CN102124783B - 用于在无线网格网络中发现高吞吐量路由的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在网格的基于无线介质（WiMedia）的网络中发现源节点与目的地节点之间的路由的方法（300）。该方法包括：在由源节点与目的地节点之间的中间节点接收到路由请求（RREQ）时，在RREQ中至少保存中间节点的标识（ID）号以及在其上接收RREQ的链路的传输信道速率（S320）；计算新的路由价格（S330）；确定新的路由价格是否大于在所接收的RREQ中包括的价格（S340）；当新的路由价格大于所接收的RREQ中的路由价格时，更新所接收的RREQ以包括新的路由价格（S350）；以及将经过更新的RREQ转发给中间节点的一个或者更多个相邻节点（S370）。

Description

用于在无线网格网络中发现高吞吐量路由的方法

本申请要求2008年7月30日提交的美国临时申请第61/084709号的权益。

技术领域

本发明总地涉及在网格网络中发现路由。

背景技术

用于超宽带（UWB）系统的WiMedia规范定义了用于无线个人区域网络（WPAN）的全分布式介质访问控制（MAC）协议。由于规章限制，WPAN中节点的传输功率和传输范围现在被限制。WiMedia规范支持多个不同的信道速率，包括53.3 Mbps、80 Mbps、106.7 Mbps、160 Mbps、200 Mbps、320 Mbps、400 Mbps以及480Mbps。

为了扩展基于WiMedia的WPAN的通信范围，启用网格的MAC协议可以在这种网络中利用。启用网格的MAC协议使得网络中的节点能够通过其它中间节点达到其直接通信范围之外的另一节点。中间节点将来自源节点的分组向目的地节点转发/中继。网格MAC协议的操作在图1中图示。在网格的基于WiMedia的WPAN 100中，节点110-A不能直接与节点110-F通信，因为它们在彼此的传输范围之外。然而，节点110-A可以通过启用网格的节点110-B和110-D来将分组发送到节点110-F。因此，用于将数据从源节点110-A传输到目的地节点110-F的路由包括转发节点110-B和110-D。启用网格的节点是实施网格MAC协议的节点。

现有的路由发现和路由选择（routing）协议例如包括动态源路由选择（DSR）协议以及自组网按需距离矢量（AODV）协议。这些协议仅在存在流量传递的需要时才发现路由，由此便利低路由维持开销。如在图2A中所图示的，为了发现路由，源节点210-A广播由节点210-B和210-C接收的路由发现请求（RREQ）分组，然后所述节点210-B和210-C将RREQ转发到它们的相邻设备。例如，如图2B所示，节点210-B将所接收的RREQ转发给节点210-C、210-D以及210-E，同时节点210-A将所接收的RREQ转发给节点210-B和210-D。相同的过程由节点210-E和210-D执行（参见图2C）。在接收RREQ分组之后，目的地节点将路由发现响应（RREP）分组沿所接收的RREQ经过的路由发送回源节点。这在图2D中图示，其中节点210-F是目的地节点。基于RREP，源节点210-A确定用于将分组发送到目的地节点210-F的路由。

DSR和AODV协议典型地发现具有最小的跳计数的路由，即经过最小数目的中间节点的路由。因此，沿着该路由的每一跳具有接近最大通信范围的跳距离。由此，所发现的路由仅可以支持低传输速率。结果是，更高速率的好处未被完全利用。

因此，在WiMedia网格网络中提供一种有效的路由发现解决方案将是有利的。

发明内容

本发明的特定实施例包括一种用于在网格的基于无线介质（WiMedia）的网络中发现源节点与目的地节点之间的路由的方法。该方法包括：在由源节点与目的地节点之间的中间节点接收到路由请求（RREQ）时，在RREQ中至少保存中间节点的标识（ID）号以及在其上接收RREQ的链路的传输信道速率；计算新的路由价格（route price）；确定新的路由价格是否大于在所接收的RREQ中包括的价格；当新的路由价格大于所接收的RREQ中的路由价格时，更新所接收的RREQ以包括新的路由价格；以及将经过更新的RREQ转发给中间节点的一个或者更多个相邻节点。

本发明的特定实施例还包括在其上存储有计算机可执行代码的计算机可读介质，当计算机可执行代码被执行时，导致处理器执行在网格的基于无线介质（WiMedia）的网络中发现源节点与目的地节点之间的路由的过程。所述过程包括：在由源节点与目的地节点之间的中间节点接收到路由请求（RREQ）时，在RREQ中至少保存中间节点的标识（ID）号以及在其上接收RREQ的链路的传输信道速率；计算新的路由价格；确定新的路由价格是否大于在所接收的RREQ中包括的价格；当新的路由价格大于所接收的RREQ中的路由价格时，更新所接收的RREQ以包括新的路由价格；以及将经过更新的RREQ转发给中间节点的一个或者更多个相邻节点。

被视为本发明的主题在本说明书的结尾处的权利要求书中被特别指出并且明显地要求保护。本发明的上面和其它的特征和优点将从结合附图进行的以下的详细描述中显而易见。

附图说明

图1为网格WiMedia WPAN的示意图。

图2A、2B、2C和2D是在演示现有的发现协议的操作中有用的网络的示意图。

图3是描述根据本发明的实施例实现的路由发现方法的流程图。

图4是描述根据本发明的实施例实现的计算路由价格的步骤的流程图。

图5A、5B、5C、5D、5E、5F和5G是在演示根据本发明的实施例实现的发现协议的操作中有用的网络的示意图。

具体实施方式

重要的是：注意本发明公开的实施例仅为这里的创新教导的许多有利用途的示例。通常，本公开的说明书中进行的陈述不需要限制各个所要求保护的发明中的任一个。此外，一些陈述可以适用于某些发明特征，而不适用于其它发明特征。通常，除非另外指出，不失一般性地，单数的元件可以是复数，并且反之亦然。在附图中，遍布若干视图，相似的标号指代相似的部件。

这里公开的发现过程发现源节点与目的地节点之间具有最高吞吐量的路由。根据本发明的原理，路由发现请求（RREQ）是被构造来至少运送RREQ经过的节点的标识（ID）号、沿着路由的链路用于传输RREQ所使用的信道速率、RREQ经过的路由的价格以及最后节点的相邻节点的列表的分组。路由价格是为路由中的链路计算的有效速率的倒数和。最后节点的相邻节点的列表保持路由上同样是RREQ经过的最后节点的相邻节点的节点的记录。网络中的每个节点保持包括每个其相邻节点的ID号的相邻节点列表以及用于存储近来接收的RREQ的缓存器。

图3示出了描述根据本发明的实施例实现的用于在无线网格网络中发现路由的方法的示例和非限制性流程图300。该方法由广播至少运送上面提及的信息的RREQ的源节点发起。该方法由接收RREQ的每个中间节点（即源节点与目的地节点之间的路径中的节点）执行。当RREQ被从源节点传输时，RREQ包括源节点的ID。在S310，中间节点接收RREQ。在S320，中间节点在RREQ中插入其ID以及在其上接收RREQ的链路的速率。在S330，计算RREQ在其上传播的路由（即源节点与中间节点之间的路由）的价格。

现在参照图4，在图4中，更详细地示出了S330的执行。在S410，所接收的RREQ经过的路由R从RREQ中获得。路由R表示为：

R(S, F1, F2, F3, ..., Fk)

其中节点S是源节点，节点F1、F2、...、Fk-1是RREQ已经经过的节点。在S420，根据所接收的RREQ获得由沿着路由的链路使用的信道速率。信道速率表示为(R1, R2, ..., Rk-1)，其中R1是由从节点S到F1的链路使用的有效信道速率，Ri (2                                                 i  k-1)是由从节点Fi-1到Fi (2

 i 

 k-1)的链路使用的信道速率。在S430，计算传输RREQ的节点与接收RREQ的节点之间的链路的有效传输信道速率。从传输节点（Fk-1）到接收节点（Fk）的链路的有效信道速率被称为“Rk”，Li（1  i 

 k）表示这些节点之间的链路。有效信道速率是通过不包括对于给定的原始信道速率的PHY/MAC协议开销而计算的有效信道吞吐量。有效信道速率不同于由WiMedia规范定义的原始信道速率。根据一个实施例，如下地由接收节点（Fk）计算有效信道速率Rk：

在上面的公式中，参数P是数据分组的有效负载大小，参数T_p是用于完成数据分组的传输的总时间。参数T_p包括数据（T_data）分组和ACK（肯定应答）（T_ack）帧的传输时间以及这些帧之间的任意帧间间隔（T_ifs）。如果使用RTS/CTS，时间T_p还可以包括RTS/CTS的传输时间（T_rts/T_cts）。数据帧的传输时间基于前同步码的传输时间（T_preamble）、以信道速率R_C传输的帧报头（H_p）、有效负载大小P以及用于传输数据帧的原始信道速率R_C，其中所述前同步码的传输时间（T_preamble）是固定的，无论所选择的信道速率R_C如何。有效负载大小P可以是平均有效负载大小或者由源节点采用的任意值。原始信道速率R_C可以是由链路使用的固定信道速率，或者可以使用已知的链路适应算法来确定。

在S440，中间节点（Fk）创建由路由上同样是节点（Fk）的相邻节点的节点组成的经过更新的最后节点的相邻节点的列表。如上文所提及的，节点Fk接收由节点Fk-1传输的RREQ。在S450，创建链路列表以包括所有具有被包括在所接收的RREQ中的最后节点的相邻节点的列表中或者作为节点（Fk）的相邻节点的至少一个端节点的链路。例如，如果路由是R（S、F1、F2、F3以及F4），并且由节点F4接收的RREQ中的最后节点的相邻节点的列表仅包括节点F2，则链路列表包括链路F1->F2, F2->F3以及F3->F4。在S460，节点（Fk）的路由价格是通过对链路列表中的所有链路的有效信道速率的倒数求和而计算的。也就是说，如下计算价格：

其中R_ij是为链路列表中的链路Lij（1 

 j 

 n）计算的有效速率，“n”是列表中链路的总数。

现在向后参照图3，在图3中，在S340，进行检查以确定所计算的价格是否大于在所接收的RREQ中包括的价格。如果是，在S350，更新RREQ以包括新的计算的值；否则，执行以S360继续。

在S360，中间节点检查其缓存器是否包括与所接收的RREQ的源-目的地配对相同的源-目的地配对有关的其它RREQ。如果是，在S365，进行另一检查以确定所接收的RREQ（具有或者不具有经过更新的价格）是否具有比缓存的RREQ中指示的路由价格小的路由价格。如果是，在S370，中间节点将所接收的RREQ转发给其相邻节点；否则，执行结束。在某些实施例中，最后节点的相邻节点的列表可以在S370以与针对S440描述的方式相同的方式更新。如果S360产生否定的答案，则执行进行到S370。

最优路由的选择由目的地节点基于路由价格执行。具体地，如果目的地节点接收对于相同的源-目的地配对的多个RREQ，则该节点选择在所有RREQ中具有最小的路由价格的RREQ所传播的路由。目的地节点在所选择的路由上发送RREP。源节点和中间节点在接收到RREP之后更新它们的路由缓存/表格。

应当注意：诸如DSR以及AODV之类的现有的路由发现协议可以适于实现这里公开的路由发现方法。例如，需要现有的路由选择协议在目的地节点可以发送回RREP之前等待预定义的时间量以检查在该时间期间是否接收到额外的RREQ。

作为另一实例，如果需要路由选择协议记录RREQ经过的所有或者某些配对的节点之间的路由和路由的价格，则RREQ可以适于为所有或者某些中间节点（即，不仅仅为RREQ经过的最后节点）指示RREQ经过的相邻节点的列表。

参照图5A-5G，在图5A-5G中，提供了演示根据本发明的实施例实现的路由发现过程的操作的非限制性实例。图5A示出了包括六个节点510-A到510-F的网络。链路的有效信道速率在两个节点之间的边上示出。为了简单和示范的目的，有效信道速率与原始信道速率相同。

图5B到图5G示出了从源节点510-A发送到目的地节点510-F的RREQ的传播路由。源节点510-A通过向节点510-B和510-C发送RREQ来开始路由发现过程（参见图5B）。由节点510-B计算的路由价格是1/160，由节点510-C计算的路由价格是1/53.3。然后，节点510-B和510-C广播RREQ。节点510-C还接收由节点510-B发送的RREQ，并且在此之后计算对于该RREQ的路由价格，该路由价格是2/160。新的路由价格小于之前计算的值1/53.3。由此，节点510-C利用新的路由（510-A，510-B，510-C）以及新的价格2/160再一次将RREQ重新广播到节点510-D和510-E（参见图5C）。网络500中的其它节点遵循相同的规则，参见图5E和5F。

目的地节点510-F利用具有价格4/160的路由（510-A，510-B，510-C， 510-D，510-E，510-F）接收RREQ，利用具有路由价格2/53.3+1/160的路由（510-A，510-C，510-E，510-F）接收RREQ，并且接收一些其它的RREQ。节点510-F比较所有的路由价格，并且选择具有最小的价格的路由，其是路由（510-A, 510-B, 510-C, 510-D, 510-E, 510-F）。随后，目的地节点510-F沿着所选择的路由将RREP发送回源节点510-A（参见图5G）。源节点510-A更新其路由缓存/表格，并且从节点510-A到510-F的路由被建立。

应当了解：使用上述方法发现的路由比由现有的协议发现的最短跳路由具有更好的吞吐量。例如，这种协议将选择路由(510-A, 510-C, 510-E, 510-F)、(510-A, 510-B, 510-D, 510-F)或者(510-A, 510-C, 510-D, 510-F)。所有这三个路由具有相同的价格2/53.3+1/160  1/22.8，其具有大约22.8Mbps的吞吐量。对于该网络，所公开的方法选择具有1/40的价格以及大约40Mbps的吞吐量的路由（510-A, 510-B, 510-C, 510-D, 510-E, 510-F）。因此，此实例在端到端吞吐量上的改进是大约75%。如果有更多的节点和更高的速率可用，则该改进可以甚至更高。

所公开的方法可以在包括但不限于以下的通信系统中实现：基于UWB的WPAN、基于WiMedia的无线网络和WPAN或者任何时分多址（TDMA）或者基于超帧的无线网络。

将本发明的原理实现为硬件、固件和软件的组合。此外，所述软件优选地被实现为确实包含在程序存储单元或者计算机可读介质上的应用程序。所述应用程序可被上传到包括任何合适结构的机器，并由其执行。优选地，所述机器在具有诸如一个或多个中央处理单元（“CPU”）、存储器以及输入/输出接口之类的硬件的计算机平台上被实现。所述计算机平台也可包括操作系统和微指令代码。这里所描述的各种过程和功能可以是可由CPU执行的微指令代码的部分或应用程序的部分或它们的任意组合，无论这种计算机或者处理器是否被明确示出。另外，诸如附加数据存储单元和打印单元之类的各种其它的外设单元可以与计算机平台连接。

上面的详细描述已经阐明了本发明可以采用的许多形式中的几个。意在上面的详细描述被理解为本发明可以采取的所选择的形式的例示，而不是理解为对于本发明的定义的限制。仅权利要求书（包括所有的等效物）意在限定本发明的范围。

Claims (13)

1.一种用于在网格的基于无线介质（WiMedia）的网络中发现源节点与目的地节点之间具有最高吞吐量的路由的方法（300），包括：

在由源节点与目的地节点之间的中间节点接收到路由请求（RREQ）时，在RREQ中至少保存中间节点的标识（ID）号以及在其上接收到该RREQ的链路的传输信道速率（S320）；

部分地基于路由中的链路的有效传输速率来计算新的路由价格（S330）；

确定新的路由价格是否大于在所接收的RREQ中包括的价格（S340）；

当新的路由价格大于所接收的RREQ中的路由价格时，更新所接收的RREQ以包括新的路由价格（S350）；以及

将经过更新的RREQ转发给中间节点的一个或者更多个相邻节点（S370）。

2.如权利要求1所述的方法，还包括确定是否存在在中间节点中缓存的一个或者更多个RREQ（S360）；在所缓存的一个或者更多个RREQ、经过更新的RREQ以及所接收的RREQ中找到具有较小的路由价格值的RREQ（S365）；以及将被确定具有最小的路由价格的RREQ转发给中间节点的一个或者更多个相邻节点（S370）。

3.如权利要求1所述的方法，其中路由价格是为路由中的链路计算的有效传输速率的倒数和。

4.如权利要求3所述的方法，其中计算路由价格还包括：

获得所接收的RREQ已经在其上经过的路由（S410）；

得到由沿着所述路由的链路使用的传输信道速率，其中每个链路在传输RREQ的节点与接收RREQ的节点之间（S420）；

为每个链路计算有效传输信道速率（S430）；

创建链路列表（S450）；以及

对链路列表中的所有链路的有效传输信道速率的倒数求和（S460）。

5.如权利要求4所述的方法，其中链路列表包括所有具有在最后节点的相邻节点的列表中指定的至少一个端节点或者作为中间节点的相邻节点的至少一个端节点的链路。

6.如权利要求5所述的方法，其中最后节点的相邻节点的列表包括路由上作为将所接收的RREQ传输到中间节点的节点的相邻节点的节点。

7.如权利要求6所述的方法，还包括创建最后节点的相邻节点的列表以包括路由上同样是中间节点的相邻节点的节点（S440）；并且将经过更新的最后节点的相邻节点的列表保存在所接收的RREQ中。

8.如权利要求5所述的方法，其中在RREQ中保持最后节点的相邻节点的列表、传输信道速率以及RREQ在其上经过的路由。

9.如权利要求4所述的方法，其中链路的有效信道传输速率是通过将数据分组的有效负载大小除以在链路上完成数据分组的传输所需要的时间来计算的。

10.如权利要求9所述的方法，其中完成数据分组的传输的时间等于至少数据帧（T_data）和肯定应答（T_ack）帧的传输时间以及肯定应答帧与数据帧之间的帧间间隔（T_ifs）的和。

11.如权利要求10所述的方法，其中通过下式计算传输时间T_data：

，其中T_preamble是帧的前同步码的传输时间；H_p是帧报头的大小，P是有效负载的大小，R_C是链路的传输信道速率。

12.如权利要求2所述的方法，其中将源节点与目的地节点之间的路由选择为由目的地节点接收的所有RREQ中具有最小的路由价格的RREQ传播的路由。

13.如权利要求1所述的方法，还包括由目的地节点生成路由响应（RREP）；以及在所选择的路由上将RREP发送给源节点。

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