DE60211488T2

DE60211488T2 - System und verfahren zur sendeplanung unter verwendung von netzwerkmitgliederschaftsinformationen und umgebungsinformationen

Info

Publication number: DE60211488T2
Application number: DE60211488T
Authority: DE
Inventors: J. Jose San Mateo GARCIA-LUNA-ACEVES
Original assignee: Nokia Inc
Current assignee: Nokia Inc
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: GB2390275A; EP1371183A1; ES2264473T3; WO2002069577A1; CA2439680A1; EP1371183B1; DE60211488D1; ATE326804T1; GB0322295D0; EP1371183A4

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das zeitliche Einplanen von Übertragungen ohne Kollisionen in Zufallsnetzwerken mit Funkverbindungen, in denen sowohl Hosts als auch Netzwerke an die Router angehängt werden können.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Zufallsnetzwerke (d.h. Mehrsprungpaketfunknetzwerke) sind eine Technologie, die eine nahtlose Ausdehnung des Internets in die Mobilfunkumgebung hinein ermöglicht. In Zufallsnetwerken können Knoten (Stationen oder Paketradios) mobil sein und mit einem anderen Knoten entweder direkt oder über Zwischenknoten kommunizieren, ohne dass eine bereits existierende Netzwerkinfrastruktur vorausgesetzt wird. Da Zufallsnetzwerke sich selbst konfigurieren, sich dynamisch verbinden, sich im Mehrsprungsverfahren verbreiten (multihop propagation) und vollständig verteilt sind, sind sie zwar für viele neue Anwendungen sehr attraktiv, bringen jedoch auf der Verbindungs- und Netzwerkebene schwierige Probleme mit sich.
Für drahtlose Netzwerke wurden viele MAC-Protokolle (Medium Access Control) entwickelt. Ein solches, in Mehrsprungpaketfunknetzwerken verwendetes Protokoll ist das CSMA-Protokoll (Carrier Sense Multiple Access). Der Nachteil bei CSMA in Mehrsprungsnetzwerken besteht darin, dass Quellen, die voreinander versteckt sind, nicht ihre Übertragungen nachweisen können, so dass die Leistung von CSMA auf die Leistung eines reinen ALOHA-Protokolls absinkt.
Es wurden viele MAC-Protokolle vorgeschlagen und implementiert, um die "Hidden Terminal" Probleme von CSMA zu beseitigen. Der Durchsatz von CSMA-Protokollen ist sehr gut, solange die vielen Sender, die in Reichweite der gleichen Empfänger liegen, die Übertragungen der anderen Sender abtasten können. Leider wird durch die "Hidden Terminal" Probleme die Leistung von CSMA beträchtlich verschlechtert.
Das BTMA-Protokoll (Busy Tone Multiple Access – Belegtonvielfachzugriff) war ein Versuch, die "Hidden Terminal" Probleme von CSMA zu bekämpfen. BTMA ist für stationsbasierte Netzwerke ausgelegt und teilt den Kanal in einen Nachrichtenkanal und einen Belegttonkanal auf. Der Nachteil bei BTMA besteht darin, dass zur Übermittlung des Zustands des Datenkanals ein separater Kanal benötigt wird, dass der Empfänger den Belegtton übertragen muss, während er gleichzeitig den Träger im Datenkanal nachweist, und es schwierig ist, das Belegttonsignal in einem Schmalbandkanal nachzuweisen.
Ferner wurde ein vom Empfänger initiiertes BTMA-Protokoll für Paketfunknetzwerke vorgeschlagen. In diesem System überträgt der Sender vor dem Senden eines Datenpakets eine Sendeanforderung (RTS – Request to send) an den Empfänger. Wenn der Empfänger eine korrekte Sendeanforderung (RTS) erhält, überträgt er einen Belegtton auf einem separaten Kanal, um dadurch andere nahegelegene Quellen zu warnen, dass sie sich zurückhalten sollen. Die korrekte Quelle wird immer benachrichtigt, dass sie die Übertragung des Datenpakets vornehmen kann. Der Nachteil bei diesem System ist, dass trotzdem ein separater Belegttonkanal benötigt wird und der Empfänger in Vollduplex betrieben werden muss.
Es wurden auch mehrere Protokolle vorgeschlagen, die auf verschiedenen Typen von "Kollisionsvermeidungshandshake" beruhen, wobei kleine Steuerpakete zum Einsatz kommen, die Datenkollisionen verhindern sollen, wenn Quellen der Datenpakete sich nicht gegenseitig hören können. Der Ansatz der Kollisionsvermeidung beruht auf der grundlegenden Philosophie des SRMA-Protokolls (Split-Channel Reservation Multiple Access). Bei SRMA und den meisten darauffolgenden Kollisionsvermeidungsprotokollen sendet ein Senderknoten ein RTS-Paket an den beabsichtigten Empfänger, wobei er entweder vor dem Senden der RTS den Kanal wahrnimmt oder ihn nicht vor der RTS-Übertragung wahrnimmt. Ein Empfänger, der eine "reine" RTS hört, antwortet mit einem CTS-Signal (clear to send – klar zum Senden), und der Sender kann ein Datenpaket senden, nachdem er eine "reine" CTS hört.
Aber obwohl Kollisionsvermeidungsprotokolle und auf solchen Protokollen basierende Systeme im Laufe der letzten Jahre sehr beliebt geworden sind, leiden alle Kollisionsvermeidungs-MAC-Protokolle unter zwei die Leistung einschränkenden Problemen: (1) sie können keine Kanalzugriffsverzögerungsgarantien bereitstellen, was für Echtzeitanwendungen ein großes Problem ist; und (2) sie haben keine ausdrückliche Unterstützung für kollisionsfreies "Multicasting" oder "Broadcasting", was bedeutet, dass ein Knoten das gleiche Multicast-Paket mehrmals – einmal an jeden Multicast-Gruppennachbarn – senden muss, oder die Pakete müssen damit rechnen, dass die Leistung beim Empfang auf das Niveau des ALOHA-Protokolls absinkt. Außerdem benötigen Kollisionsvermeidungsprotokolle "Carrier Sensing" (Prüfen des Kabels auf anliegende Daten), was bei "Direct Sequence Spread Spectrum" Radios mit sehr hohen Chipraten weder vom technischen noch vom wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet korrekt implementiert werden kann.
Um Probleme durch "Hidden Terminal" Störungen zu umgehen, können Empfängern oder Sendern eindeutige Codes (Spreading Codes oder Frequenzsprungfolgen) zugewiesen werden. Ein Beispiel hierfür ist das Metricom-Netzwerk. Für empfängerorientierte Codezuweisung (ROCA) und senderorientierte Codeweisung (TOCA) ist es jedoch notwendig, entweder Radios im Voraus mit den Knoten-zu-Knoten Abbildungen zu konfigurieren, oder nach Codes zu suchen, die von benachbarten Sendern oder Empfängern benutzt werden. Des Weiteren wird effizientes Broadcasting nicht einfach durch Einrichten eines TOCA-Ansatzes garantiert.
Ein weiterer Ansatz für den Kanalzugriff, wie er in drahtlosen Mehrsprungnetzwerken verwendet wird, besteht im Einrichten von Übertragungszeitplänen, d.h. im Zuweisen von Stationen zu verschiedenen Zeiten und Datenkanälen (zum Beispiel Frequenzen, Spreading Codes oder deren Kombinationen) derart, dass keine Kollisionen auftreten. Die Übertragungszeitplanung kann statisch oder dynamisch sein; MAC-Protokolle, die auf dynamischer Übertragungszeitplanung basieren, machen sich die räumliche Wiederverwendung des Funkkanals zunutze und weisen somit eine viel höhere Kanalnutzung auf als Ansätze für feste Übertragungszeitplanung wie TDMA und FDMA.
Bei TDMA-Protokollen wird die Zeit in Frames aufgeteilt, die aus Timeslots bestehen. Timeslots werden spezifischen Knoten zugewiesen, oder es wird eine zentralisierte Station zur Zuweisung der Timeslots benutzt. Bei TDMA liegt der Nachteil an der festen Zuweisung von Timeslots zu Knoten, was eine langsame Anpassung an Netzwerkänderungen und eine schlechte Ausnutzung des Kanals bedeutet, wenn Knoten Quellen für stoßweisen Verkehr sind, und an der Verwendung zentralisierter Zuweisungen.
Es gibt viele Ansätze in der derzeitigen Technik, die auf dynamischen TDMA-Verfahren beruhen, in denen Stationen ALOHA, Slotted ALOHA oder andere Konkurrenzprotokolle in einem Uplink benutzen, um Timeslots von einer Basisstation anzufordern. Vor kurzer Zeit wurde eine Anzahl von Protokollen zur Bereitstellung von dynamischer Timeslotzuweisung vorgeschlagen, ohne die zentrale Basisstationen vorsehen zu müssen. Diese Protokolle können in topologieunabhängige und topologieunabhängige Zeitplanungsprotokolle gegliedert werden.
In diesen Protokollen werden Knoten im Voraus zugewiesen (zum Beispiel mittels ihrer Knotenkennungen), oder in einen Übertragungszeitplan aufgenommen, der veröffentlicht wird, wobei ein solcher Plan die Zeiten angibt, zu denen ein Knoten sendet oder empfängt. Die Protokolle garantieren oder bieten die hohe Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eine Übertragungszeit im Übertragungszeitplan eines Knotens nicht mit einem Knoten konfliktiert, der einen Sprung oder zwei Sprünge weit entfernt ist. Knoten sind unfähig zu bestimmen, welche Übertragungen erfolgreich sind; was die Arbeit von Protokollen auf höherer Ebene (zum Beispiel der Verbindungsebene) erschwert. Diese Ansätze benötigen auch, als Eingangsparameter für den Algorithmus, Werte für die gesamte Anzahl von Knoten im Netzwerk und die maximale Anzahl von Nachbarn für jeden Knoten, so dass das Design auf den schlimmsten Fall eingerichtet ist (und somit nicht effizient ist, wenn das Netzwerk nicht so dicht wie erwartet ist) oder empfindlich gegenüber tatsächlichen Netzwerkbedingungen ist (wenn das Netzwerk größer oder dichter als erwartet ist).
Manche Protokolle setzen voraus, dass Knoten konkurrieren müssen, um kollisionsfreie Timeslots zu reservieren, wobei das Konkurrieren auf jedem Minislot erfolgt. Des Weiteren sind sie abhängig davon, dass jeder Slot in mehrere Minislots aufgeteilt wird. Dies alles führt dazu, dass die Mindestdauer, die Slots haben können, begrenzt ist.
Es wurden mehrere Vorschläge unterbreitet, die auf TDMA basieren und einen anfänglichen topologieunabhängigen Übertragungszeitplan benötigen, wonach die Netzwerkknoten miteinander kommunizieren, um einen endgültigen Zeitplan auszuhandeln. Weil Zeitpläne benötigt werden, die festliegen und mehrere Schritte für die Annäherung benötigen, und weil sie eine Zeitplanungsframegröße aufweisen müssen, die gleich der maximalen Größe des Netzwerks ist, sind diese Ansätze gegenüber Mobilitäts- oder anderen Dynamikaspekten nur begrenzt skalierbar und robust. Bei einem anderen Ansatz muss eine anfängliche Zuweisung eines Slots pro Knoten erfolgen, und dann müssen die Übertragungszeitplanpakete zur Zuweisung der anderen Slots verhandelt werden. Der anfänglich zugewiesene Slot ist jedoch auf den ersten Slot in jedem "Frame" beschränkt. Somit tritt der jedem Knoten zugewiesene Slot nach je N Frames auf, wobei N die maximale Netzwerkgröße ist. Dieser Ansatz lässt sich jedoch nicht skalieren und sich nur langsam an dynamische Verkehrsbedingungen anpassen.
Ein weiteres Protokoll, das REALM-Protokoll (Robust Environmentally Adaptive Link/MAC), wurde in Kombination mit dem NETS-Protokoll (Neighborhood Established Transmission Scheduling) entwickelt. REALM ist ein MAC-Protokoll, bei dem Kollisionsvermeidung ohne Handshakes zwischen Sendern und Empfängern erzielt wird. REALM setzt ein synchrones Netzwerk voraus, das in Timeframes aufgegliedert ist, die in Slots unterteilt sind. Das Ausmaß der von REALM angenommenen Synchronisation gleicht der Synchronisation, wie sie in jedem Netzwerk benötigt wird, das mit Frequenzsprungradios arbeitet, wie solche, die zum Betrieb in ISM-Bändern dienen und die heute im Handel angeboten werden.
Zur Erzielung von Kollisionsvermeidung muss ein Knoten, der REALM ausführt, die Kennungen seiner Einsprung- und Zweisprungnachbarn und die gegenwärtige Zeit im Netzwerk kennen (zum Beispiel die Nummer des aktuellen Frames). Der Nachteil bei REALM und NETS ist, dass die Geschwindigkeit, mit der die Pläne gebildet werden, von der unregelmäßigen Zeit abhängt, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Übertragungen von NETS-Zeitplanungspaketen verstreicht, die REALM als den einzigen Mechanismus zur Bestimmung des Zeitpunktes benutzen, zu dem ein Knoten seinen Übertragungszeitplan seinen Nachbarn unterbreiten sollte. Ferner besteht die Möglichkeit großer Abweichungen in der Durchschnittsanzahl von Frames zwischen erfolgreichen Unterbreitungen von NETS-Planungspaketen. Dies kann einen gegebenen Knoten daran hindern, die benötigten Reservierungen einzurichten, und außerdem die Synchronisierung des Netzwerks beeinträchtigen, wenn der im Netzwerk verwendete Synchronisierungsmechanismus die Übertragung von Steuerpaketen mit REALM voraussetzt.
WO 00/48367 offenbart ein Kommunikationsprotokoll, welches Verbindungsebenen- und MAC-Ebenenfunktionen für drahtlose Netzwerke bereitstellt. Das Protokoll erlaubt die zeitliche Planung von Paketen auf kollisionsfreie und vorhersagbare Weise.
Conference Proceedings IEEE, Band 1 (22), Seiten 507–511 (Oktober 2000), offenbart einen topologieabhängigen TDMA-Algorithmus, der automatisch kollisionsfreien Kanalzugriff an jedem Knoten mit einer oder mehreren sich wiederholenden Konkurrenzphasen vor dem Kanalzugriff plant, sobald alle Knoten Topologieinformation über ihre Zweisprungnachbarn erhalten.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der obengenannten Mängel, Nachteile und Probleme und wird beim Lesen und Untersuchen der folgenden Spezifikation verständlich.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 18 und einen Knoten nach Anspruch 24 bereit.
Das Verfahren und das System dienen dazu, die kollisionsfreie Übertragung von Paketen in einem Kanal bereitzustellen, derart, dass

(a) eine obere Grenze erzwungen werden kann für die Zeit, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden, dem gleichen Knoten zugewiesenen Timeslots verstreicht,
(b) kein Kollisionsvermeidungshandshake für jede Paketübertragung erforderlich ist, und
(c) im Voraus keine Zuweisung von Übertragungszeiten (Timeslots), Kanälen oder Codes erforderlich ist.

In einer Ausführungsform wird die Zeit in Frames unterteilt, die aus einer bekannten Anzahl von Timeslots bestehen, und die Frames können weiter in Epochen aufgegliedert sein.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein fester Satz von Timeslots in einem Frame ausschließlich für die quasistatische, deterministische planmäßige Zuweisung solcher Slots zu Knoten bestimmt, und ein weiterer Satz von Timeslots wird den Knoten planlos zugewiesen. Das Ziel des quasistatischen Slotzuweisungsverfahrens besteht darin, eine obere Grenze für die Zeit, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden, dem gleichen Knoten zugewiesenen Timeslots verstreicht, zu erzwingen. Das Ziel des dynamischen Slotzuweisungsverfahrens besteht in der sehr effizienten gemeinsamen Nutzung von Slots.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird REALM für dynamische Slotzuweisung benutzt. Parallel zu REALM läuft ein verteilter Algorithmus, der zur quasistatischen Zuweisung von Slots zu Knoten dient. Das für die quasistatische Zuweisung von Slots zu Knoten verwendete Verfahren basiert auf Information, die auf jedem Knoten im Netzwerk geführt wird. Hierzu gehören der Startpunkt (Slot 1) für die Zuweisung von Timeslots für die quasistatische Zeitplanung, die Liste von Knoten, die als Teil des Netzwerks akzeptiert wurden, und die neueste Netzwerkzeit. Der Knoten bestimmt, ob die Liste der Knoten im Netzwerk aktuell ist oder nicht auf der neuesten Netzwerkzeit basiert.
Die Liste der zum Netzwerk gehörenden Knoten wird mittels des im Netzwerk benutzten Routingprotokolls unter den Knoten ausgeteilt. Die neueste Netzwerkzeit wird mit Hilfe eines Algorithmus für verteilte Zeitsynchronisierung, wie dem in REALM benutzten Algorithmus, ausgewählt. Der Startpunkt für die Zuweisung von Timeslots für quasistatische Zeitplanung kann als der erste, in einer Epoche verfügbare Timeslot definiert werden.
Jeder Knoten weist jeder der bekannten Knotenkennungen, die Teil der Netzwerkmitgliedschaft sind, die mittels Routingpaketen verteilt wurde, einen Timeslot für quasistatische Zuweisung zu. Die Regel für diese verteilte Zuweisung von Knotenkennungen zu Slotkennungen in quasistatischer Zeitplanung kann sehr einfach sein, einschließlich dem kreisförmigen Ordnen von Knotenkennungen in aufeinanderfolgende Slotkennungen. Das Ziel dieser Regel besteht darin, den im Netzwerk existierenden Knoten die größte Anzahl von quasistatischen Zuweisungsslots zu geben.
Wenn ein Knoten betriebsfähig wird, benutzt er nur das dynamische Slotzuweisungsverfahren zur Übertragung seiner Pakete. Das Vorhandensein eines neuen Knotens wird einem Knoten als Teil entweder des Routingprotokolls oder eines im Netzwerk benutzten Nachbarprotokolls bekanntgegeben. Das Vorhandensein des neuen Knotens wird allen Knoten im Netzwerk mittels des Routingprotokolls mitgeteilt.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform nehmen Knoten neue Knoten zur quasistatischen Zeitplanung unabhängig von einander auf, und ein neuer Knoten kann anfangen, die für quasistatische Zeitplanung reservierten Timeslots zu benutzen, nachdem er Routingnachrichten von einem oder von allen seiner Nachbarn erhält, die anzeigen, dass der Knoten Teil der Routingtabellen seiner Nachbarn ist. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform nehmen alle Knoten einen neuen Knoten in die Liste der für quasistatische Zeitplanung benutzten Knoten zu genau gleicher Zeit durch Anlegen eines Timeout Intervalls auf, wenn sie erstmalig vom Vorhandensein des Knotens hören. Das Timeout Intervall beginnt mit der Netzwerkzeit, zu der der Knoten seine Gegenwart erstmalig ankündigte, und endet nach einer Zeitspanne, die ausreicht, um sicherzustellen, dass alle Knoten vom Vorhandensein des neuen Knoten wissen.
Um die zur quasistatischen Zeitplanung zugewiesenen Timeslots zu benutzen, ordnet ein Knoten einfach die Kennungen der Knoten, die bekanntlich zur bekannten Netzwerkmitgliedschaft gehören, und bildet sie in geordneter Weise auf den für quasistatische Zeitplanung reservierten Timeslots ab. Im stationären Zustand weisen alle Knoten, die in das Netzwerk aufgenommen wurden, den gleichen Timeslot der gleichen Knotenkennung zu, weil alle die gleiche Liste von aufgenommenen Netzwerkknoten haben und alle Knoten den gleichen Startpunkt (das heißt Slot 1) für die Zuweisung von Knoten zu Slots in quasistatischer Zeitplanung benutzten.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, zum Zwecke einer effizienteren Kanalnutzung für quasistatische Zeitplanung bei Vorhandensein mehrerer Internetzugriffspunkte (AirHeads) im System, kann jeder Knoten die Liste der in das Netzwerk aufgenommenen Knoten mit der Kennung des AirHead verknüpfen, das vom Knoten zum Zugriff auf das Internet verwendet wird.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform können die für quasistatische Zeitplanung zugewiesenen Timeslots zur Übertragung kurzer Steuerpakete benutzt werden, während die für dynamische Zeitplanung zugewiesenen Timeslots zur Übertragung langer Steuerpakete benutzt werden können. Dies kann wünschenswert sein, um die Kanalnutzung zu erhöhen.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist keine Basisstation notwendig, um Slotzuweisungen vorzunehmen. Außerdem müssen Slots nicht weiter unterteilt werden, und Knoten müssen nicht in weniger als einer Framezeit auf Nachbarn antworten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Zufallsnetzwerk, bevor IR G betriebsfähig wird;
2 stellt einen quasistatischen Zeitplan dar, der an allen IRs benutzt wird, bevor IR G betriebsfähig wird;
3 veranschaulicht ein Zufallsnetzwerk, nachdem IR G betriebsfähig wird;
4 stellt einen quasistatischen Zeitplan dar, der an den IRs C, D, E und F sofort nach Empfang der Routingaktualisierung von IR G benutzt wird;
5 veranschaulicht mögliche Kollisionen an IRs aufgrund unstimmiger Zeitpläne;
6 stellt die Berechnung der Aufnahmeniederhaltezeit für eine neue IR an jedem IR im Netzwerk dar,
7 veranschaulicht eine Aktualisierung gemäß des AIR-Protokolls;
8 veranschaulicht ein IR, das eine Aufnahmeknotentabelle und eine neue Knotentabelle führt;
9 stellt einen Frame mit einer festen Anzahl von Timeslots für dynamische Zeitplanung und einer festen Anzahl von Timeslots für quasistatische Zeitplanung dar;
10 veranschaulicht, wie ein IR vom Vorhandensein eines neuen IR erfährt;
11 veranschaulicht ein Verfahren zur Aufnahme eines IR in die Aufnahmeknotentabelle; und
12 stellt einen Prozess beim Empfang einer AIR-Aktualisierung durch ein IR gemäß Aspekten der Erfindung dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Spezifikation sind und spezifische beispielhafte Ausführungsformen für die Implementierung der Erfindung anschauungsweise darstellen. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Nummern gleiche Teile in allen Ansichten. Ferner gilt eine Angabe im Singular auch für den Plural, soweit nichts anderes angegeben oder inkonsistent mit der enthaltenen Offenbarung ist.
Im Folgenden sollen ein System und ein Verfahren für die Zeitplanung von Übertragungen in Zufallsnetzwerken beschrieben werden.
I. Grundlegender Service und Annahmen
Zum Zwecke dieser Diskussion sind die im beispielhaften Netzwerk verwendeten Radios Halbduplex und stellen sich jeweils auf nur einen Kanal ein, obwohl sie auf jeden der verfügbaren Kanäle umschalten können. Wie frühere MAC-Protokolle, die auf Übertragungszeitplanung basieren, ist die Zeit in Slots (Schlitze) eingeteilt und diese Slots sind zu Frames zusammengefasst. Frames wiederum werden zu Epochen zusammengefasst.
Mehrere orthogonale Datenkanäle können zur Datenübertragung zur Verfügung stehen. Diese Kanäle können mittels vieler Frequenzbänder, Direktsequenz Spreading Codes oder Frequenzsprung Spreading Codes oder mittels Kombinationen von Wellenformen, die solche Techniken kombinieren, implementiert werden. Die folgende Beschreibung befasst sich insbesondere mit der Zuweisung von Timeslots für Broadcastübertragungen über einen gemeinsamen Kanal, so dass Knoten Steuerpakete, die zum Einrichten von Übertragungszeitplänen über viele Datenkanäle benutzt werden, oder Datenpakete senden können.
Ferner werden für die folgende Beschreibung bidirektionale physische Verbindungen unter benachbarten Knoten angenommen. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird jeder Nachbar eines Knotens durch den Knoten identifiziert, der eine von Sender zugewiesene lokale Verbindungskennung benutzt, die mit "XLID" bezeichnet wird. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform können Knoten durch ihre MAC-Adressen identifiziert werden. In der Beschreibung der hier vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck "Knotenkennung" entweder XLIDs oder MAC-Adressen von Knoten.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden Timeslots mit Hilfe einer eindeutigen Kennung identifiziert, die die Position eines Timeslots in einem Frame und die Position eines Frames in einer Epoche bezeichnet. Eine Epoche kann mit Hilfe der aktuellen Zeit identifiziert werden, die zwischen den Knoten mit Hilfe eines Zeitsynchronisierungsalgorithmus vereinbart wurde. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck "Slotkennung" die Kennung eines Timeslots, der auf dem "Netzwerkalter" des Netzwerks basiert. Jede Epoche hat eine feste Anzahl von Frames, und jeder Frame hat eine feste Anzahl von Timeslots.
Jeder Knoten kann eine vorherbestimmte maximale Anzahl von aktiven Einsprungnachbarn aufweisen. Jedem aktiven Einsprungnachbarn wird eine Knotenkennung zugewiesen, wobei angenommen wird, dass der Knoten den aktiven Nachbarn die Kennungen fortlaufend zuweist.
Die Knoten, die das im Folgenden beschriebene Verfahren ausführen, werden "Internet Radios" (IR) genannt. Die Ausdrücke "Knoten" und "Internet Radio" können in der Beschreibung gegeneinander ausgetauscht werden. Im Netzwerk existiert ein Routingprotokoll, welches derart funktioniert, dass jedes IR Routinginformation über jedes andere IR im Netzwerk führen kann. Die Anzahl von Timeslots, die in einer Epoche für quasistatische Zeitplanung verfügbar sind, ist größer als die Anzahl von IRs im Netzwerk.
Der grundlegende Service, den die beschriebene Ausführungsform bereitstellen soll, besteht darin, Timeslots für IRs für kollisionsfreie Broadcast Übertragungen über einen gemeinsamen Broadcast Kanal zu reservieren, derart, dass eine obere Grenze für die Zeit, die zwischen zwei, einem gegebenen IR im System zugewiesenen Timeslots verstrichen ist, sichergestellt ist.
II. Austauschen und Führen von Information
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Zufallsnetzwerk, bevor IR G betriebsfähig ist. Das Zufallsnetzwerk besteht aus einer Anzahl von Subnetzwerken 20, 30, 40, 50, die eine Ausdehnung des Internets über eine Anzahl von IRs (100, 110, 120, 130 und 140) bereitstellen. Jedes IR 100 bis 140 ist ein drahtloser Router mit einer IP-Adresse und einer MAC-Adresse. Das Zufallsnetzwerk 20 hängt sich über einen Zugriffspunkt, genannt "AirHead.1", an das Internet 900 an. Das AirHead in 1 ist IR 110, welches über das lokale Netzwerk 40 an einen Internet Router 200 angeschlossen ist.
Nach einer begrenzten Zeitspanne sind die fünf IRs (100–140) im Zufallsnetzwerk 20 von 1 im Besitz der gleichen Liste von im Netzwerk vorhandenen IRs.
Die IRs im Netzwerk sind synchronisiert und vereinbaren die Perioden, während welcher Pakete (zum Beispiel Steuerpakete) gesendet werden. Diese Perioden werden "Frames" genannt. Jeder Frame ist mit einem "Netzwerkalter" (NetAge) verknüpft, welches sich von Frame zu Frame ändert und im ganzen Netzwerk bekannt ist. Zum Beispiel kann das Netzwerk mittels Epochen, Frames und Slots synchronisiert sein und eine konstante Ganzzahl (S) von Slots pro Frame und eine konstante Ganzzahl (F) von Frames pro Epoche beinhalten. Innerhalb jeder Epoche sind die Frames von 1 bis F (der "Framenummer") fortlaufend nummeriert. Epochen sind ebenfalls fortlaufend nummeriert und gehen nach E Epochen zurück zu Epoche Nummer 1. Das obige Netzwerk kann entweder die mit der Epochennummer verkettete Framenummer oder einfach nur die Framenummer sein, wenn die Anzahl der Frames in einer Epoche genügend groß ist.
Jedes IR erfährt die eindeutigen Knotenkennungen der IRs, die einen Sprung oder zwei Sprünge entfernt, das heißt innerhalb der Zweisprungnachbarschaft, liegen. Ein IR erfährt von dem Vorhandensein seiner direkten (Einsprung-) Nachbarn mittels eines Nachbarentdeckungs- und Managementprotokolls, möglicherweise in Kombination mit Steuerpaketen. Zweisprungnachbarn und Knoten jenseits der Zweisprungentfernung vom Knoten werden durch Steuerpakete bekanntgegeben.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das REALM-Protokoll (Robust Environmentally Aware Link and MAC) für die dynamische Zuweisung von Übertragungsslots benutzt. Andere Protokolle können benutzt werden.
Bei Benutzung von REALM bestimmen IRs die aktuelle Netzwerkzeit, die den aktuellen Timeslot im aktuellen Frame der aktuellen Epoche identifiziert. Der Startpunkt (Slot 1) für die Zuweisung von Timeslots für quasistatische Zeitplanung wird einfach als der erste Timeslot einer Epoche definiert. Dies liegt daran, dass REALM eine konstante Anzahl Frames pro Epoche benutzt und es so einem IR ermöglicht zu wissen, in welchem Frame und in welchem Slot es sich gegenwärtig befindet.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das AIR-Protokoll (Adaptive Internet Routing) für die Verteilung von Routinginformation benutzt. Andere Protokolle können benutzt werden.
Da in AIR jeder Knoten seinen Nachbarn seinen "Shortest Path Routing Tree" (Routingbaum mit den kürzesten Pfaden) bekanntgibt, und weil ein solcher Baum jeden Netzwerkknoten angibt, können die Aktualisierungsnachrichten in AIR dazu verwendet werden, die Liste der in das Netzwerk aufgenommenen Knoten bekanntzugeben.
Routingprotokolle in der derzeitigen Technik, die auf Topologieinformation oder Entfernungsinformation basieren, basieren ausschließlich auf den Parametern von Verbindungen (Links). Im Gegensatz dazu verwendet AIR eine Aktualisierungseinheit, die Information über die Leistungsmerkmale und Adressinformation für eine Verbindung und den Knoten am Ende der Verbindung bekanntgibt. 7 veranschaulicht eine Aktualisierung gemäß des AIR-Protokolls. Genauer gesagt, besteht die Aktualisierung 700 in AIR aus folgenden Elementen:

(a) einer Folgenummer, die die Aktualisierung validiert;
(b) einem Servicetypvektor;
(c) der Netzwerkadresse des Kopfknotens der Verbindung;
(d) der Netzwerkadresse des Endknotens der Verbindung;
(e) den Verbindungszustandparametern der Verbindung zwischen zwei IRs; und
(f) den Knotenzustandsparametern des Endes der Verbindung.

Eine von einem IR gesendete Aktualisierungsnachricht enthält mindestens eine Aktualisierung. Die Folgenummer der Aktualisierung wird vom Kopf der Verbindung zugewiesen und kann von keinem anderen Knoten, der die Aktualisierung in einer Aktualisierungsnachricht weiterleitet, geändert werden. Der TOS-Vektor (Type of Service–Servicetyp) ist ein Bitvektor, der den TOS-Routingbaum angibt, in dem die Verbindung von dem Knoten, der die Aktualisierung sendet, benutzt wird. Die Zustandsparameter einer Verbindung werden als eine Liste von Tuplen angegeben, wobei jedes Tuple aus einem Typ und einem Inhalt besteht. Es gibt zwei Klassen von Zustandsparametern für eine Verbindung:
Leistungsparameter und Adressparameter. Die Leistung einer Verbindung kann im Sinne ihrer Verzögerung, Kosten, Bandbreite und Zuverlässigkeit charakterisiert werden. Ein Adressparameter gibt eine der Verbindung zugewiesene Kennung an. Eine wichtige Kennung in der vorliegenden Erfindung ist die LLID (Lokale Verbindungskennung), die der Verbindung vom Kopf der Verbindung zugewiesen wird. Die Zustandsparameter des Endes einer Verbindung beinhalten zum Beispiel die restliche Lebensdauer der Batterie des Knoten.
Jedes IR teilt seinen Nachbarn seinen "Source Tree" (Ursprungsbaum) mit, der alle Verbindungen auf den bevorzugten kürzesten Pfaden zu allen Zielorten umfasst. Dementsprechend empfängt ein Knoten die Kennung jedes einem Nachbarn bekannten IRs als Teil der in AIR gesendeten Routingaktualisierungen.
8 veranschaulicht ein IR, welches eine Aufnahmeknotentabelle und eine neue Knotentabelle führt. Jedes IR führt eine Aufnahmeknotentabelle, in der alle IRs im Netzwerk aufgeführt sind, die zum Einschluss in die Zuweisung von Timeslots, die für quasistatische Zeitplanung reserviert wurden, aufgenommen wurden. Ein IR bildet Kennungen auf Timeslots für quasistatische Zeitplanung nur dann ab, wenn die Kennungen der Aufnahmeknotentabelle entnommen wurden.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform nehmen IRs neue IRs zu verschiedenen Zeiten in die Aufnahmeknotentabelle auf, je nachdem, wann die IRs vom Vorhandensein der neuen IRs erfahren. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform synchronisieren alle IRs im Netzwerk die Zeit, zu der sie neue IRs in die Aufnahmeknotentabelle aufnehmen. Um diese Synchronisierung zu bewerkstelligen, führt jedes IR eine zusätzliche Tabelle, genannt neue Knotentabelle. Die neue Knotenabelle gibt für jedes bekannte neue IR im Netzwerk die eindeutige Kennung des IRs und die Netzwerkzeit an, zu der das IR angeblich erstmalig seinen Eintritt, oder erneuten Eintritt nach einem Ausfall, in das Netzwerk angekündigt hat. Ein IR benutzt seine Aufnahmeknotentabelle zur Zuweisung von Timeslots zu IRs, die für quasistatische Zeitplanung reserviert sind. Ein Eintrag in der neuen Knotentabelle wird nach dem Zufügen zur Tabelle für ein Niederhaltezeitintervall aufbewahrt und in die Aufnahmeknotentabelle kopiert, nachdem das Niederhaltezeitintervall abgelaufen ist und das IR noch Teil der Topologietabelle ist, die mittels des AIR-Protokolls geführt wird. Zur Erreichung der Zeitplansynchronisierung werden ferner AIR-Steuerpakete erweitert, um die Netzwerkzeit bekanntzugeben, wenn ein neues IR dem Netzwerk beitritt. Ein neues IR gibt seinen Nachbarn die Netzwerkzeit, zu der es betriebsfähig wird, einfach dadurch bekannt, dass es diese Zeit als Knotenzustandsparameter des Kopfes der Verbindung zu jedem seiner Nachbarn bekanntgibt. IRs – außer den neuen IRs, die dem Netzwerk beitreten – geben die Netzwerkzeit bekannt, wenn das neue IR als Knotenzustandsparameter des Endes der Verbindung beitritt, die in ihren Ursprungsbäumen zum Erreichen des neuen IRs benutzt wird.
III. Übertragungszeitplanung
In 9 ist ein Frame mit einer festen Anzahl von Timeslots für dynamische Zeitplanung und ein Frame mit einer festen Anzahl von Timeslots für quasistatische Zeitplanung dargestellt. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist ein Frame eine feste Anzahl von Timeslots für dynamische Zeitplanung und eine feste Anzahl von Timeslots für quasistatische Zeitplanung auf. Ein Knoten benutzt zwei verschiedene Verfahren, um zu bestimmen, wann er in Timeslots, die für dynamische Zeitplanung bestimmt sind, und wann er in Timeslots, die für quasistatische Zeitplanung bestimmt sind, übertragen soll.
Bei quasistatischer Zeitplanung werden die Timeslots den Knoten mit Hilfe eines deterministischen Algorithmus zugewiesen, der auf den Kennungen aller Knoten im Netzwerk basiert und eine obere Grenze für die Zeit sicherstellt, die zwischen zwei dem gleichen Knoten zugewiesenen Timeslots bei Einsatz des quasistatischen Zeitplanungsverfahrens verstreicht. Bei dynamischer Zeitplanung werden die Timeslots den Knoten wahllos zugewiesen. Das quasistatische Slotzuweisungsverfahren benutzt einen anderen Satz von Timeslots als das dynamische Slotzuweisungsverfahren, damit für die Zeiten, die zwischen den den gleichen Knoten zugewiesenen Timeslotereignissen verstreichen, obere Grenzen bereitgestellt werden können.
Das Verfahren für dynamische Slotzuweisung in REALM basiert auf Information betreffend die Zweisprungnachbarschaft eines Knotens. Der Rest dieser Beschreibung befasst sich mit der quasistatischen Zeitplanung von Übertragungsslots zu Knoten auf Basis netzwerkweiter Information.
Wenn ein IR betriebsfähig wird, benutzt es das dynamische Slotzuweisungsverfahren zur Übertragung seiner Pakete.
10 veranschaulicht, wie ein IR vom Vorhandensein eines neuen IRs erfährt. Ausgehend vom Startblock geht der Prozess zu Block 1010, wo ein IR eine Überwachung auf Vorhandensein eines neuen IRs durchführt. Bei Entscheidungsblock 1015 wird bestimmt, ob ein neues IR vorhanden ist. Wenn ein IR das Vorhandensein eines neuen IRs erfährt, geht der Prozess zu Block 1020, wo das IR eine Routingaktualisierung an alle seine Nachbarns als Teil eines im Netzwerk benutzten Routingprotokolls sendet. Diese Aktion stellt sicher, dass das Vorhandensein eines IRs an alle IRs im ganzen Netzwerk innerhalb einer begrenzten Zeit weitergeleitet wird. Demgemäß erfahren alle IRs das Gleiche, nämlich welche IRs innerhalb einer begrenzten Zeit nach dem Eintritt des letzten IRs in das Netzwerk zum Netzwerk gehören. Wenn es kein neues IR gibt, kehrt der Prozess zu Block 1010 zurück, um die Überwachung fortzusetzen.
Wenn das Verhältnis der Anzahl Timeslots für quasistatische Zuweisung zur Anzahl der vom Netzwerk akzeptierten Knoten gleich einer Ganzzahl X plus einem Bruchteil ist, werden jedem IR X aufeinanderfolgende Timeslots zugewiesen, und eine Anzahl Timeslots für quasistatische Zeitplanung am Ende einer Epoche bleiben unbenutzt oder werden wahllos von IRs aufgerufen, die nicht in das Netzwerk aufgenommen wurden. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform können für einen gegebenen Ganzzahlwert Y, der kleiner als X ist, jedem IR [X/Y] aufeinanderfolgende Slots zugewiesen werden, worin [a] die größte Ganzzahl darstellt, die kleiner als oder gleich a ist, wobei der gleiche quasistatische Zeitplan Y mal in einer Epoche wiederholt wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können den IRs verschiedene Prioritäten zugewiesen werden (zum Beispiel auf Basis des Verkehrs, den sie zum und vom Internet tragen müssen), wobei Priorität 1 die niedrigste Priorität ist. In diesem Fall werden einem IR mit der Priorität p p-mal mehr Timeslots zugewiesen als einem IR mit der Priorität 1.
In 2 ist der quasistatische Abschnitt des Übertragungszeitplans dargestellt, der zu dieser Zeit von allen IRs 100 bis 140 von 1 angenommen wird. Zur Benutzung der für quasistatische Zeitplanung zugewiesenen Timeslots kann ein IR einfach die Kennungen der im Netzwerk bekannten IRs in auf- oder absteigender Reihenfolge ordnen und dem ersten IR in der Liste den ersten Timeslot, dem zweiten IR in der Liste den zweiten Timeslot usw. für quasistatische Zeitplanung zuweisen, bis allen IRs in der Liste Timeslots zugewiesen wurden. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Anzahl der in einer Epoche for quasistatische Zeitplanung verfügbaren Timeslots durch die Anzahl der im Netzwerk bekannten IRs geteilt, und jedem IR wird das gleiche resultierende Verhältnis von Timeslots zugewiesen.
In dem in 2 dargestellten Beispiel wird angenommen, dass 24 Timeslots in einer Epoche dem quasistatischen Abschnitt des Übertragungszeitplans zugewiesen werden, und diese sind der Einfachheit halber nebeneinander dargestellt. In diesem Beispiel wird ferner davon ausgegangen, dass Timeslots des quasistatischen Zeitplans den im Netzwerk bekannten IRs zugewiesen werden, und zwar einfach auf der Basis der Kennungen der IRs in aufsteigender Reihenfolge (A bis F), wobei komplette Sequenzen von IR-Kennungen so oft wie erforderlich wiederholt werden.
Im stationären Zustand weisen alle Knoten, die in das Netzwerk aufgenommen wurden, der gleichen Knotenkennung den gleichen Timeslot zu, weil alle die gleiche Liste von aufgenommenen Netzwerkknoten aufweisen und alle IRs den gleichen Startpunkt (das heißt Slot 1) für die Zuweisung von Knoten zu Slots bei quasistatischer Zeitplanung benutzen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, in der Timeslots den Knoten entweder im Voraus zugewiesen oder ausdrückliche Handshakes zwischen den Knoten benutzt werden, um die Zuweisungen zu bewerkstelligen, benutzen die IRs in dieser Ausführungsform einen verteilten Wahlalgorithmus zur Zuweisung von Slots zu IRs für quasistatische Zeitplanung, wobei die Netzwerkmitgliedschaftsdaten zum Einsatz kommen, die sie von dem im Netzwerk benutzten Routingprotokoll erhalten.
III. A Asynchrone Zeitplanung
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform können die IRs anfangen, ein neues IR in die Zuweisung von Slots für quasistatische Zeitplanung einzuschließen, ohne sicherstellen zu müssen, dass alle anderen IRs im Netzwerk anfangen, die neue IR zur genau gleichen Zeit einzuschließen. Dieser Ansatz wird als "asynchrone Zeitplanung" bezeichnet.
In 3 ist das gleiche Zufallsnetzwerk wie in 1 dargestellt, aber nachdem IR 150 in das Netzwerk aufgenommen wurde. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform können nach Einschluß eines neuen IRs andere IRs anfangen, die für quasistatische Zeitplanung reservierten Timeslots sofort nach dem Empfang von Routingnachrichten oder anderen, von Nachbarn kommenden Steuerpakettypen, zu benutzen, und so dem IR mitteilen, dass die Mehrzahl seiner bekannten Nachbarn von seinem Vorhandensein weiß.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann das neue IR anfangen, für quasistatische Zeitplanung zugewiesene Timeslots zu benutzen, nachdem es die erste Aktualisierung von einem Nachbarn erhalten hat, die anzeigt, dass ihm das Vorhandensein des neuen IRs bekannt ist, oder nachdem alle Nachbarn des neuen IRs über Aktualisierungsnachrichten oder auf anderem Wege anzeigen, dass das neue IR vorhanden ist.
In der Annahme, dass ein IR sofort, nachdem es über das Routingprotokoll (AIR) vom Vorhandensein eines IRs erfahren hat, dieses IR zum quasistatischen Übertragungszeitplan hinzufügt, ist in 4 ein quasistatischer Übertragungszeitplan dargestellt, der von den Nachbarn von IR 150 angenommen wird, sobald diese eine Aktualisierungsnachricht von demselben empfangen haben. Sobald die IRs 100, 110, 120 und 140 vom Vorhandensein des IRs 150 erfahren, nehmen sie einen wesentlich anderen Übertragungszeitplan an als der Rest der IRs im System, mit Ausnahme von IR 150. IR 150 nimmt den gleichen Zeitplan wie die IRs 100, 110, 120 und 140 an, weil IR 150 genau die gleiche Liste von IRs wie seine benachbarten IRs hat. Im Gegensatz dazu haben IRs 130 und 160 eine Liste von IRs im Netzwerk, in die IR 150 erst dann aufgenommen wird, wenn sie eine Routingaktualisierungsnachricht von benachbarten IRs empfangen, die bereits vom Vorhandensein von IR 150 im Netzwerk wissen.
Die Unstimmigkeiten in den von verschiedenen IRs angenommenen Übertragungszeitplänen können dazu führen, dass manche IRs unfähig sind, ein von einem benachbarten IR übertragenes Paket korrekt zu empfangen, weil mehr als eins der benachbarten IRs im gleichen Timeslot überträgt, was zu einer Kollision am empfangenden IR führt. Eine Kollision kann eintreten, wenn ein IR der Nachbar von IRs ist, die unstimmige Übertragungszeitpläne haben, derart, dass sich diese Nachbarn den gleichen Timeslot im Zeitplan zuweisen.
Ein Vorteil der asynchronen Zeitplanung besteht darin, dass sie sich sehr einfach implementieren lässt. Asynchrone Zeitplanung ist leicht zu implementieren, weil keine Modifikationen am im Netzwerk benutzten Routingprotokoll erforderlich sind. Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht jedoch darin, dass möglicherweise verschiedene IRs verschiedene IR-Listen für die Zuweisung von Timeslots zu IRs für quasistatische Zeitplanung benutzen, was zur Kollision von Paketen führen kann, bevor alle IRs stimmige Information über die IRs haben, denen Timeslots zugewiesen werden müssen.
5 zeigt die möglichen Kollisionen für das gleiche beispielhafte Zufallsnetzwerk wie das von 3. Die FIGUR zeigt die angenommenen Zeitpläne von allen IRs außer von IR 150 sofort nachdem IRs 100, 110, 120 und 140 vom Vorhandensein von IR 150 erfahren, gefolgt von der Beschreibung der möglichen Kollisionen aufgrund der Unstimmigkeiten in den beiden Zeitplänen. In diesem Beispiel kann IR 150 keine Kollisionen verursachen, weil es eine Liste von IRs im Netzwerk zur gleichen Zeit erhält, zu der alle anderen IRs im Netzwerk eine stimmige Liste von IRs haben. Wenn eine Kollision in einem Timeslot eintreten kann, zeigt 5 alle Empfänger-IRs an, bei denen die Kollision aufgrund der Übertragungen durch IRs eintritt, denen der gleiche Timeslot zugewiesen ist. Zum Beispiel sind im Timeslot 12 die IRs 100, 140 und 160 unfähig, die Übertragung von IR 100 oder 140 oder von beiden zu empfangen, wenn beide IRs in dem Timeslot übertragen. Desgleichen ist IR 120 im Timeslot 8 unfähig, die Übertragung von sowohl IR 110 als auch 130 zu empfangen.
Das Eintreten von Kollisionen aufgrund von unstimmigen quasistatischen Zeitplänen ist nur bis zu dem Zeitpunkt möglich, an dem alle IRs im Netzwerk im Besitz der gleichen Liste von IRs sind, die für quasistatische Zeitplanung benutzt werden sollte. Die Zeitspanne, während der dies möglich ist, ist proportional zur maximalen Länge von Sprüngen von einem IR zu einem anderen IR im Netzwerk, mal der Zeit, die zur Übertragung einer Routingaktualisierungsnachricht auf einem gegebenen Sprung benötigt wird.
III. B Synchrone Zeitplanung
Um die Möglichkeit des Kollidierens von Paketen in Timeslots für quasistatische Zeitplanung zu reduzieren, können IRs miteinander zu einer Zeit synchronisiert werden, wenn sie alle ein neues IR zur Aufnahmeknotentabelle hinzufügen sollten. Diese Synchronisierung wird verwendet, wenn ein IR in Betrieb gesetzt wird, und wenn zwei Netzwerkkomponenten beim Einrichten einer Funkverbindung zwischen zwei oder mehr IRs zusammengelegt werden.
11 veranschaulicht ein Verfahren zur Aufnahme eines IRs in die Aufnahmeknotentabelle. Ein IR weist Timeslots für quasistatische Zeitplanung nur solchen IRs zu, die in seiner Aufnahmeknotentabelle aufgelistet sind. Alle IRs nehmen jedes neue IR zur gleichen Zeit in die Aufnahmeknotentabelle unter Einsatz des folgenden Verfahrens auf

(a) Jedes IR X, welches von den anderen IRs als Teil des Netzwerks betrachtet werden möchte, gibt eine Netzwerkzeit Y (Block 1110) an.
(b) Von dieser Netzwerkzeit Y wird eine Aufnahmeniederhaltezeit (AHT) angelegt, damit garantiert ist, dass alle IRs im Netzwerk AIR-Aktualisierungen empfangen haben, die IR X und seine Netzwerkzeit Y (Block 1115) auflisten.
(c) Alle IRs, einschließlich IR X, fügen IR X zur Aufnahmeknotentabelle zur gleichen Startzeit hinzu, die gleich Y + AHT ist (Block 1120).

Die Dauer von AHT wird von jedem Netzwerk so eingerichtet, dass sie ausreicht, um alle IRs im Netzwerk vom Vorhandensein des neuen IRs zu informieren. Alle IRs in einem Netzwerk sind so konzipiert, dass sie übereinstimmende neueste Routinginformation mittels des AIR-Protokolls innerhalb einer Zeitspanne erhalten, die kürzer als eine Epoche ist.
Die Länge von AHT ist ferner so bemessen, dass ungeachtet der Netzwerkzeit, in der ein neues IR betriebsfähig wird, alle IRs im Netzwerk anfangen, das neue IR zur Zuweisung von für quasistatische Zeitplanung reservierten Timeslots zum gleichen Zeitplanstartpunkt (Slot 1) aufzunehmen. Dies wird durch Aufnahme einer gewissen Füllzeit in die AHT erreicht, die aus der Zeitperiode ab der Netzwerkzeit, zu der das neue IR betriebsfähig wird, bis zum Start der nächsten Epoche besteht.
6 veranschaulicht ein Beispiel einer Berechnung der Aufnahmeniederhaltezeit. Da alle IRs übereinstimmende Routinginformation innerhalb einer Epoche erhalten, reicht eine AHT, die gleich der Füllzeit plus eine Epoche ist, aus, um zu gewährleisten, dass alle IRs das neue IR zur genau derselben Netzwerkzeit T_add aufnehmen.
Wenn die AHT eines Eintrags in die Aufnahmeknotentabelle abgelaufen ist, wird die Kennung des entsprechenden IRs in die Aufnahmeknotentabelle kopiert, so dass das IR in die Zuweisung von Timeslots, die für quasistatische Zeitplanung reserviert sind, aufgenommen werden kann.
Wenn ein neues IR betriebsfähig wird, sendet es eine AIR-Aktualisierungsnachricht, die eine Aktualisierung enthält, die die Netzwerkzeit angibt, zu der das IR als Knotenzustandsparameter am Kopf der Verbindung zu jeder oder mindestens einer der Verbindungen zu seinen Nachbarn in Betrieb tritt. Nachdem das neue IR seine Aktualisierungsnachricht gesendet hat, startet es für sich selbst eine AHT, was bedeutet, dass das neue IR sich nicht selbst zur Aufnahmeknotentabelle hinzufügen kann, bis die Niederhaltezeit abgelaufen ist.
Da die AIR-Aktualisierungsnachrichten im Netzwerk verschiedene Netzwerkzeiten angeben, wenn das IR betriebsfähig wird, wird die Aktualisierung des Übertragungszeitplans unterbrochen. Um dieses Problem zu vermeiden, setzt ein neues IR, das betriebsfähig wird, ein Timeout von mindestens einer Epoche, bevor es seinen Nachbarn mitteilen kann, dass es betriebsfähig ist. Dieses Timeout reicht aus, um sicherzustellen, dass keine alten AIR-Aktualisierungsnachrichten im Netzwerk ausgetauscht werden, die eine Netzwerkzeit für einen früheren Fall des Inbetriebsetzens des IRs angeben.
12 zeigt, was passiert, wenn ein IR eine AIR-Aktualisierung empfängt. Wenn ein IR eine AIR-Aktualisierung empfängt, führt es zusätzlich zu den Schritten, die in AIR zur Weiterleitung von Aktualisierungen und Aktualisierungsroutinginformation durchgeführt werden, folgende Schritte aus:

a) es validiert die Aktualisierung anhand des in AIR benutzten Sequenznummersystems (Block 1210).
b) wenn die AIR-Aktualisierung gültig ist und einen Knotenzustandsparameter enthält, der die Netzwerkzeit angibt, zu der entweder der Kopf oder das Ende der Verbindung (das heißt ein AIR) betriebsfähig wurde (Block 1220), dann: i) wenn bereits ein Eintrag in seiner neuen Knotentabelle für das neue IR existiert, werden keine Aktualisierungen an der neuen Knotentabelle vorgenommen (Block 1222): ii) wenn kein Eintrag in der neuen Knotentabelle für das neue IR existiert, aktualisiert das IR seine neue Knotentablle mit dem Eintrag für den entsprechenden Kopf oder das Ende der Verbindung; der Eintrag gibt die in der Aktualisierung gemeldete Netzwerkzeit an (Block 1224).
c) wenn die AIR-Aktualisierung eine Verbindung zu einem IR angibt, das zu diesem Zeitpunkt nicht in der Topologietabelle existiert (Block 1230), dann: i) fügt das IR die Netzwerkzeit hinzu, wenn das IR über die AIR-Aktualisierung als Knotenparameter des Endes der in der AIR-Aktualisierung angegebenen Verbindung entdeckt wurde (Block 1232). ii) aktualisiert das IR seine neue Knotentabelle mit einem Eintrag für ein neues IR; der Eintrag gibt die Netzwerkzeit an, zu der das neue IR identifiziert wird (Block 1234).
d) wenn die AIR-Aktualisierung bewirkt, dass das IR ein IR aus seiner Topologietabelle löscht, löscht das IR auch einen Eintrag für das gleiche IR aus seiner neuen Knotentabelle, falls es existiert (Block 1240).

IV. Benutzung von Timeslots, die für quasistatische Zeitplanung zugewiesen werden
Timeslots werden IRs auf einer quasistatischen Basis unter Einsatz vollständiger Netzwerkmitgliedschaftinformation zugewiesen. Das bedeutet, dass Timeslots in der Nachbarschaft eines IRs unbenutzt bleiben, wenn die Netzwerkkonnektivität nicht sehr hoch ist, das heißt, wenn ein gegebenes IR nur wenige benachbarte Einsprung- und Zweisprung-IRs hat, und es viele IRs im Netzwerk gibt.
Um die Kanalnutzung zu verbessern, können in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform die für quasistatische Zeitplanung zugewiesenen Timeslots dazu benutzt werden, kurze Steuerpakete zu übertragen, die in erster Linie der Zeitsynchronisierung im Netzwerk anstatt der Führung von stimmiger Übertragungszeitplanung dienen. Wenn derartige kurze Steuerpakete wünschenswert sind, besteht die in einem Steuerpaket übertragene Mindestinformationsmenge in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform im Zeitstempeln von Daten und in Verbindungsmanagementinformation.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden lange Steuerpakete unter IRs nur während dynamisch zugewiesener Timeslots unter Einsatz des NETS-Protokolls (Neighborhood Established Transmission Scheduling) ausgetauscht. Andere Protokolle können verwendet werden.
Die obige Spezifikation, die Beispiele und Daten stellen eine vollständige Beschreibung der Herstellung und des Einsatzes einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dar. Es können viele erfindungsgemäße Ausführungsformen entwickelt werden, ohne vom Geltungsbereich der hier beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

System für die Zeitplanung von Übertragungen für Knoten (100, 110, 120, 140, 160) in einem Zufallsnetzwerk, wobei die Knoten einen neuen Knoten und aufgenommene Knoten beinhalten, umfassend: die aufgenommenen Knoten, wobei jeder der aufgenommenen Knoten umfasst: eine Netzwerkschnittstelleneinheit, die mit den Knoten innerhalb des Zufallsnetzwerks kommuniziert; und eine Übertragungszeitplanungseinheit mit: Mitteln zur Benutzung eines quasistatischen Verfahrens für die Timeslotzuweisung innerhalb eines Frames, um eine obere Grenze für eine Zeit zu erzwingen, die zwischen zwei dem gleichen Knoten zugewiesenen Timeslots verstreicht; Mitteln zur Bestimmung, wann der neue Knoten in das Netzwerk eingetreten ist, und dann; Mitteln zum Weiterleiten der Information, dass der neue Knoten dem Netzwerk beigetreten ist, an die anderen aufgenommenen Knoten innerhalb des Netzwerks innerhalb einer begrenzten Zeit; und einer Speichereinheit zum Speichern der Information betreffend die Knoten im Netzwerk; und dem neuen Knoten, wobei der neue Knoten beinhaltet: eine Netzwerkschnittstelle, die mit den aufgenommenen Knoten innerhalb des Netzwerks kommuniziert; und eine Übertragungszeitplanungseinheit mit: Mitteln zur Benutzung eines dynamischen Slotzuweisungsverfahrens zur Übertragung von Paketen, bevor der neue Knoten in das Netzwerk aufgenommen wird; Mitteln zur Benachrichtigung der aufgenommenen Knoten im Netzwerk, dass der neue Knoten in das Netzwerk eingetreten ist; und Mitteln zur Benutzung eines quasistatischen Verfahrens zur Übertragung von Paketen, wenn der neue Knoten in das Netzwerk aufgenommen wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Übertragungszeitplanungseinheit ausgebildet ist, ume einen Frame zu benutzen, der separate Timeslots für dynamische Zeitplanung und Timeslots für quasistatische Zeitplanung enthält, wobei die separaten Slots eine obere Grenze für die Zeit bestimmen, die zwischen den Timeslotereignissen verstreicht.
System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Weiterleitung der Information, dass der neue Knoten in das Netzwerk eingetreten ist, an die anderen aufgenommenen Knoten innerhalb des Netzwerks innerhalb der begrenzten Zeit derart eingerichtet ist, dass jeder der aufgenommenen Knoten jeden seiner Nachbarn davon benachrichtigt, dass der neue Knoten in das Netzwerk eingetreten ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Benutzung des quasistatischen Verfahrens für Timeslotzuweisung innerhalb eines Frames zur Erzwingung der oberen Grenze für die Zeit, die zwischen zwei dem gleichen Knoten zugewiesenen Timeslots verstreicht, auf den Einsatz eines verteilten Wahlalgorithmus eingerichtet ist, um die Timeslots für quasistatische Zeitplanung zuzuweisen, wobei ein Netzwerkmitgliedschaftsdatum zum Einsatz kommt, das einem im Netzwerk verwendeten Routingprotokoll entnommen wurde.
System nach Anspruch 3, wobei jeder der aufgenommenen Knoten eine Aufnahmeknotentabelle führt, die alle Knoten im Netzwerk angibt, die zum Einschluss in die Zuweisung der Timeslots, die für quasistatische Zeitplanung reserviert wurden, aufgenommen wurden.
System nach Anspruch 5, wobei jeder der aufgenommenen Knoten eine neue Knotentabelle führt, die für jeden der Knoten im Netzwerk eine eindeutige Kennung und eine Netzwerkzeit angibt, die anzeigt, wenn der neue Knoten angeblich erstmalig seinen Eintritt in das Netzwerk angekündigt hat.
System nach Anspruch 6, wobei der neue Knoten die Bekanntgabe seines Eintritts in das Netzwerk um eine vorherbestimmte Zeitspanne verzögert.
System nach Anspruch 7, wobei das Mittel für quasistatische Zeitplanung derart eingerichtet ist, dass die Timeslots den aufgenommenen Knoten mit Hilfe eines deterministischen Algorithmus zugewiesen werden, der auf Kennungen aller Knoten im Netzwerk basiert.
System nach Anspruch 8, wobei, wenn der neue Knoten in das Netzwerk eintritt, dieser seinen Nachbarn die Netzwerkzeit mitteilt, zu der er betriebsfähig wird.
System nach Anspruch 3, wobei jeder aufgenommene Knoten seine beiden am Nächsten liegenden Nachbarn informiert.
System nach Anspruch 4, wobei die Speichereinheit eine Aufnahmeknotentabelle und eine neue Knotentabelle führt.
System nach Anspruch 4, wobei die Übertragungszeitplanungseinheit ferner ein Verhältnis der Anzahl von Timeslots neu konfiguriert, die für quasistatische Zuweisung zur Verfügung stehen.
System nach Anspruch 11, wobei die Speichereinheit den neuen Knoten nach einer vorherbestimmten Zeit in die Aufnahmeknotentabelle verschiebt.
System nach Anspruch 11, wobei die aufgenommenen Knoten eine Zeit aufeinander abstimmen, zu der der neue Knoten zur Aufnahmeknotentabelle hinzugefügt wird.
System nach Anspruch 11, wobei der neue Knoten das quasistatische Verfahren benutzt, nachdem er eine erste Aktualisierung von einem aufgenommenen Knotennachbarn erhält, die anzeigt, dass er von dem Vorhandensein des neuen Knotens weiß.
System nach Anspruch 11, wobei der neue Knoten anfängt, quasistatische Zeitplanung zu benutzen, nachdem alle aufgenommenen Knotennachbarn des neuen Knotens durch Aktualisierungsnachrichten anzeigen, die besagt, dass der neue Knoten existiert.
System nach Anspruch 12, wobei die Übertragungszeitplanungseinheit den Knoten eine Priorität zuweist, die sich darauf bezieht, wie oft Timeslots dem Knoten zugewiesen werden.
System nach Anspruch 1, wobei die Übertragungszeitplanungseinheiten bestimmen, dass der neue Knoten in das Netzwerk aufgenommen wurde, wenn nach dem Eintritt des neuen Knotens in das Netzwerk eine Niederhaltezeit abgelaufen ist.
System nach Anspruch 1, wobei der neue Knoten bestimmt, dass er in das Netzwerk aufgenommen wurde, wenn er eine erste Aktualisierung von mindestens einem Nachbarn empfängt, dass der Nachbar von dem Vorhandensein des neuen Knoten weiß.
Verfahren zur Aufnahme eines neuen Knotens in ein Netzwerk von aufgenommenen Knoten (100, 110, 120, 130, 140), umfassend: Zuweisung von Übertragungstimeslots auf Basis eines quasistatischen Verfahrens zu den aufgenommenen Knoten des Netzwerks unter Einsatz einer Aufnahmeknotenliste; Benutzung eines dynamischen Slotzuweisungsverfahrens zur Übertragung von Paketen des neuen Knotens; Weiterleitung der Information über den Eintritt eines neuen Knotens in das Netzwerk an die aufgenommenen Knoten innerhalb des Netzwerks; und Bestimmung, dass der neue Knoten in das Netzwerk aufgenommen wurde, und dann Benutzung des quasistatischen Verfahrens zur Zuweisung von Übertragungstimeslots zum neuen Knoten.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der neue Knoten bestimmt, dass er in das Netzwerk aufgenommen wurde, nachdem er eine erste Aktualisierung von mindestens einem Nachbarn empfangen hat, dass der Nachbar von dem Vorhandensein des neuen Knotens weiß.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der neue Knoten das Netzwerk benachrichtigt, dass er betriebsfähig ist, nachdem mindestens eine Epoche verstrichen ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die zur quasistatischen Zeitplanung zugewiesenen Timeslots dazu benutzt werden können, kurze Steuerpakete zu übertragen, die in erster Linie der Zeitsynchronisierung im Netzwerk dienen.
Ein Knoten, umfassend: eine Netzwerkschnittstelleneinheit, die mit aufgenommenen Knoten innerhalb des Netzwerks kommuniziert; und eine Übertragungszeitplanungseinheit mit: Mitteln, die zur Benutzung eines dynamischen Slotzuweisungsverfahrens dienen, um Pakete zu übertragen, bevor der Knoten in das Netzwerk aufgenommen wird; Mitteln, die zur Benachrichtigung der in das Netzwerk aufgenommenen Knoten dienen, dass der Knoten in das Netzwerk eingetreten ist; Mitteln, die bestimmen, wann der Knoten in das Netzwerk aufgenommen wurde; und Mitteln zur Benutzung eines quasistatischen Verfahrens zur Übertragung von Paketen, wenn der Knoten in das Netzwerk aufgenommen ist.
Knoten nach Anspruch 24, wobei er nach Empfang einer ersten Aktualisierung von allen Nachbarn, die besagt, dass die Nachbarn von dem Vorhandensein des Knoten wissen, auf die Benutzung des quasistatischen Verfahrens eingerichtet wird.