DE112005002759T5

DE112005002759T5 - System und Verfahren zum Erkunden von Routen in einem drahtlosen Netz

Info

Publication number: DE112005002759T5
Application number: DE112005002759T
Authority: DE
Inventors: Guenael T. Sanford Strutt; Avinash Orlando Joshi
Original assignee: Mesh-Networks Inc Schaumburg; MeshNetworks Inc
Current assignee: Mesh-Networks Inc Schaumburg; Arris Enterprises LLC
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2007-12-06
Also published as: KR20070065430A; KR100912330B1; WO2006055273A3; US20060104205A1; US7512074B2; WO2006055273A2

Abstract

Verfahren zum Bewerten einer Route in einem drahtlosen Netz, mit folgendem Schritt:
Senden von mindestens einem Erkundungspaket entlang einer Route, wobei das Erkundungspaket Statistiken, die auf die Route bezogen sind, sammelt, ohne die Route einzurichten, während das Erkundungspaket die Route durchquert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Bewerten der Leistung einer potenziellen Route, bevor dieselbe tatsächlich eingerichtet wird.
Beschreibung der verwandten Technik
Drahtlose Kommunikationsnetze, wie drahtlose mobile Telefonnetze, sind im Laufe des letzten Jahrzehnts zunehmend vorherrschend geworden. Auf diese drahtlosen Kommunikationsnetze wird im Allgemeinen als „zellulare Netze" Bezug genommen, da die Netzinfrastruktur angeordnet ist, um den Dienstbereich in eine Mehrzahl von Regionen, die „Zellen" genannt werden, zu teilen. Ein terrestrisches zellulares Netz umfasst eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Basisstationen oder Basisknoten, die an bestimmten Orten über den gesamten Dienstbereich geografisch verteilt sind. Jeder Basisknoten umfasst ein oder mehrere Sende-Empfangs-Geräte bzw. Transceiver, die fähig sind, elektromagnetische Signale, wie Hochfrequenz-(HF-)Kommunikationssignale, zu mobilen Benutzerknoten, wie drahtlosen Telefonen, die sich innerhalb des Versorgungsbereichs befinden, zu senden und von denselben zu empfangen. Die Kommunikationssignale umfassen beispielsweise Sprachdaten, die gemäß einem gewünschten Modulationsverfahren moduliert und als Datenpakete gesendet wurden. Wie Fachleuten bewusst ist, senden und empfangen Netzknoten Datenpaketkommunikationen in einem gemultiplexten Format, wie einem Zeitvielfachzugriffs-(TDMA-)Format, einem Codevielfachzugriffs-(CDMA-)Format oder einem Frequenzvielfachzugriffs-(FDMA-) Format, was es einem einzelnen Transceiver bei einem ersten Knoten ermöglicht, gleichzeitig mit mehreren anderen Knoten in dem Versorgungsbereich desselben zu kommunizieren.
In den letzten Jahren wurde ein Typ eines mobilen Kommunikationsnetzes, das als ein „Ad-hoc"-Netz bekannt ist, entwickelt. Bei diesem Netztyp ist jeder mobile Knoten fähig, als eine Basisstation oder ein Router für die anderen mobilen Knoten in Betrieb zu sein, was den Bedarf an einer festen Infrastruktur von Basisstationen eliminiert.
Es werden ferner höher entwickelte Ad-hoc-Netze entwickelt, die zusätzlich dazu, dass dieselben mobilen Knoten ermöglichen, miteinander wie in einem herkömmlichen Ad-hoc-Netz zu kommunizieren, den mobilen Knoten ferner ermöglichen, auf ein Festnetz zuzugreifen und so mit anderen mobilen Knoten, wie jenen in dem öffentlich vermittelten Fernsprechnetz (= Public Switched Telephone Network = PSTN), und in anderen Netzen, wie dem Internet, zu kommunizieren. Details dieser fortschrittlichen Typen von Ad-hoc-Netzen sind in der am 29. Juni 2001 eingereichten US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/897,790 mit dem Titel „Ad Hoc Peer-to-Peer Mobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and Cellular Networks", in der am 22. März 2001 eingereichten US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/815,157 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" und in der am 22. März 2001 eingereichten US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/815,164 mit dem Titel „Prioritized-Routing for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer, Mobile Radio Access System" beschrieben, wobei der gesamte Inhalt derselben hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Ein Knoten in einem drahtlosen Netz sendet üblicherweise Daten zu einem anderen Knoten durch ein Einrichten einer Route zu diesem anderen Knoten. Manchmal wirkt ein dritter Knoten als ein Stellvertreter bzw. Proxy. Um die Leistung des Netzes _zu maximieren (d. h. die Menge eines Verkehrs, die jeder Knoten durch das Netz tragen kann, zu maximieren), werden Routen typischerweise durch ein Minimieren oder Maximieren einer Aufwandsfunktion eingerichtet: die „Routenmetrik". Diese Metrik kann auf einer Vielfalt von Parametern, wie der Zahl von Sprüngen bzw. Hops, der Signalstärke, dem Signal-Rausch-Verhältnis (= Signal-to-Noise Ratio = SNR), der Überlastung, der Batterieleistung, der Paketfertigstellungsrate, der Datenrate, der Warteschlangengröße, der Paketgröße, dem Verkehrstyp oder anderen Metriken basieren. Einige der wertvollsten Metriken (wie die Fertigstellungsrate und die Datenrate) sind jedoch mit Genauigkeit unmöglich einzurichten, wenn nicht auf jeder Verbindung ein gewisser Verkehr gesendet wird. Da ein Erzeugen eines Verkehrs auf jeder Verbindung eine Verschwendung von Bandbreite (und daher ein Hindernis für ein Maximieren einer Leistung) ist, besteht ein Bedarf an einer passenderen Weise eines Bestimmens der Routenmetrik, ohne eine unnötig große Menge von Verkehr zu erzeugen.
Routing-Algorithmen umgehen dieses Problem, indem dieselben basierend auf Statistiken, die passiv, beispielsweise durch ein Hören von Funkfeuersignalen oder einem Steuerverkehr gesammelt werden, eine grobe (und daher gänzlich ungenaue) Schätzung durchführen. Die Statistiken, die passiv gesammelt werden, stellen eine Reihe von Problemen dar. Erstens können diese Statistiken veralten, wenn die Knoten in dem drahtlosen Netz hochmobil sind. Zweitens sind Statistiken, die passiv gesammelt werden, verglichen mit Statistiken, die gesammelt werden, wenn ein aktiver Verkehr zwischen zwei Knoten eines drahtlosen Netzes gesendet wird, sehr ungenau. Aus diesen Gründen können die Routenmetriken, die aus Statistiken, die passiv gesammelt werden, abgeleitet werden, den Routing-Algorithmus veranlassen, eine unbrauchbare Route auszuwählen. Es besteht daher ein Bedarf an einem Protokoll, das vor der Einrichtung einer Route informiertere Entscheidungen fällt. Aktuell bekannte Verfahren zum Suchen nach Routen in einem drahtlosen Netz umfassen die Einrichtung einer neuen Route basierend auf A-priori-Informationen. Ein Beispiel dieses Verfahrens ist in der US-Patentanmeldung Nr. 2004/0143842 („System and method for achieving continuous connectivity to an access point or gateway in a wireless network following an on-demand routing protocol, and perform smooth handoff of mobile terminals between fixed terminals in the network") beschrieben.
Bei dem Verfahren, das in der Anmeldung, auf die im Vorhergehenden Bezug genommen ist, beschrieben ist, schaltet ein Knoten, wenn der Knoten eine Hello-Nachricht, die eine bessere Route zu dem Zugriffspunkt vorschlägt, empfängt, Routen unmittelbar um. Nach der Einrichtung der neuen Route kann ein Verkehr entlang der Route gesendet werden. Es ist möglich, dass die Routenmetrik, die bestimmt wird, während die Route verwendet wird, um einen Verkehr zu senden, schließlich bedeutend schlechter ist als die Routenmetrik, die unter Verwendung der passiv gesammelten Statistiken bestimmt wurde. Die aktualisierte Routenmetrik könnte soviel schlechter sein, dass dieselbe die Neueinrichtung der vorher aufgegebenen Route auslöst. Es ist daher wünschenswert, ein System zu haben, das sicherstellt, dass die neue angebotene Route tatsächlich besser als die vorher verwendete ist, bevor eine neue Route eingerichtet wird.
Andere Verfahren zum Suchen nach Routen in einem drahtlosen Netz betreffen die Aufrechterhaltung von mehreren Routen. Einige Protokolle für ein Routing auf Anfrage, wie Dynamic Source Routing (DSR) und Ad-hoc-On-demand-Multipath-Distance-Vector-(AOMDV-)Routing, erhalten mehrere Routen zu einem Ziel aufrecht. Ein Knoten kann entweder mehrere Routen gleichzeitig verwenden oder kann lediglich eine Route verwenden und unmittelbar zu der anderen umschalten, wenn die aktuelle Route unterbrochen wird. Die gleichzeitige Verwendung von Routen kann Probleme aufgrund der Lieferung von Paketen außerhalb der Reihenfolge bewirken, und daher ist die andere Verwendung von mehreren Routen bevorzugt. Obwohl alternative Routen zu dem Zeitpunkt einer Erzeugung gültige Routen sind, können dieselben im Laufe der Zeit veralten oder schlechtere Metriken haben. Es wäre wünschenswert, ein Verfahren zu haben, das verhindert, dass alternative Routen veralten.
Ein anderes Verfahren zum Suchen nach Routen in einem drahtlosen Netz betrifft die Schätzung der Routenmetrik basierend auf der Sendung von Datenpaketen. Dieses Verfahren erfordert die Sendung von periodischen Datenpaketen oder Funkfeuersignalen und dann ein Schätzen der Qualität basierend auf den Empfangsstatistiken. Dies kann eine genaue Schätzung liefern, jedoch lediglich nach einem Aufsichnehmen eines hohen Aufwands. Es wäre wünschenswert, ein Verfahren zu haben, dass die zusätzliche Menge eines Aufwands begrenzt.
Es wurden andere Algorithmen erfunden, um eine Netzleistung durch ein Durchführen von Handlungen, die einer Erkundung ähneln, zu verbessern. In einem solchen Algorithmus („PLANet: an active internetwork"), der durch Michael Hicks et al. vorgestellt wurde, schreiben die Autoren: „Wir werden jedoch periodisch Erkundungspakete einstreuen, die das Netz erforschen, indem dieselben nach einer besseren Route suchen und den Fluss der Transportpakete lenken. Jedes Erkundungspaket passt in einen 1500-Byte-Ethernet-Rahmen, führt jedoch einige nicht-triviale Berechnungen aus. Insbesondere sendet das Erkundungspaket bei jedem Hop eine Kopie von sich selbst auf jeder der abgehenden Schnittstellen des Routers und breitet sich so fächerförmig über das Netz aus." Wegen der Verbreitung des Erkundungspakets über das gesamte Netz ist die Verwendung von PLANet auf verdrahtete Netze beschränkt. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren, Routen in einem drahtlosen Netz zu erkunden und gleichzeitig die Menge eines Signalisierungsaufwands zu begrenzen.
Ein anderer Algorithmus, der ein Verfahren, das einer Erkundung ähnelt, verwendet, wird in der US-Patentanmeldung Nr. 2002/0051425 („Method for forwarding in multihop networks") vorgestellt. Die Anmeldung beschreibt ein „Verfahren zum Weiterleiten von Informationen in einem Multihop-Netz, das eine Mehrzahl von Knoten aufweist, mit folgenden Schritten: Bezeichnen eines Knotens in dem Netz als einen Ursprungsknoten; Senden einer Sondierungsnachricht von dem Ursprungsknoten in dem Netz zu einer Mehrzahl von anderen Knoten in dem Netz in einer allgemeinen Richtung, in der die Informationen weiterzuleiten sind". Jede Sondierung ist jedoch auf einen einzelnen Hop begrenzt. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren, Routen über eine Mehrzahl von Sprüngen bzw. Hops in einem drahtlosen Netz zu erkunden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft ein System und ein Verfahren zum Bewerten der Leistung einer potenziellen Route, bevor dieselbe tatsächlich eingerichtet wird. In einem drahtlosen Netz sendet der Quellknoten, wenn durch denselben ein Auslöser, der die Existenz einer besseren Route vorschlägt, empfangen wird, ein Erkundungspaket entlang der vorgeschlagenen Route. Das Erkundungspaket sammelt Statistiken, die auf die vorgeschlagene Route bezogen sind, ohne die Route einzurichten, während das Erkundungspaket die Route durchquert. Die Metrik für die vorgeschlagene Route, die aus den Statistiken, die durch das Erkundungspaket gesammelt werden, abgeleitet wird, wird mit der Metrik für die aktuelle Route verglichen. Wenn die Metrik für die vorgeschlagene Route gegenüber derselben der aktuellen Route vorzuziehen ist, wird die vorgeschlagene Route als eine neue Route eingerichtet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aufgaben, Vorteile und neuen Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung ohne Weiteres erkennbar, wenn dieselbe in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
1 ein Blockdiagramm eines Beispiels eines drahtlosen Netzes ist;
2 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel einer Schlitzzuteilung über ein Erkunden zeigt;
3 ein Blockdiagramm eines Beispiels eines drahtlosen Netzes ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Der Zweck dieser Erfindung besteht darin, das Problem, das dem Metrikschätzungsverfahren zugeordnet ist, durch ein Liefern einer besseren Schätzung der Verbindungsqualität basierend auf der Sammlung von spezifischen Statistiken zu erleichtern. Die Einrichtung, die hierin beschrieben ist, ist analog zu einem Erkunden der wirklichen Welt – der Kundschafter bewegt sich alleine oder in einer kleinen Gruppe, um das Gelände zu erforschen, berichtet dann an die Basis, die ihrerseits eine Entscheidung basierend auf den Informationen, die durch den/die Kundschafter gesammelt werden, fällt. Während einer Erkundung beteiligen sich die Kundschafter nicht an der Aktivität, für die der Bereich erkundet wird (Einrichten eines Lagers, Gefecht etc.); es ist ebenfalls nicht der Zweck eines Netzerkundens, Routen einzurichten, sondern lediglich, dieselben zu analysieren.
Erkundungsverfahren
Die Verfahrensunterschiede zwischen einem traditionellen Routing-Algorithmus und einem Routing-Algorithmus, der ein Erkunden verwendet, um Routen zu bestimmen, sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst: Tabelle 1 - Erkundungsverfahren
Es gibt mehrere Situationen, bei denen ein Routing-Algorithmus ein Erkunden benötigen kann:

1. Mehrfachroutenprotokoll. Bei dem Fall eines Routing-Protokolls, das mehrere Routen berechnet, besteht ein Bedarf an einem periodischen Senden von Erkundungspaketen, um sicherzustellen, dass alle Routen noch gültig sind.
2. Genauigkeit einer Routing-Metrik. Wenn sich ein Knoten über die Genauigkeit der Metrik desselben zu einem Nachbarn nicht sicher ist, da in letzter Zeit keine Kommunikation stattgefunden hat, besteht ein Bedarf an einem Senden einer Zahl von Dummy- bzw. Altrappen-Erkundungspaketen, um die Metrik zu aktualisieren.
3. Zeitabhängigkeit. Ein System, bei dem eine Route lediglich zuverlässig eingerichtet werden kann, wenn Zeitschlitze verfügbar sind, kann ein Verfahren benötigen, um sicherzustellen, dass entlang der Route genügend Schlitze verfügbar sind, bevor eine Übergabe bzw. ein Handoff auftritt.

Alle diese Fälle gelten insbesondere bei mobilen Szenarien, bei denen Handoffs auftreten. Dieses Szenario sowie die drei vorhergehenden sind im Folgenden beschrieben.
Mehrfachroutenprotokoll
Wie im Vorhergehenden Bezug genommen ist, halten die DSR- und AOMDV-Routing-Protokolle mehrere Routen zu einem einzelnen Ziel aufrecht. Ziemlich häufig wird in diesen Protokollen lediglich eine einzige Route verwendet, während die anderen Routen als Reserverouten gehalten werden. Es besteht eine gute Möglichkeit, dass, wenn die Zeit vergeht, die anderen Reserverouten veralten oder eine schlechtere Metrik bieten als ursprünglich berechnet wurde. Um diese Vorkommnisse zu vermeiden, sollten die Erkundungspakete in einem periodischen Intervall entlang der nicht verwendeten Routen gesendet werden. Die Zahl von Reserverouten, die auf diese Weise „erkundet" werden sollten, und das periodische Intervall sollten sowohl auf der Geschichte einer Änderung in Routenmetriken entlang aller Routen, die durch den Knoten aufrechterhalten werden, als auch der Mobilität des Knotens basieren. Beispielsweise kann, wenn der Knoten stationär ist, das periodische Intervall verringert sein.
Das Erkundungspaket kann die Form eines DSR-RREQ-(Routenanfrage-)Pakets oder eines AODV-RREQ-Pakets mit einem speziellen Bitsatz, der dasselbe von regulären Routing-Paketen unterscheidet, annehmen. Das Erkundungspaket kann ferner ein getrenntes Paket mit den folgenden Feldern sein (diese Liste ist nicht erschöpfend):

• Pakettyp: Erkundungspaket
• Quelladresse: MAC- oder IP-Adresse der Quelle abhängig von dem Routing-Protokoll
• Zieladresse: MAC- oder IP-Adresse des Ziels abhängig von dem Routing-Protokoll
• Liste von Adressen von Zwischenknoten
• Kumulative Metriken

Genauigkeit einer Routing-Metrik
Zusätzlich zum Berechnen einer Metrik für jede Route ist es möglich, dass ein Routing-Algorithmus eine Genauigkeit einer Metrik bestimmt (d. h., die Metrik M kann als M = μ_M ± p_M ausgedrückt sein, wobei μ_M der Metrikdurchschnitt und p_M der Metrikfehler ist). Das Erkundungspaket kann daher entweder die tatsächliche Metrik zusammen mit der Genauigkeit derselben berichten, die minimale mögliche Metrik berichten oder eine Schätzung der Metrik berichten. Wenn beispielsweise die Metrik aus einer Paketfertigstellungsrate besteht, kann das Erkundungspaket die Zahl von Wiederholungen verfolgen und eine Paketfertigstellungsrate mit einem (begrenzten) Genauigkeitsgrad ableiten. Dieser Genauigkeitsgrad ist im Folgenden erörtert.
Es sind zwei Lösungsansätze möglich. (1) Die Metrik ist genauigkeitsbewusst. Ein Erkunden aktualisiert die Metrik und erhöht die Genauigkeit derselben. Wenn die Genauigkeit am Ende des Erkundens noch nicht gut genug ist, um sicher zu sein, dass die neue Route besser ist, wird ein weiteres Erkundungspaket gesendet. Während durch die Erkundungspakete ein Dummy-Verkehr erzeugt wird, verringert sich der Fehler p_M, und der Quelknoten kann die Qualität der Route besser bewerten. (2) Die Metrik ist verkehrsbewusst. Ein Erkunden verwendet die tatsächliche Metrik für verwendete Verbindungen, setzt jedoch eine eigene Metrik derselben für nicht verwendete Verbindungen ein, die auf Statistiken basiert, die während des Erkundens gesammelt werden. Es ist im Folgenden ein Beispiel angegeben.
Man betrachte ein Netz mit 10 Knoten (in 1 gezeigt), bei dem es ein Ziel eines Knotens 1 ist, eine stabile Route zu einem Knoten 4 aufrechtzuerhalten. Die Fertigstellungsraten, die bei diesem Beispiel angegeben sind, sind willkürlich und wurden lediglich ausgewählt, um den Zweck des Erkundungsalgorithmus darzustellen.
Eine einfache, jedoch wirksame Metrik, um eine Route in einem drahtlosen Netz auszuwählen, ist die Zahl von erforderlichen Sendungen. Zusätzliche Sendungen erhöhen die Kanalauslastung und tragen zu einer Latenzzeit bei – zwei usprüngliche Faktoren beim Reduzieren der Leistung eines paketvermittelten drahtlosen Netzes. Es ist daher vernünftig, anzunehmen, dass sich eine Leistung erhöht, während sich die Metrik verringert. Die Zahl von erforderlichen Sendungen verringert sich, während sich die Zahl von Hops verringert und sich die Paketfertigstellungsrate von jeder Verbindung erhöht. Es ist daher ein Gleichgewicht zwischen einem Bevorzugen einer reduzierten Zahl von Hops und einem Bevorzugen von hohen Fertigstellungsraten zu finden.
Die Metrik, die in dem Beispiel verwendet ist, ist unter Verwendung der folgenden Parameter definiert:

H: = Gesamtzahl von Hops
h: = Hopzahl
PCR(h): = Paketfertigstellungsrate bei Hop h
r(h): = Zahl von Wiederholungen bei Hop h
μ_r(h): = durchschnittliche Zahl von Wiederholungen bei Hop h
R: = Gesamtzahl von Umlauf-Wiederholungen
μ_R: = durchschnittliche Zahl von Umlauf-Wiederholungen
M: = Routing-Metrik (durchschnittliche Zahl von Sendungen)

Aus diesen Parametern können die folgenden Gleichungen eingerichtet werden (unter der Annahme, dass die Sendungserfolgswahrscheinlichkeit eine geometrische Verteilung hat)
wobei P[x] die Wahrscheinlichkeit von „x" ist.
Hinsichtlich der Metrik, die bei dem vorhergehenden Beispiel verwendet ist, ist die Rohzahl von Sendungen lediglich von Bedeutung, wenn man in Betracht zieht, dass alle Pakete dieselbe Sendezeit belegen. Dies bedeutet, dass man folgende Annahmen machen muss: (i) alle Pakete haben dieselbe Länge, (ii) alle Pakete verwenden dieselbe Datenrate und (iii) es gibt keinen Verlangsamungsmechanismus. Ferner kann eine Überbelastung bei bestimmten Orten in dem Netz die Rate einer Sendung von Informationen trotz einer angemessenen Zahl von erforderlichen Sendungen ungünstig verlangsamen. In dieser Situation bietet die gewählte Metrik einen begrenzten Nutzen. Die einfache Metrik M wird lediglich verwendet, um den Zweck eines Erkundungspakets bei einem drahtlosen paketvermittelten Netz darzustellen.
Man nimmt nun an, dass der Knoten 1 eine Route über die Knoten 2 und 3 zu dem Knoten 4 eingerichtet hat. Man nimmt ferner an, dass der Knoten 5 den Knoten 1 über eine alternative Route zu dem Knoten 4 mit einer potenziell besseren Metrik informiert hat. Beide Routen haben 3 Hops (H = 3). Die Leistungsparameter (die für darstellende Zwecke willkürlich gewählt sind) sind in der folgenden Tabelle angegeben. Tabelle 2
Es sei bemerkt, dass die Schätzung für die alternative Route (in der letzten Zeile kursiv gezeigt) fehlerhaft ist: Dieselbe schätzt, dass die Umlauf-Paketfertigstellungsrate 81% ist, was einer Metrik von M = H + μ_R/2 = 3 + 0,22/2 = 3,11 entspricht. In Wirklichkeit ist die Umlauf-Paketfertigstellungsrate für diese Route tatsächlich 13%, was einer Metrik von M = N + μ_R/2 = 3 + 2,72/2 = 4,36 entspricht. Diese Diskrepanzen sind typisch für Systeme, die keine strengen SNR-Erfordernisse haben oder in breiten Frequenzbändern in Betrieb sind, die mit anderen Typen von Vorrichtungen gemeinsam verwendet werden (wie die ISM-Bänder): Diese Systeme sind nicht fähig, die Paketfertigstellungsrate zu schätzen, ohne einen Verkehr zu senden. Es ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, dieses Problem durch ein Senden von Dummy-Erkundungspaketen entlang von potenziellen Routen zu umgehen.
Unterdessen wird die Messung für die aktuelle Route genau durchgeführt (in der sechsten Zeile von Tabelle 2 fett gezeigt). In der Tat stellt das Vorhandensein eines Verkehrs entlang der Route sicher, dass die Messung genau und aktuell ist. Die aktuelle Routenmetrik wird als M = H + μ_R/2 = 3 + 1,34/2 = 3,67 berechnet. Dieser Wert ist nahe zu dem tatsächlichen Wert (M = H + μ_R/2 = 3 + 1,38/2 = 3,69).
Die PCRs für die gesamte Route und die mittlere Zahl von Wiederholungen für die tatsächlichen Verbindungen sind lediglich zur Klarheit gezeigt. Dieselben brauchen nicht berechnet zu werden.
Es zeigt sich, dass die Routenmetrik für die alternative Route M = 4,36 ist, was größer als die Metrik für die aktuelle Route (M = 3,69) ist. Es ist das Ziel des Erkundungsalgorithmus, sicherzustellen, dass die alternative Route nicht eingerichtet wird. Die folgende Sequenz von Ereignissen zeigt, wie dies durch ein Verwenden von Erkundungspaketen durchgeführt wird.
Bei einer Zeitsequenz 1 sendet und empfängt der Knoten 1 einen Verkehr zu und von dem Knoten 4; die dieser Route zugeordnete Metrik (gemäß Gleichung 3) ist M = 3,67. Der Knoten 5 informiert den Knoten 1 von einer Route zu dem Knoten 4, die eine bessere Metrik (M = 3,11) zu bieten scheint. Da jedoch entlang dieser Route kein Verkehr gesendet wird, sollte die Metrik verdächtig erscheinen. Wenn viele alternative Routen angeboten werden, ist es entscheidend, dass der Konten 1 nicht bei jeder Gelegenheit Routen umschaltet, da sonst in dem Netz eine Instabilität erscheinen könnte. Anstatt eine Route einzurichten, erkundet der Knoten 1 zuerst die Route.
Bei einer Zeitsequenz 2 sendet der Knoten 1 ein Erkundungspaket einen Wert von R = 0 tragend zu dem Knoten 5. Wenn das Paket erfolgreich gesendet wird, wartet der Knoten 1 darauf, dass das Erkundungspaket zurückkehrt. Wenn das Paket nicht erfolgreich gesendet wird, wird R für jeden erfolglosen Versuch um 1 erhöht.
Bei einer Zeitsequenz 3 leitet der Knoten 5 das Erkundungspaket R tragend zu dem Knoten 6 weiter. Wenn das Paket erfolgreich gesendet wird, wartet der Knoten 5, bis das Erkundungspaket zurückkehrt. Wenn das Paket nicht erfolgreich gesendet wird, wird R für jeden erfolglosen Versuch um 1 erhöht.
Bei einer Zeitsequenz 4 leitet der Knoten 6 das Erkundungspaket R tragend zu dem Knoten 4 weiter. Wenn das Paket erfolgreich gesendet wird, wartet der Knoten 6, bis das Erkundungspaket zurückkehrt. Wenn das Paket nicht erfolgreich gesendet wird, wird R für jeden erfolglosen Versuch um 1 erhöht.
Bei einer Zeitsequenz 5 sendet der Knoten 4 das Erkundungspaket R tragend zu dem Knoten 6 zurück. Wenn das Paket erfolgreich gesendet wird, verarbeitet der Knoten 4 nicht länger weitere Erkundungspakete von 1. Wenn das Paket nicht erfolgreich gesendet wird, wird R für jeden erfolglosen Versuch um 1 erhöht.
Bei einer Zeitsequenz 6 sendet der Knoten 6 das Erkundungspaket R tragend zu dem Knoten 5 zurück. Wenn das Paket erfolgreich gesendet wird, verarbeitet der Knoten 6 nicht länger weitere Erkundungspakete von 1. Wenn das Paket nicht erfolgreich gesendet wird, wird R für jeden erfolglosen Versuch um 1 erhöht.
Bei einer Zeitsequenz 7 sendet der Knoten 5 das Erkundungspaket R tragend zu dem Knoten 1 zurück. Wenn das Paket erfolgreich gesendet wird, verarbeitet der Knoten 5 nicht länger weitere Erkundungspakete von 1. Wenn das Paket nicht erfolgreich gesendet wird, wird R für jeden erfolglosen Versuch um 1 erhöht.
Bei einer Zeitsequenz 8 vergleicht der Knoten 1 den Wert von R_alt in dem Erkundungspaket mit dem Wert R_aktuell, den derselbe für die eigene Route desselben zu 4 berechnet hat (R_aktuell = 1,34). Wenn R_alt gleich 0 oder 1 ist, schreitet der Knoten 1 fort, um eine Route durch 5 einzurichten (da[H + R_alt/2] < [H + R_aktuell/2]), sonst hält derselbe die Route desselben durch 2 aufrecht (da[H + R_alt/2] > [H + R_aktuell/2]).
Die Wahrscheinlichkeit, dass es während des Erkundungsverfahrens keine Wiederholung gibt, ist gleich P[R = 0] = P[r(1) = 0]2·P[r(2) = 0]2·P[r(3) = 0]2 = PCR(1)2·PCR(2)2PCR(3)2 = 13%
Die Wahrscheinlichkeit, dass es während des Erkundungsverfahrens genau eine Wiederholung gibt, ist gleich P[R = 1] = 2·P[r(1) = 1]·P[r(1) = 0]·P[r(2) = 0]2·P[r(3) = 0]2 + 2·P[r(1) = 0]2. P[r(2) = 1]·P[r(2) = 0]·P[r(3) = 0]2 + 2·P[r(1) = 0]2·P[r(2) = 0]2·P[r(3) = 1]· P[r(3) = 0] = 2·PCR(1)2·PCR(2)2·PCR(3)2·[3 – PCR(1) – PCR(2) – PCR(3)] = 20,7%
Die Fehlerwahrscheinlichkeit beträgt daher für das angegebene Beispiel etwa 33,7%. Um die Genauigkeit zu verbessern, kann der Quellknoten mehrere Erkundungspakete senden und den Durchschnitt der resultierenden Metrik bilden.
Zeitabhängigkeit
In Fällen, bei denen die Einrichtung einer Route Zeitabhängigkeiten hat (beispielsweise, wenn man in Betracht zieht, dass Zeitschlitze durch eine TDMA-Medienzugriffssteuerung entlang einer Route reserviert werden), muss dann das Erkundungspaket in der Lage sein, diese Ereignisse zu aktivieren, wie in 2 gezeigt ist. Mit anderen Worten, das Erkundungspaket muss als ein Routing-Paket wirken, wenn sich dasselbe auf ein Erzeugen von Routen oder ein Reservieren von Schlitzen bezieht, ohne dieselben jedoch tatsächlich zu aktivieren.
Routenstabilität
Der Erkundungsalgorithmus erhöht den Aufwand der Einrichtung einer einzelnen Route. Es kann den Anschein haben, dass der Algorithmus weniger effizient als ein Grund-Routing-Algorithmus ist. Dies ist nicht der Fall, wenn man die Tatsache in Be tracht zieht, dass Routen immer besser erscheinen, wenn dieselben nicht verwendet werden. Wenn daher ein Knoten N mögliche Routen zu einem Ziel hat und alle nicht eingerichteten Routen besser als die eingerichtete erscheinen, wird der Knoten versuchen, alle möglichen N Routen nacheinander einzurichten.
Die Konsequenzen davon sind:

• Extremer Aufwand: Routenanfragen werden nacheinander ausgegeben, während die Aufwandsmetrik an reale Bedingungen angepasst wird;
• Pakete außerhalb der Reihenfolge: Pakete von einer neuen Route könnten früher als ältere Pakete von einer vorhergehenden Route, die wahrscheinlich belasteter als eine neue Route ist, ankommen; und
• Schlechte Leistung: Das System ist nicht in der Lage, sich auf eine Route, die eine akzeptable Leistung liefert, zu stabilisieren und probiert stattdessen schließlich alle möglichen Routen aus (wobei die meisten derselben vermutlich weit schlechter als die Beste derselben sind).

Das Erkundungspaket löst dieses Problem, indem sichergestellt wird, dass eine neue Route lediglich eingerichtet wird, nachdem bestimmt wurde, dass die tatsächliche Metrik derselben wahrscheinlich besser als die aktuell verwendete ist.
Ein Erkunden liefert die gleiche qualitativ hochwertige Messung wie ein System, das ständig jede einzelne Verbindung ausprobiert, während gleichzeitig die Erhöhung des Aufwands minimiert wird.
Beispiel für ein Erkunden
In einem Netz, das das Protokoll, das in der US-Patentanmeldung Nr. 2004/0143842, auf die im Vorhergehenden Bezug genommen ist, beschrieben ist, ausführt, wird die Routing-Metrik dem zugeordneten IAP(= Intelligent Access Point = intelligenten Zugriffspunkt) in Hello-Nachrichten, die durch alle Knoten periodisch gesendet werden, angezeigt. Obwohl die Knoten nach einem Empfangen von neuen In formationen die Metriken derselben zu dem zugeordneten IAP regelmäßig aktualisieren (und dieselben in der folgenden Hello-Nachricht widerspiegeln), besteht eine gute Möglichkeit, dass die kumulativen Metriken über mehrere Hops ungenau sind. Dies wird durch das folgende exemplarische Netz weiter dargestellt.
Bei dem Netz, das in 3 gezeigt ist, wird gezeigt, wie sich eine Teilnehmervorrichtung SD-8 von dem Versorgungsbereich von drahtlosen Routern WR-3 und WR-4 zu demselben von WR-5 und WR-6 bewegt. Es wird angenommen, dass die SD-8 für die Route derselben zu dem IAP den WR-4 verwendet und die Route SD-8 – WR-4 – WR-1 – IAP-7 ist. Die SD-8 empfängt nun Hello-Nachrichten von den drahtlosen Routern WR-5 und WR-6. Die Teilnehmervorrichtung muss entscheiden, ob dieselbe die gleiche Route beibehalten oder zu den neuen Routen, die durch WR-5 und WR-6 angezeigt werden, umschalten muss. Ferner muss dieselbe, wenn dieselbe entscheidet, die Route zu ändern, zwischen den Routen, die durch WR-5 und WR-6 angezeigt werden, wählen. Bei diesem Szenario wird angenommen, dass es einen gewissen Verkehr gibt, der zwischen den Knoten WR-6/WR-2 und WR-2/IAP-7 fließt: Auf diese Weise sind die Metriken, die durch den WR-6 angezeigt werden, genau und aktuell. Es wird ferner angenommen, dass zwischen dem WR-5 und IAP-7 kein Verkehr fließt und daher die Metriken, die durch den WR-5 angezeigt werden, nicht auf einem realen Verkehr basieren und allein auf Vorhersagen basieren. Die Metriken, die durch den WR-5 angezeigt werden, können daher ungenau sein, insbesondere wenn der WR-5 mehrere Hellos versäumt hat (da Hellos Sammelruf-Nachrichten sind und eine geringe Zuverlässigkeit haben, durch alle Nachbarn empfangen zu werden). Wenn der WR-5 eine niedrigere Metrik als dieselbe, die durch den WR-6 angezeigt wird, anzeigt, richtet die SD-8 eine Route durch den WR-5 ein, lediglich um herauszufinden, dass die wirkliche Metrik schlechter als die angezeigte ist. Dies zwingt die SD-8, eine andere Route zu verfolgen, die eine bessere Metrik bietet, was in einer Netzinstabilität und in der Möglichkeit einer Lieferung von Paketen außerhalb der Reihenfolge resultiert.
Die Erkundungspakete helfen, das Problem, das bei diesem Beispiel geschildert ist, zu lindern: Wenn die SD-8 mehrere Hellos von dem WR-5 und WR-6 empfängt, sendet dieselbe ein oder mehrere Erkundungspakete, um die wirklichen Metriken herauszufinden. Die Erkundungspakete durchqueren die gesamte Route und finden die genaue Metrik, die der Route zugeordnet ist, wie im Vorhergehenden unter der Überschrift „GENAUIGKEIT EINER ROUTING-METRIK" beschrieben ist. Die SD-8 kann nun eine informierte Entscheidung treffen, um eine Route, die durch den WR-6 angeboten wird, zu wählen, ohne das Netz zu destabilisieren.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Erkundungsnachricht lediglich die Metriken/Statistiken, die durch die Knoten entlang der Route berechnet werden, akkumulieren, so dass der Quellknoten anstelle von möglicherweise veralteten Informationen aufgrund einer versäumten Hello-Nachricht die Echtzeit-Kenntnis der kompletten Route erhält.
Obwohl im Vorhergehenden lediglich einige exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben sind, ist Fachleuten bewusst, dass bei den exemplarischen Ausführungsbeispielen zahlreiche Modifikationen möglich sind, ohne von den neuen Lehren und Vorteilen dieser Erfindung materiell abzuweichen. Demgemäß ist beabsichtigt, dass alle solchen Modifikationen in dem Schutzbereich dieser Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, umfasst sind.
Zusammenfassung
System und Verfahren zum Erkunden von Routen in einem drahtlosen Netz
Die vorliegende Erfindung schafft ein System und ein Verfahren zum Bewerten der Leistung einer potenziellen Route, bevor dieselbe tatsächlich eingerichtet wird. In einem drahtlosen Netz sendet der Quellknoten (1), wenn durch den Quellknoten (1) ein Auslöser empfangen wird, der das Vorhandensein einer besseren Route vorschlägt, ein Erkundungspaket entlang der vorgeschlagenen Route. Das Erkundungspaket sammelt Statistiken, die auf die vorgeschlagene Route bezogen sind, ohne die Route einzurichten, während das Erkundungspaket die Route durchquert. Die Metrik für die vorgeschlagene Route, die aus den Statistiken, die durch das Erkundungspaket gesammelt werden, abgeleitet wird, wird mit der Metrik für die aktuelle Route verglichen. Wenn die Metrik für die vorgeschlagene Route gegenüber derselben der aktuellen Route vorzuziehen ist, wird die vorgeschlagene Route als eine neue Route eingerichtet.

Claims

Verfahren zum Bewerten einer Route in einem drahtlosen Netz, mit folgendem Schritt: Senden von mindestens einem Erkundungspaket entlang einer Route, wobei das Erkundungspaket Statistiken, die auf die Route bezogen sind, sammelt, ohne die Route einzurichten, während das Erkundungspaket die Route durchquert.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit folgendem Schritt: Empfangen eines Auslösers, der die Notwendigkeit, eine vorgeschlagene Route zu erkunden, vorschlägt, wobei das mindestens eine Erkundungspaket entlang der vorgeschlagenen Route gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Auslöser eine Anzeige, dass die vorgeschlagene Route einer aktuellen Route vorzuziehen ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Auslöser einen Quellknoten, der sich von einem Versorgungsbereich zu einem anderen Versorgungsbereich bewegt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit folgendem Schritt: Vergleichen von mindestens einer Metrik, die auf die erkundete Route bezogen ist, mit mindestens einer Metrik, die auf eine aktuelle Route bezogen ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit folgendem Schritt: Einrichten der erkundeten Route als eine neue Route, wenn die Metriken für die erkundete Route gegenüber den Metriken für die aktuelle Route vorzuziehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Routing-Protokoll mehrere Routen zu einem einzelnen Ziel aufrecht erhält, ferner mit folgendem Schritt: periodisches Senden von Erkundungspaketen entlang von Routen, wobei die Erkundungspakete Statistiken, die auf die Routen bezogen sind, sammeln.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Erkundungspaket ein Routenanfragepaket mit einem besonderen Bitsatz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die gesammelten Statistiken auf mindestens eine Metrik, die auf die vorgeschlagene Route bezogen ist, beziehen, ferner mit folgendem Schritt: Aktualisieren einer Metrik, die auf die vorgeschlagene Route bezogen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit folgendem Schritt: Aktualisieren der Genauigkeit der Metrikmessung.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit folgendem Schritt: Analysieren der Statistiken.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die gesammelten Statistiken auf mindestens eine Metrik, die auf die Route bezogen ist, beziehen, ferner mit folgendem Schritt: Ableiten eines neuen Metrikwerts für erkundete Verbindungen basierend auf Statistiken, die während eines Erkundens gesammelt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Metrik gleich einer Gesamtzahl von Sendungen entlang der Route ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine Gesamtzahl von Sendungen M entlang der Route aus einer Zahl von Umlauf-Wiederholungen R und einer Zahl von Hops H gemäß der folgenden Gleichung abgeleitet wird: M = H + R/2.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Statistiken, die während eines Erkundens gesammelt werden, eine Zahl von Sendungsversuchen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich mindestens ein Erkundungspaket vergewissert, ob entlang einer Route Zeitschlitze verfügbar sind.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem mindestens ein Erkundungspaket Zeitschlitze entlang einer Route reserviert.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem Zeitschlitze durch eine TDMA-Medienzugriffssteuerung reserviert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erkundete Route mindestens zwei Hops aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Netz ein Einzel-Hop-Netz aufweist.
Drahtloses Netz mit: einer Mehrzahl von Knoten (1, 2, 3, 4, 5, 6), bei dem nach einem Auslöser, der eine Einrichtung einer vorgeschlagenen Route vorschlägt, mindestens ein Knoten (1) eine Route durch ein Senden eines Erkundungspakets entlang der Route bewertet, wobei das Erkundungspaket Statistiken, die auf die Route bezogen sind, sammelt, ohne die Route einzurichten, während das Erkundungspaket die Route durchquert.
Drahtloses Netz nach Anspruch 21, bei dem mindestens ein Knoten ein Zugriffspunkt (IAP-7) ist.
Drahtloses Netz nach Anspruch 21, bei dem mindestens ein Knoten ein drahtloser Router (WR) ist.
Drahtloses Netz nach Anspruch 21, bei dem mindestens ein Knoten ein mobiler Knoten (SD-8) ist.
Drahtloses Netz nach Anspruch 21, bei dem das Erkundungspaket ein Routenanfragepaket mit einem besonderen Bitsatz ist.
Drahtloses Netz nach Anspruch 21, bei dem mindestens ein Knoten (1) basierend auf den Statistiken, die auf die Route bezogen sind, Metriken, die auf die erkundete Route bezogen sind, ableitet.
Drahtloses Netz nach Anspruch 21, bei dem der mindestens eine Knoten (1) Metriken, die auf die erkundete Route bezogen sind, mit Metriken, die auf eine aktuelle Route bezogen sind, vergleicht, und, wenn die Metriken für die erkundete Route gegenüber den Metriken für die aktuelle Route vorzuziehen sind, die erkundete Route als eine neue Route einrichtet.