als der Abstand zwischen den Knoten C und D. Die gestrichelten Kreise 600-1 bis einschließlich 600-4 repräsentieren die entsprechenden Übertragungsbereiche der Knoten A bis einschließlich D respektive. Die in den Knoten B und C gewählte Sendeleistung ist derart, dass sie gegenseitige Übertragungen empfangen können. Das hindert beide Flüsse daran, den maximalen Durchsatz zu erzielen, da sie das Medium auf Kosten des anderen belegen müssen. In diesem Beispiel kann die Gesamtkapazität in dem Netz 100, die die Summe der individuellen Durchsatzwerte von beiden der Flüsse ist, ungefähr 0,9 Mbps betragen.
7 stellt dasselbe Szenario, wie es in 6 dargestellt wird, und dieselben Kommunikationsflüsse dar, außer, dass der Knoten C mit dem Knoten D durch den Knoten E kommuniziert. Wie dargestellt wird, sind die Abstände zwischen den Knoten A und B, B und C, und C und D gleich, der Abstand zwischen den Knoten C und E ist kleiner als derjenige zwischen den Knoten C und D, und der Abstand zwischen den Knoten D und E ist kleiner als derjenige zwischen den Knoten C und D. Der Knoten C ist durch ein Kommunizieren durch den Knoten D im Stande, seine Sendeleistung auf einen Wert zu reduzieren, der ausreicht, um erfolgreich mit dem Knoten E zu kommunizieren. Falls der Abstand zwischen den Knoten C und E kleiner ist als derjenige zwischen den Knoten C und D, beeinträchtigt ihre Kommunikation außerdem die Kommunikation zwischen den Knoten A und B nicht. Die beiden Flüsse können koexistieren, wodurch sich eine größere Systemkapazität, zum Beispiel 1,3 Mbps, ergibt.
In der vorangehenden Spezifikation sind spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Es versteht sich allerdings für einen ordentlichen Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Umfang der vorliegenden Erfindung wie in den Ansprüchen unten dargelegt abgewichen wird. Die Spezifikation und die Figuren sind folglich vielmehr in einem veranschaulichenden als in einem beschränkenden Sinne zu betrachten, und es ist beabsichtigt, dass alle solchen Modifikationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung umfasst werden. Die Vorteile, Nutzen, Lösungen für Probleme und jegliches Element/jegliche Elemente, die dazu führen können, dass irgendein(e) Vorteil, Nutzen oder Lösung auftritt oder deutlicher hervortritt, sind nicht als entscheidende, erforderliche oder wesentliche Merkmale oder Elemente von irgendeinem oder all der Ansprüche auszulegen. Die Erfindung wird einzig und allein durch die angehängten Ansprüche definiert, wobei jegliche Änderungen, die während der Rechtsanhängigkeit dieser Anmeldung vorgenommen werden, und alle Äquivalente jener Ansprüche wie herausgegeben, umfasst werden.

Claims

Verfahren zum Erhöhen einer Netzkapazität einer Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten, wobei das Verfahren ein Betreiben jedes Knotens aus der Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten umfasst zum: Anpassen einer Sendeleistung einer Senders innerhalb des Knotens, um eine wirksame Kommunikation mit jedem anderen Knoten aus der Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten zu ermöglichen, durch den er Informationen sendet; und Auswählen eines oder mehrerer Knoten aus der Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten, durch die der Knoten Informationen sendet, zumindest teilweise basierend auf einer Gesamtpfadmetrik, wobei die Gesamtpfadmetrik berechnet wird unter Verwendung eines Einflusses des Knotens auf eine Kommunikation des einen oder der mehreren anderen Knoten und eines Einflusses des einen oder der mehreren anderen Knoten auf eine Kommunikation des Knotens.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen der Sendeleistung zumindest eines von einem Anpassen der Sendeleistung eines Steuerframes und einem Anpassen der Sendeleistung eines Datenframes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei jeder der anderen Knoten einen oder mehrere Vorläufer-Knoten und einen nächsten Hop zu einem Zielknoten umfasst und wobei das Anpassen der Sendeleistung ein Anpassen der Sendeleistung von einer Mehrzahl von Steuerframes umfasst, von denen jeder für den einen oder die mehreren Vorläufer-Knoten und den Zielknoten bei einer gleichen Sendeleistung bestimmt ist, bei der eine Übertagung der Mehrzahl von Steuerframes jeden des einen oder der mehreren Vorläufer-Knoten und den Zielknoten erreichen kann.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Mehrzahl von Steuerframes eine Mehrzahl von Sendeanforderungsnachrichten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei jeder der anderen Knoten einen oder mehrere aktive Nachbarknoten umfasst und wobei das Anpassen der Sendeleistung ein Anpassen der Sendeleistung von einer Mehrzahl von Steuerframes umfasst, von denen jeder für einen des einen oder der mehreren aktiven Nachbarknoten bei einer gleichen Sendeleistung bestimmt ist, bei der eine Übertragung von der Mehrzahl von Steuerframes jeden von dem einen oder den mehreren aktiven Nachbarknoten erreichen kann.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl von Steuerframes eine Mehrzahl von Sendebereitschaftsnachrichten umfasst und wobei ferner der eine oder die mehreren aktiven Nachbarknoten eine Quelle einer Sendeanforderungsnachricht beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtpfadmetrik Topologiekosten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Erhöhung der Netzkapazität der Menge von drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knoten umgekehrt abhängig von den Topologiekosten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einfluss des Knotens auf eine Kommunikation des einen oder der mehreren anderen Knoten proportional zu einer Anzahl des einen oder der mehreren anderen Knoten in einem Übertragungsbereich des Knotens ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einfluss des einen oder der mehreren anderen Knoten auf eine Kommunikation des Knotens proportional zu einer Anzahl des einen oder der mehreren anderen Knoten ist, bei denen der Knoten sich innerhalb eines Übertragungsbereichs des einen oder mehreren anderen Knoten befindet.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten, umfassend: einen Sender zum Kommunizieren mit einem oder mehreren anderen Knoten innerhalb eines drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Netzwerkes; und ein Topologiesteuerungsmodul, das an den Sender gekoppelt ist, wobei das Topologiesteuerungsmodul in Betrieb ist zum: Anpassen einer Sendeleistung eines Senders innerhalb des Knotens, um eine wirksame Kommunikation mit jedem des einen oder der mehreren anderen Knoten zu ermöglichen, durch den der drahtlose Ad-hoc-Multihopping-Knoten Informationen sendet; und Auswählen eines oder mehrerer Knoten von dem einen oder den mehreren anderen Knoten, durch die der drahtlose Ad-hoc-Multihopping-Knoten Informationen sendet, zumindest teilweise basierend auf einer Gesamtpfadmetrik, wobei die Gesamtpfadmetrik berechnet wird unter Verwendung eines Einflusses des drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knotens auf eine Kommunikation des einen oder der mehreren anderen Knoten und eines Einflusses des einen oder der mehreren anderen Knoten auf eine Kommunikation des drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knotens.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 11, wobei das Topologiesteuerungsmodul die Sendeleistung von zumindest einem von einem Steuerframe und einem Datenframe anpasst.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 12, wobei jeder von dem einen oder den mehreren anderen Knoten einen oder mehrere Vorläufer-Knoten und einen nächsten Hop zu einem Zielknoten umfasst und wobei das Topologiesteuerungsmodul die Sendeleistung von einer Mehrzahl von Steuerframes anpasst, von denen jeder für den einen oder die mehreren Vorläufer-Knoten und den Zielknoten bei einer gleichen Sendeleistung bestimmt ist, bei der eine Übertragung von der Mehrzahl von Steuerframes jeden des einen oder der mehreren Vorläufer-Knoten und den Zielknoten erreichen kann.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 13, wobei die Mehrzahl von Steuerframes eine Mehrzahl von Sendeanforderungsnachrichten umfasst.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 12, wobei jeder von dem einen oder den mehreren anderen Knoten einen oder mehrere aktive Nachbarknoten umfasst und wobei das Topologiesteuerungsmodul die Sendeleistung von einer Mehrzahl von Steuerframes anpasst, von denen jeder für einen des einen oder der mehreren aktiven Nachbarknoten bei einer gleichen Sendeleistung bestimmt ist, bei der eine Übertragung von der Mehrzahl von Steuerframes jeden des einen oder der mehreren aktiven Nachbarknoten erreichen kann.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 15, wobei die Mehrzahl von Steuerframes eine Mehrzahl von Sendebereitschaftsnachrichten umfasst und wobei ferner der eine oder die mehreren aktiven Nachbarknoten eine Quelle einer Sendeanforderungsnachricht beinhalten.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 11, wobei die Gesamtpfadmetrik Topologiekosten umfasst.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 17, wobei eine Verringerung der Topologiekosten zu einer Vergrößerung der Netzkapazität eines drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Netzwerkes führt, in dem der drahtlose Ad-hoc-Multihopping-Knoten in Betrieb ist.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 11, wobei der Einfluss des drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knotens auf eine Kommunikation des einen oder der mehreren anderen Knoten proportional ist zu einer Anzahl des einen oder der mehreren anderen Knoten in einem Übertragungsbereich des drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knotens.
Drahtloser Ad-hoc-Multihopping-Knoten nach Anspruch 11, wobei der Einfluss des einen oder der mehreren anderen Knoten auf eine Kommunikation des drahtlosen Ad-hoc-Multihopping-Knotens proportional ist zu einer Anzahl des einen oder der mehreren anderen Knoten, bei denen sich der drahtlose Ad-hoc-Multihopping-Knoten innerhalb eines Übertragungsbereichs des einen oder der mehreren anderen Knoten befindet.