DE112005003146T5

DE112005003146T5 - System und Verfahren zum Steuern von Überlastung in drahtlosen Multihop-Netzwerken

Info

Publication number: DE112005003146T5
Application number: DE112005003146T
Authority: DE
Inventors: Sebnem Z. Altamonte Springs Ozer; Surong Altamonte Springs Zeng; Charles R. Orlando Barker jun.
Original assignee: MeshNetworks Inc
Current assignee: Arris Enterprises LLC
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2008-02-21
Also published as: US7693051B2; WO2006065896A3; US20060146704A1; KR20070087145A; KR100967746B1; WO2006065896A2

Abstract

Verfahren zum Steuern von Überlastung in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, wobei das Verfahren aufweist:
Einrichten einer Kommunikationsroute von einem Quellknoten zu einem Zielknoten, wobei zumindest der Quellknoten oder der Zielknoten in dem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk ist; und
wenn Überlastung an einem überlasteten Knoten entlang der Route erfasst wird, Betreiben des überlasteten Knotens derart, dass eine Überlastungswarnnachricht gesendet wird zur Lieferung an Knoten in der Route, die an den Zielknoten adressierte Pakete durch den überlasteten Knoten weiterleiten.

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der am 17. Dezember 2004 eingereichten US-Provisional-Anmeldung Nr. 60/637,252 , deren gesamter Inhalt durch Inbezugnahme hierin aufgenommen wird.
QUERVERWEIS ZU VERWANDTER ANMELDUNG
Ein verwandter Gegenstand ist in einer gleichzeitig hiermit eingereichten US-Patentanmeldung von Surong Zeng mit dem Titel „System And Method for Communicating Within A Wireless Communication Network" (Attorney Docket Nr. Mesh104) und in einer am 22. Juni 2005 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennumer 11/158,737 von Sebnem Z. Ozer et al. mit dem Titel „A System and Method for Rate Limiting in Multi-Hop Wireless Ad Hoc Networks" beschrieben, wobei der gesamte Inhalt von beiden hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose Kommunikationsnetzwerke und genauer auf ein System und Verfahren zum Steuern der Überlastung in einem drahtlosen Multihop-Kommunikationsnetzwerk.
Hintergrund
In den letzten Jahren wurde ein als „Ad-hoc"-Netzwerk bekanntes Mobilkommunikationsnetzwerk entwickelt. Bei dieser Art von Netzwerk ist jeder mobile Knoten in der Lage als Basisstation oder Router für die anderen Mobilknoten zu arbeiten, wodurch das Erfordernis einer festen Infrastruktur von Basisstationen beseitigt wird. Wie von einem Fachmann eingesehen werden kann, senden und empfangen die Netzwerkknoten Datenpaketnachrichten in einem Multiplexformat, wie z. B. einem Zeitmultiplex(TDMA)-Format, einem Codemultiplex(CDMA)-Format oder einem Frequenzmultiplex(FDMA)-Format.
Außerdem sind weiter entwickelte Ad-hoc-Netzwerke entwickelt worden, die zusätzlich dazu, dass sie den mobilen Knoten ermöglichen, miteinander wie einem herkömmlichen Ad-hoc-Netzwerk zu kommunizieren, den mobilen Knoten weiter ermöglichen, auf ein festes Netzwerk zuzugreifen und somit mit anderen mobilen Knoten zu kommunizieren, wie z. B. denjenigen eines öffentlichen Telefonnetzes (PSTN) und anderer Netzwerke wie z. B. dem Internet. Einzelheiten dieser hoch entwickelten Arten von Ad-hoc-Netzwerken sind in der am 29. Juni 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2002-0058502-A1 mit dem Titel „Ad Hoc Peer-to-Peer Mobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and Cellular Networks", in dem US-Patent US 6,807,165 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 dem am 29. März 2005 erteilten US-Patent US 6,873,839 mit dem Titel „Prioritized-Routing for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer, Mobile Radio Access System" beschrieben, wobei der gesamte Inhalt jeweils hierin durch Inbezugnahme aufgenommen wird.
Wie für einen Fachmann ersichtlich, können bestimmte Knoten in drahtlosen Multihop-Netzwerken mehr Datenverkehr empfangen als andere und daher überlastet werden. Dementsprechend ist es wünschenswert, zu versuchen, beim Routen von Paketen in dem Netzwerk überlastete Knoten zu vermeiden. Eine Veröffentlichung von C. Y. Wan, S. B. Eisenman und A. T. Campbell mit dem Titel „CODA: Congestion Detection and Avoidance in Sensor Networks", SenSys 2003, beschreibt einen Überlastungssteueralgorithmus für Netzwerke. Gemäß diesem Algorithmus wird eine Unterdrückungsnachricht zum Verringern von Datenverkehr von Vorrichtungen in dem Netzwerk ausgesendet. Jedoch hängt die Zuverlässigkeit des Empfanges dieser Nachricht von der Kanalqualität ab und kann während der Überlastungszeitspanne das mehrmalige Aussenden der Nachricht erfordern. Obwohl diese Nachrichten stromaufwärts durch das Netzwerk zu den Quellen des Datenverkehrs verbreitet werden, können daher diese Nachrichten nicht immer von den Quellen empfangen werden. Darüber hinaus kann ein Knoten, der die Unterdrückungsnachricht empfangt, wählen, die Nachricht nicht weiter zu verbreiten, wenn seine lokalen Netzwerkbedingungen annehmbar sind. Daher ist diese Technik zum Versuchen, Überlastung zu vermeiden, nicht zuverlässig.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die begleitenden Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf identische oder funktionsähnliche Elemente in den einzelnen Ansichten beziehen und welche zusammen mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in der Offenbarung enthalten sind und einen Teil davon bilden, dienen der weiteren Darstellung von verschiedenen Ausführungsformen und zum Erläutern von verschiedenen Grundlagen und Vorteilen gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines drahtlosen Ad-hoc-Kommunikationsnetzwerkes mit einer Mehrzahl von Knoten, die ein System und ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwenden;
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Knotens darstellt, der in dem in 1 gezeigten Netzwerk eingesetzt wird; und
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel von Operationen darstellt, die sich auf die Überlastungssteuerung beziehen, wie sie von dem Knoten in dem in 1 gezeigten Netzwerk gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
Fachleute werden verstehen, dass Elemente in den Figuren orientiert an der Einfachheit und Klarheit dargestellt sind und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Z. B. können Abmessungen einiger Elemente in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben sein, um das Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu fördern.
Detaillierte Beschreibung
Vor einer Beschreibung der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail sollte beachtet werden, dass die Ausführungsformen vornehmlich in Kombinationen von Verfahrensschritten und Vorrichtungsbestandteilen bestehen, die sich auf ein System und Verfahren zum Steuern von Überlastung in einem drahtlosen Multihop-Kommunikationsnetzwerk beziehen. Dementsprechend wurden gegebenenfalls Vorrichtungsbestandteile und Verfahrensschritte durch herkömmliche Symbole in den Zeichnungen dargestellt, die nur diejenigen bestimmten Einzelheiten zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relevant sind, um die Offenbarung nicht mit Einzelheiten zu überfrachten, die für Fachleute ohnehin offensichtlich sind, wenn sie von der hier angegebenen Beschreibung angeleitet sind.
In dieser Beschreibung können relationale Begriffe, wie z.B. erstes (bzw. erste, erster) und zweites (bzw. zweite, zweiter), oberes (bzw. obere, oberer) und unteres (bzw. untere, unterer) und dergleichen ausschließlich dafür verwendet werden, um eine Einheit bzw. einen Vorgang von einer anderen Einheit bzw. einen anderen Vorgang zu unterscheiden, ohne notwendigerweise irgendeinen solchen Zusammenhang oder eine solche Reihenfolge zwischen solchen Einheiten bzw. Vorgängen zu erfordern oder zu implizieren. Die Begriffe "umfasst", "umfassend" oder andere Abwandlungen davon sind dazu gedacht, ein nicht ausschließliches Enthalten abzudecken, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, der/das/die eine Aufzählung von Elementen umfasst, nicht notwendigerweise nur diese Elemente enthält, sondern andere nicht ausdrücklich aufgezählte oder einem solchen Prozess, Verfahren, Artikel oder Vorrichtung inhärente Elemente enthalten kann. Ein Element, dem "umfassend ein ..." vorhergeht, schließt ohne weitere Einschränkungen das Vorhandensein von zusätzlichen identischen Elementen in dem Prozess, Verfahren, Artikel oder der Vorrichtung, der/das/die das Element umfasst, nicht aus.
Es wird ersichtlich sein, dass hier beschriebene Ausführungsformen der Erfindung aus einem oder mehreren herkömmlichen Prozessoren und einzelnen gespeicherten Programmanweisungen bestehen können, welche den einen oder die mehreren Prozessoren derart steuern, dass im Zusammenhang mit den bestimmten Nicht-Prozessorschaltungen einige, die meisten oder alle der Funktionen eines Systems und Verfahrens zum Steuern von Überlastung in einem drahtlosen Multihop-Kommunikationsnetzwerk wie hierin beschrieben implementiert werden. Die Nicht-Prozessorschaltungen können enthalten, aber sind nicht beschränkt auf: einen Funkempfänger, einen Funksender, Signaltreiber, Taktschaltungen, Leistungsversorgungsschaltungen und Benutzereingabevorrichtungen. Als solches können diese Funktionen interpretiert werden als Schritte eines Verfahrens zum Steuern von Überlastung in einem drahtlosen Multihop-Kommunikationsnetzwerk. Alternativ könnten einige oder alle Funktion implementiert werden durch eine Zustandsmaschine, die keine gespeicherten Programmanweisungen aufweist, oder in einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), bei denen jede Funktion oder einige Kombinationen von bestimmten der Funktionen als kundenspezifische Logik implementiert sind. Selbstverständlich kann eine Kombination dieser beiden Ansätze verwendet werden. Somit wurden Verfahren und Mittel für diese Funktionen hierin beschrieben. Weiter wird erwartet, dass ein Fachmann ungeachtet möglicher, beachtlicher Bemühung und vieler Entwurfsentscheidungsmöglichkeiten, motiviert von z. B. der zur Verfügung stehenden Zeit, der gegenwärtigen Technologie und ökonomischen Überlegungen, leicht dazu in der Lage sein wird, solche Softwareanweisungen und -programme und ICs mit minimalem Experimentieren hervorzubringen, wenn er von den hierin offenbarten Konzepten und Prinzipien geleitet ist.
Wie unten näher im Detail beschrieben ist, sieht die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Steuern von Überlastung in einem drahtlosen Multihop-Kommunikationsnetzwerk durch Steuern der Verwendung von als Engpasspunkte in einem drahtlosen Multihop-Netzwerk fungierenden Knoten. Das System und das Verfahren verteilen Überlastungsinformation zurück zu den Zugangspunkten des Netzwerkes (d. h. den Knoten, die als die Schnittstelle zwischen einem verdrahteten Abschnitt des Netzwerkes und einem drahtlosen Abschnitt des Netzwerkes arbeiten) und den Knoten, welche die Quelle des Datenverkehrs in dem Netzwerk über die aktuelle Route des Datenflusses sind, der zu der Überlastung beiträgt. Die Zugangspunkte und die Quelle des Datenverkehrs können dann die Verwendung der Engpassknoten vermeiden. Das System und das Verfahren können verwendet werden für Paket-basiertes, Routen-basiertes oder Fluss-basiertes Traffic Shaping in einem drahtlosen Multihop-Netzwerk mit verschiedenen Media Access Control(MAC)- und Routingschicht-Protokollen. Darüber hinaus kann das System und das Verfahren Überlastungs- und Dienstedifferenzierungs-Information zwischen verschiedenen Schnittstellen in dem Netzwerk verteilen, wie z. B. den Schnittstellen zwischen mehrere Transceiver verwendenden Knoten. Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist weiter dazu in der Lage, die obige Überlastungssteuerung in dem Netzwerk ohne Verwenden eines zentralen Controllers durchzuführen.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines paketvermittelten, drahtlosen Ad-hoc-Multihop-Kommunikationsnetzwerkes 100 darstellt, welches eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Genauer beinhaltet das Netzwerk 100 eine Mehrzahl von mobilen drahtlosen Benutzerendgeräten 102-1 bis 102-n (allgemein als Knoten 102, Teilnehmergeräte (SDs) 102 oder mobile Knoten 102 bezeichnet) und kann, aber muss nicht, ein festes Netzwerk 104 mit einer Mehrzahl von Access Points 106-1, 106-2, ... 106-n (allgemein als Knoten 106, Access Points (APs) 106 oder intelligente Access Points (IAPs) 106 bezeichnet) enthalten, um dem Knoten 102 Zugang zu dem festen Netzwerk 104 bereitzustellen. Das feste Netzwerk 104 kann z. B. ein Kern-Local-Access-Network (LAN) oder ein Wide-Area-Network (WAN) sowie eine Mehrzahl von Servern und Gateway-Routern beinhalten, um Netzwerkknoten einen Zugang zu anderen Netzwerken, wie z. B. anderen Ad-hoc-Netzwerken, dem öffentlichen Telefonnetz (PSTN) und dem Internet, bereitzustellen. Das Netzwerk 100 kann weiter eine Mehrzahl von festen Routern 107-1 bis 107-n (allgemein als Knoten 107, feste Router 107 oder Funkrouter (WRs) 107 bezeichnet) zum Routen von Datenpaketen zwischen anderen Knoten 102, 106 oder 107 enthalten. Es sei bemerkt, dass zum Zwecke dieser Diskussion die oben erwähnten Knoten gemeinsam als "Knoten 102, 106 und 107" oder einfach als "Knoten" bezeichnet werden können.
Wie von einem Fachmann einzusehen ist, sind die Knoten 102, 106 und 107 in der Lage, miteinander direkt oder über einen oder mehrere andere Knoten 102, 106 oder 107, welche als Router bzw. als ein Router für zwischen den Knoten gesendete Pakete arbeiten, zu kommunizieren, wie in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2002-0058502-A1 sowie in den US-Patenten US 6,807,165 und US 6,873,839 , die oben erwähnt sind, beschrieben ist.
Wie in 2 gezeigt, beinhaltet jeder Knoten 102, 106 und 107 einen Transceiver oder ein Modem 108, der/das mit einer Antenne 110 gekoppelt ist und in der Lage ist Signale, wie z. B. paketierte Signale von/zu den Knoten 102, 106 oder 107 unter der Steuerung eines Controllers 112 zu senden und zu empfangen. Die paketierten Datensignale können z.B. Sprach-, Daten- oder Multimedia-Information sowie paketierte Steuersignale einschließlich von Knotenaktualisierungsinformation enthalten.
Jeder Knoten 102, 106 und 107 beinhaltet weiter einen Speicher 114, wie z.B. einen Schreib-Lese-Speicher (RAM), der in der Lage ist unter anderem sich auf ihn selbst oder andere Knoten in dem Netzwerk 100 beziehende Routing-Information zu speichern. Wie weiter in 2 gezeigt ist, können bestimmte Knoten, insbesondere mobile Knoten 102 einen Host 116 beinhalten, der aus irgendeiner Anzahl von Vorrichtungen, wie z.B. einem Notebook-Computerendgerät, einer mobilen Telefoneinheit, einer mobilen Dateneinheit oder irgendeiner anderen geeigneten Vorrichtung, bestehen kann. Jeder Knoten 102, 106 und 107 beinhaltet außerdem die geeignete Hardware und Software zum Verwenden mit dem Internet-Protokoll (IP) und dem Adress-Resolution-Protokoll (ARP), deren Zwecke von einem Fachmann leicht einzusehen sind. Die geeignete Hardware und Software zum Verwenden mit dem Transmission-Control-Protokoll (TCP) und dem User-Datagram-Protokoll (UDP) kann außerdem enthalten sein.
Wie von einem Fachmann verstanden werden kann, ist eine als Multiple Access with Collision Avoidance (MACA) bekannte Technik eine Art eines MAC-Protokolls, das für gewöhnlich für das Übertragen eines Paketes in einem drahtlosen Multihop-Kommunikationsnetzwerk verwendet wird. Ein Beispiel eines MACA-Protokolls ist in einem Artikel von Phil Karn mit dem Titel „MACH – A New Channel Access Method For Packet Radio", ARL/CRRL Amateur Radio 9th Computer Networking Conference, 22. September 1990, beschrieben. Unter dem typischen Prozess für MACH und seine Abwandlungen sendet ein Knoten 102, 106 oder 107, der versucht, ein Paket zu einem Empfangsknoten 102, 106 oder 107 zu senden, eine Request-to-Send(RTS)-Nachricht an den Empfangsknoten 102, 106 oder 107. Nach dem erfolgreichen Empfangen der RTS antwortet der Empfangsknoten 102, 106 oder 107 mit einer Clear-to-Send(CTS)-Nachricht. Die RTS- und CTS-Nachrichten enthalten Information, welche die Quell/Ziel-Adressen, die Übertragungsdauer und so weiter enthalten, die sich auf die beabsichtigte Paketübertragung beziehen. Daher werden alle Knoten 102, 106 und 107, welche die RTS- und CTS-Nachrichten empfangen, das Senden lange genug unterlassen, um eine Kollision mit dem Knoten 102, 106 oder 107 zu vermeiden, der das Paket zu übertragen versucht.
Der Sendeknoten 102, 106 oder 107 sendet dann das Paket nach dem erfolgreichen Empfangen der CTS, und der Empfangsknoten 102, 106 oder 107 antwortet mit einer Acknowledgement(ACK)-Nachricht (Bestätigungsnachricht) für die erfolgreiche Übertragung, um die Transaktion zu vollenden. In dem Fall einer Kollision oder einer nicht erfolgreichen Übertragung aufgrund z. B. eines schlechten Kanalzustands wird ein zufälliger Übertragungsverzögerungswert zunehmend erhöht bis eine erfolgreiche Übertragung auftritt, und der Verzögerungswert wird dann auf den minimalen Wert zurückgesetzt.
Ein Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless(MACAW)-Algorithmus verarbeitet typischerweise Automatic Repeat Request(ARQ)-Neuübertragungen für Korrekturen von solchen Fehlern durch Wiederholen der gesamten Request-to- Send/Clear-to-Send(RTS/CTS)-Kanalzugriffssequenz. Zusätzlich führt MACAW die Verwendung von Data-Sending(DS)-Nachrichten ein, um einen RTS-CTS-DS-DATA-ACK-Nachrichtenaustausch und einen neuen Backoff-Algorithmus zu bilden (wobei „DATA" die Daten sind und „ACK" eine Acknowledgement-Nachricht ist). Ein Beispiel eines MACAW-Algorithmus ist beschrieben in einer Veröffentlichung von V. Bharghavan, A. Demers, S. Shenker und L. Zhang mit dem Titel „MACAW: A media access protocol for wireless LAN's", Computer Communication Review, Band 24 (Nr. 4), (ACM SIGCOMM '94 Conference an Communications Architectures, Protocols and Applications, London, UK, 31. August bis 2. September 1994), Oktober 1994, S. 212-25.
Wie außerdem von einem Fachmann verstanden werden kann verwendet ein Floor Acquisition Multiple Access(FAMA)-Protokoll ein non-persistent CSMA-Schema mit einem RTS/CTS-Schema. Ein Beispiel eines FAMA-Protokolls ist beschrieben in einer Veröffentlichung von C. L. Fullmer, J. J. Garcia-Luna-Aceves mit dem Titel „Floor acqusition multiple access (FAMA) for packet-radio networks", Computer Communication Review, Band 25 (Nr. 4), (ACM SIGCOMM '95, Cambridge, MA, USA, 28 August – 1. September 1995) ACM, Oktober 1995, S. 262-73. Zusätzlich beschreibt der Institue of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)-Standard 802.11 eine MAC, die eine Abwandlung eines CSMA/CA-Protokolls ist, das sowohl die Trägerprüfung als auch die virtuelle (RTS-CTS-Austausch) Trägerprüfung mit Acknowledgement-Nachrichten implementiert zum Verbessern der Zuverlässigkeit.
Die Beispiele der oben beschriebenen Routing-Protokolle können als proaktiv und als reaktiv kategorisiert werden. Wie von einem Fachmann verstanden werden kann ist ein weiteres Beispiel eines proaktiven Ad-hoc-Routing-Protokolls ein Destination Sequence Distance Vector(DSDV)-Routing-Protokoll, und Beispiele von reaktiven Adhoc-Routing-Protokollen sind Ad-Hoc an Demand Distance Vector (AODV) und Dynamic Source Routing (DSR). Außerdem gibt es Routing-Protokolle, die eine Mischform von diesen beiden Arten von Protokollen sind, wie in der veröffentlichten US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2004/0143842 von Avinash Joshi mit dem Titel „System and Method for Achieving Continuous Connectivity to an Access Point or Gateway in a Wireless Network Following an On-Demand Routing Protocol, and to Perform Smooth Handoff of Mobile Terminals" beschrieben ist, deren gesamter Inhalt hierin durch in Bezugnahme mit aufgenommen wird.
Wie von einem Fachmann einzusehen ist können die oben beschriebenen MAC-Protokolle, wenn eine Überlastung in dem Netzwerk 100 vorhanden ist, derart gesteuert werden, dass der Datenverkehr reduziert wird, um somit die Überlastung zu verringern. Typische MAC-Protokolle haben verschiedene Ansätze, um den Datenverkehr bei Vorhandensein von Überlastung zu verringern. Wie nun diskutiert werden wird stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren bereit, welches eine Routing-Metrik verwendet, die Überlastungsinformation enthält, welche von den MAC-Protokollen, wie z. B. den oben diskutierten verwendet werden kann, um die überlasteten Knoten 102, 106 oder 107 in dem Netzwerk 100 zu vermeiden. Insbesondere sind das System und das Verfahren in der Lage, Überlastungswarnmeldungen in dem Netzwerk 100 zu verteilen ohne von einem bestimmten MAC-Protokoll oder Routing-Protokoll abhängig zu sein
Zum Zwecke der folgenden Diskussion werden die von dem System und dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführten Operationen mit Bezug auf einen Knoten 102 beschrieben werden. Jedoch können diese Operationen von jedem der Knoten 102, 106 oder 107 durchgeführt werden. Außerdem können die Operationen von dem Controller 112 der Knoten 102, 106 oder 107 und dessen zugehöriger Hardware und Software durchgeführt werden.
In einem Multihop-Netzwerk, wie z. B. dem Netzwerk 100 ist der Überlastungspegel an einen Knoten 102 (oder Knoten 106 oder 107) eine Funktion des Datenverkehrs, den dieser Knoten 102 zu anderen Knoten 106 oder 107 weiterleitet, und des Datenverkehrs, den seine Nachbarn über das Übertragungsmedium senden, das der Knoten 102 mit seinen Nachbarn teilt. Außerdem beeinflussen andere Parameter, wie z. B. die Verarbeitungsleistung, der Bandbreitenanteil, das Bewegungsmuster und die Next-Hop-Verfügbarkeit, den Überlastungspegel an dem Knoten 102. Die Statistik der Überlastungsinformation, die in der Routing-Metrik enthalten ist, hängt von dem dynamischen Verhalten des Knotens 102 und dessen Nachbarknoten 102, 106 und/oder 107 sowie deren Kanal- und Datenverkehrs-Eigenschaften ab. Es ist wünschenswert, die Überlastung zu vermeiden bevor die Überlastung die Leistungsfähigkeit des Netzwerkes 100 dramatisch verschlechtert. Abhängig von der dynamischen Natur des Netzwerkes 100 kann sich die Überlastung über die Zeit ändern. Daher ist es wichtig, die Überlastung zu einem bestimmten zeitlichen Moment abzuschätzen.
Wenn die Überlastung nicht dauerhaft ist kann lokale Überlastungswiederherstellung durchgeführt werden an dem Knoten 102 durch Verwenden von Schicht-2-Protokollen. Beispiele eines lokalen Wiederherstellungsverfahrens für die Überlastungssteuerung sind in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 11/158,737 , auf die oben Bezug genommen worden ist, und in der am 08. November 2004 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/982,762 von Sebnem Z. Ozer et al. mit dem Titel „System and Method For Performing Receiver-Assisted Slot Allocation in a Multi-Hop Communication Network" beschrieben, deren gesamter Inhalt hierin durch in Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Wenn jedoch die Überlastung andauernd ist, ist es wünschenswert, die Übertragung des Knotens oder der Knoten 102, 106 und/oder 107 zu verringern, die als die Quelle oder Quellen der Überlastung wirken, durch Berücksichtigen von Quality of Service(QoS)-Anforderungen. In diesem Fall ist die lokale Überlastungs-Wiederherstellung (congestion recovery) im Allgemeinen nicht ausreichend, das Netzwerk 100 stabil zu halten. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollte das Netzwerk 100 Datenverkehrssteuerung anwenden an den Zwischenknoten 102, 106 oder 107 entlang eines überlasteten Pfades sowie an dem Knoten 102, 106 oder 107, der die Datenverkehrsquelle für diesen Pfad ist, und den Knoten 102, 106 oder 107, die die Zugangspunkte für diesen Pfad sind. Dazu kann der Knoten 102, der die Überlastung erfährt, die Paket-Header der empfangenen Pakete überprüfen, um den Knoten (z. B. einen anderen Knoten 102) zu bestimmen, der die Quelle des Paket-Datenverkehrs ist, und kann eine Überlastungswarnnachricht zurück an den Quellknoten 102 als Unicast gesendet werden.
Wie jedoch in dem Fachgebiet verstanden werden kann sind die Routen zwischen Knoten 102, 106 und 107 in Multihop-Netzwerken oft unidirektional. Daher kann die Route, die den Engpass in einer Richtung verursacht, verschieden von der Route in der anderen Richtung sein. Zum Beispiel mit Berg auf 1 kann zum Zwecke dieser Diskussion angenommen werden, dass der Knoten 102-1 als ein Quellknoten arbeitet und der Knoten 106-1 (ein IAP) ein Zielknoten ist. Obwohl es Überlastung an einem Zwischenknoten (z. B. Knoten 102-5) in der Route stromabwärts mit den Knoten 102-1, 102-3, 102-5, 102-6 und 106-1 bei diesem Beispiel geben kann, kann die Route stromaufwärts von dem Zielknoten 106-1 zu dem Zielknoten 106-1 einem anderen Pfad (z. B. Knoten 107-2, 102-2 und 107-1 zu dem Knoten 102-1) folgen. Das System und Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine Technik, die es dem Engpassknoten (in diesem Fall dem Knoten 102-5) ermöglicht, den Zwischenknoten oder die Zwischenknoten (z. B. den Knoten 102-3 bei diesem Beispiel) informiert, der das Paket von dem Quellknoten 102-1 weiterleitet, der zu der Überlastung an dem Engpassknoten 102-5 beiträgt.
Wie in dem Fachgebiet verstanden werden kann, wenn ein Routing-Algorithmus die Adressen aller Knoten entlang einer Route für jedes Ziel führt, wie bei dem Dynamic Source Routing (DSR), dann kann der Engpassknoten 102-5 eine Überlastungswarnnachricht an die anderen Zwischenknoten sowie die Zugangsknoten und Quellknoten senden, die Datenverkehr durch diesen Engpassknoten 102-5 zu dem Zielknoten 106-1 senden. Dann können die Knoten (z. B. die Knoten 102-1 und 102-3), welche die Nachricht empfangen, ihre Datenverkehrsrate wie unten beschrieben steuern. Wie jedoch außerdem in dem Fachgebiet verstanden wird erhöht DSR den Overhead in dem Netzwerk 100. Daher erfordern die Routing-Protokolle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht, dass ein Knoten (z. B. der Knoten 102-5) all die Knotenadressen entlang einer Route führt, sondern vielmehr eine minimale Menge an Adressinformation, wie z. B. die Adresse des Quellknotens 102-1, die Adresse des Ziel knotens 106-1, die Adresse des nächsten Hop zu dem Zielknoten und die Adresse des vorhergehenden Hop (des Vorgängerknotens). Außerdem, wenn der Routing-Algorithmus nur eine Route pro Ziel aufrechterhält wie bei einem Ad-hoc-On-Demand-Distance-Vector-Protokoll, dann kann die folgende Technik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Wie in dem Flussdiagramm der 3 gezeigt wird der Engpassknoten 102-5 in Schritt 310 die Zieladresse (die Adresse des Knotens 106-1) und die Adresse des Vorgängerknotens (Knoten 102-3) des Paketes, das der Engpassknoten 102-5 empfängt und weiterleitet, prüfen, wenn ein Knoten (z. B. Knoten 102-5) in Schritt 300 bestimmt, dass er überlastet ist und somit ein Engpassknoten in einer Route ist. Im Schritt 320 wird der Engpassknoten 102-5 dann eine Überlastungswarnnachricht an den Vorgängerknoten 102-3 senden. Die Überlastungswarnnachricht beinhaltet die Zieladresse und eine Überlastungsmetrik. Wenn in Schritt 330 die Überlastungswarnnachricht den Quellknoten 102-1 nicht erreicht hat, wird der Vorgängerknoten 102-3 im Schritt 340 dann eine Überlastungswarnnachricht für dieses Ziel zu dem nächsten Vorgängerknoten senden, der bei diesem Beispiel der Quellknoten 102-1 ist. Im Schritt 350 wird/werden die/der entsprechende(n) Zwischenknoten 102-3, (gegebenenfalls) die Zugangspunkte und der Quellknoten 102-1 daher diese Route zu dem Zielknoten 106-1 als überlastet erkennen, und werden außerdem einen Timeout-Wert festlegen, der die Dauer der Überlastung anzeigt, auf der Grundlage der in der Überlastungswarnnachricht enthaltenen Information.
In Schritt 360 kann jeder die Überlastungswarnnachricht empfangende Knoten (z. B. Knoten 102-1 und 102-3 bei diesem Beispiel), der die Pakete in Richtung zu dem Zielknoten 106-1 weiterleitet, Datenverkehrssteuerung anwenden auf der Grundlage des Flusses, der QoS-Klasse oder der Routen-Information in Abhängigkeit von der in der Überlastungswarnnachricht enthaltenen Information. Die Überlastungswarnnachricht kann außerdem das Datenpaket oder einen Teil der Daten (z. B. den Daten-Header) enthalten. Der Quellknoten 102-1 kann somit den Header überprüfen zum Bestimmen der Flusskennung (ID), wenn die Fluss-basierende Datenverkehrssteuerung angewendet wird. Wenn daher verschiedene Routen zu dem Zielknoten 106-1 existieren, wird der Paketfluss, der zu der Überlastung in der überlasteten Route beiträgt, reguliert werden.
Außerdem können andere Steuerungsalgorithmen verwendet werden, wie z. B. das Ändern der Route derart, dass ein Zwischenknoten (z. B. Knoten 107-n in 1) verwendet wird, der außerhalb des Überlastungsbereiches ist. Wenn in diesem Fall der Zwischenknoten (z. B. Knoten 102-3) den Engpass durch Ändern der Route beseitigen kann, kann der Zwischenknoten 102-3 wählen, die Überlastungswarnnachricht nicht zu dem oder den Knoten stromaufwärts (Quellknoten 102-1 bei diesem Beispiel) weiter zu leiten. Dieser Ansatz erlaubt somit die Überlastungssteuerung an den Zwischenknoten zwischen lokalen und Endpunkt-Wiederherstellungs-Stufen.
Die Datenverkehrssteuerung kann außerdem auf den vorhandenen Traffic-Shaping- und Traffic-Policing-Algorithmen mit Fairness- und Dienstedifferenzierungskriterien basieren. Jeder Knoten kann eine minimale Flussrate aufrecht zu erhalten haben. Wenn der Datenverkehr des Knotens für die gewählte Route aufrechterhalten werden kann ohne einen Engpass auf dem Pfad zu haben, wird diese Rate aufrechterhalten werden. Wenn jedoch zum Beispiel der Zwischenknoten und der Zugangspunkt eine Überlastungswarnnachricht erhalten, wird die Datenverkehrsrate für diesen Knoten gemäß der Überlastungsmetrik und Fairness- und Dienstedifferenzierungskriterien verringert werden.
Wenn der Quellknoten auf dem fest verdrahteten Netzwerk (z. B. dem festen Netzwerk 104) ist und der Zielknoten (z. B. bei diesem Beispiel Knoten 102-1) in dem drahtlosen Bereich ist, werden der Access Point, der der Zugangspunkt ist (z. B. bei diesem Beispiel Access Point 106-1), und die Zwischenknoten (z. B. Knoten 107-2, 102-2, 107-1) Datenverkehrs-Steueroperationen wie oben beschrieben durchführen. Zum Beispiel werden die Knoten 102-2, 107-1 und 107-2 einen Überlastungs-Flag pro Ziel oder pro Fluss führen, um für diesen Zielknoten 102-1 bestimmten Datenverkehr zu verlangsamen. Diese Knoten führen außerdem einen Timeout-Wert und übertragen re gelmäßig eine Überlastungswarnnachricht wie oben diskutiert während die Überlastung vorhanden ist.
Wenn der Quellknoten (z. B. Knoten 102-1) in dem drahtlosen Bereich ist und das Ziel in dem fest verdrahteten Netzwerk (festes Netzwerk 104) oder dem gleichen drahtlosen Bereich ist, aber mit dem verdrahteten Bereich durch den gleichen Access Point (z. B. Access Point 106-1) wie der Quellknoten 102-1 verbunden ist, werden der Access Point 106-1, der den Quellknoten 102-1 in seinem Service Set hat, und die Zwischenknoten (z. B. Knoten 107-1, 102-2, 107-2) den Datenverkehr steuern. Für Ad-hoc-Zustände (z. B. Funkknoten zu Funkknoten) kann der Quellknoten den Datenverkehr steuern, wenn sein Transceiver eine solche Funktionalität unterstützt.
Wenn der Quellknoten (z. B. Knoten 102-1) und der Zielknoten (z. B. Knoten 102-4) in verschiedenen drahtlosen Teilnetzen sind (d. h. jeder Knoten ist in einem verschiedenen drahtlosen Segment, das mit dem fest verdrahteten Netzwerk mit einem verschiedenen Access Point (wie z. B. den Access Points 106-1 und 106-2) verbunden ist, und der Überlastungspunkt in dem drahtlosen Bereich des Quellknotens 102-1 ist, werden der Access Point 106-1, der den Quellknoten 102-1 in seinem Service Set hat, und die Zwischenknoten (z. B. Knoten 102-6 und 102-5), die in der drahtlosen Domain des Zielknotens 102-4 sind, den Datenverkehr steuern. Wenn die Überlastung außerdem an der drahtlosen Stelle des Zielknotens 102-4 vorhanden ist, wird die Überlastungsnachricht außerdem zwischen den Access Points 106-1 und 106-2 ausgetauscht.
Wie aus dem obigen zu erkennen erlaubt die vorliegende Erfindung das Aufrechterhalten von Fairness- und Dienstedifferenzierung während Überlastung, vermeidet das Verschwenden von Ressourcen in der drahtlosen Domain und stellt Netzwerkstabilität bereit.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch für Cross-Layer-Optimierung (d. h. der Optimierung von MAC- und Routing-Protokollen) verwendet werden. Zum Beispiel ermöglicht die Verteilung von Überlastungsinformation, die der Route der aktuellen Daten folgt, auch die Überlastungssteuerung zwischen verschiedenen Schnittstellen bei Multi-Transceiver-Knoten. Wenn mehrere Transceiver die gleiche Routing-Schicht verwenden, dann kann die oben beschriebene Technik verwendet werden. Wenn jedoch mehrere Transceiver verschiedene Routing-Schichten verwenden, dann sollte die Überlastungssteuerung an den Schnittstellen zwischen den verschiedenen Routing-Schichten vorgesehen werden.
Bei der vorhergehenden Beschreibung sind spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung wie er in den anschließenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen. Demgemäß sind die Beschreibung und die Figuren mehr in einem veranschaulichenden als in einem beschränkenden Sinn aufzufassen, und alle derartigen Abwandlungen sind als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung enthalten aufzufassen. Der Nutzen, die Vorteile und Lösungen der Probleme und beliebige Elemente, die einen solchen Vorteil oder eine solche Lösung bewirken oder vorhersagen, sind nicht als kritische, erforderliche oder essentielle Merkmale oder Elemente für irgendeinen oder alle Ansprüche auszulegen. Die Erfindung wird lediglich durch die beigefügten Ansprüche einschließlich von Änderungen, die während der Anhängigkeit dieser Anmeldung gemacht werden, und allen Äquivalenten zu diesen Ansprüchen, wie ausgegeben, bestimmt.
Zusammenfassung
System und Verfahren zum Steuern von Überlastung in drahtlosen Multihop-Netzwerken
Ein System und Verfahren zum Steuern von Überlastung in einem drahtlosen Multihop-Kommunikationsnetzwerk (100). Das System und Verfahren verbreitet die Überlastungsinformation zurück zu den Eintrittspunkten (106) und Datenverkehrs-Quellknoten (102, 106, 107) in dem Netzwerk (100) durch die aktuelle Route des Datenflusses, der zu der Überlastung beiträgt. Das System und Verfahren vermeidet daher Engpasspunkte (102-5) in dem Netzwerk (100) zum Verringern von Überlastung. Das System und Verfahren kann verwendet werden für Paket-basiertes, Routen-basiertes oder Fluss-basiertes Traffic Shaping in einem drahtlosen Multihop-Netzwerk (100) das verschiedene Media Access Control(MAC)- und Routing-Schicht-Protokolle verwendet. Darüber hinaus ist das System und Verfahren in der Lage Überlastungs- und Dienstdifferenzierungs-Information zwischen verschiedenen Schnittstellen in dem Netzwerk (100) zu verteilen.

Claims

Verfahren zum Steuern von Überlastung in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, wobei das Verfahren aufweist: Einrichten einer Kommunikationsroute von einem Quellknoten zu einem Zielknoten, wobei zumindest der Quellknoten oder der Zielknoten in dem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk ist; und wenn Überlastung an einem überlasteten Knoten entlang der Route erfasst wird, Betreiben des überlasteten Knotens derart, dass eine Überlastungswarnnachricht gesendet wird zur Lieferung an Knoten in der Route, die an den Zielknoten adressierte Pakete durch den überlasteten Knoten weiterleiten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Betreibens des überlasteten Knotens, wenn Überlastung an dem überlasteten Knoten erfasst wird, das Betreiben des überlasteten Knotens derart umfasst, dass die Überlastungswarnnachricht an einen Vorgängerknoten gesendet wird, für den der überlastete Knoten als ein nächster Hop für an den Zielknoten adressierte Pakete fungiert, die von dem Vorgängerknoten übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter aufweisend: nachdem der überlastete Knoten die Überlastungswarnnachricht an den Vorgängerknoten sendet, Betreiben der Knoten in der Route derart, dass sie fortfahren, die Überlastungswarnnachricht entlang einer Umkehrroute zu dem Quellknoten weiterzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Betreibens des überlasteten Knotens, wenn Überlastung an dem überlasteten Knoten erfasst wird, das Betreiben des überlasteten Knotens derart umfasst, dass er die Überlastungswarnnachricht als Unicast oder als Broadcast entlang einer Umkehrroute zu dem Quellknoten sendet.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend: Betreiben der Knoten in der Route, welche die Überlastungswarnnachricht empfangen, derart, dass sie den Paket-Datenverkehr zu dem überlasteten Knoten steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend: Betreiben der Knoten in der Route, welche die Überlastungswarnnachricht empfangen, derart, dass sie die Route derart andern, dass der überlastete Knoten vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: entweder der Quellknoten oder der Zielknoten in dem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk ist, und entweder der Quellknoten oder der Zielknoten in einem anderen Netzwerk ist, und einer der Knoten in der Route ein Zugangsknoten zwischen dem drahtlosen Netzwerk und dem anderen Netzwerk ist; und wobei das Verfahren weiter aufweist das Betreiben des Zugangsknotens derart, dass er Datenverkehrssteuerung als Antwort auf die Überlastungswarnnachricht durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend: Betreiben der Knoten in der Route, welche die Überlastungswarnnachricht empfangen, derart, dass ein eine Zeitdauer der Überlastung an dem überlasteten Knoten repräsentierender Timeout-Wert gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: zumindest ein Knoten in der Route mehrere Transceiver aufweist; und das Verfahren weiter aufweist das Betreiben des Mehrfachtransceiverknotens derart, dass der Datenverkehr durch die Schnittstelle zwischen den mehreren Transceivern als Antwort auf die Überlastungswarnnachricht gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die Überlastungsnachricht zumindest entweder eine Adresse des Zielknotens oder eine die Überlastung an dem überlasteten Knoten repräsentierende Überlastungsmetrik aufweist.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk mit: einer Mehrzahl von Knoten die einen Quellknoten und einen Zielknoten umfassen, wobei der Quellknoten eingerichtet ist zum Kommunizieren mit dem Zielknoten über eine zumindest einen der Mehrzahl von Knoten umfassende Route; und wobei irgendein Knoten in der Route eingerichtet ist zum sich selbst Erkennen als einen überlasteten Knoten und dazu eingerichtet ist, als Antwort eine Überlastungswarnnachricht zur Lieferung an den zumindest einen Knoten in der Route zu senden, der die an den Zielknoten adressierten Pakete durch den überlasteten Knoten weiterleitet.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, wobei: der überlastete Knoten weiter dazu eingerichtet ist, die Überlastungswarnnachricht an einen Vorgängerknoten zu senden, für den der überlastete Knoten als ein nächster Hop für an den Zielknoten adressierte Pakete fungiert, die von dem Vorgängerknoten übertragen werden.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 12, wobei: der zumindest eine Knoten in der Route dazu eingerichtet ist, fortzufahren, die Überlastungswarnnachricht entlang einer Umkehrroute zu dem Quellknoten weiter zu leiten.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, wobei: der überlastete Knoten dazu eingerichtet ist, die Überlastungswarnnachricht entlang einer Umkehrroute zu dem Quellknoten als Unicast oder als Broadcast zu senden.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, wobei: irgendein Knoten in der Route und der Quellknoten, der die Überlastungswarnnachricht empfangt, weiter dazu eingerichtet ist, den Paket-Datenverkehr zu dem überlasteten Knoten zu steuern.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, wobei: irgendein Knoten in der Route und der Quellknoten, der die Überlastungswarnnachricht empfangt, weiter dazu eingerichtet ist, die Route derart zu andern, dass der überlastete Knoten vermieden wird.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, wobei: entweder der Quellknoten oder der Zielknoten in dem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk ist, und entweder der Quellknoten oder der Zielknoten in einem anderen Netzwerk ist, und einer der Knoten in der Route ein Zugangsknoten zwischen dem drahtlosen Netzwerk und dem anderen Netzwerk ist; und der Zugangskonten dazu eingerichtet ist, Datenverkehrssteuerung als Antwort auf die Überlastungswarnnachricht durchzuführen.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, weiter aufweisend: der zumindest eine Knoten in der Route, der die Überlastungswarnnachricht empfängt, ist dazu eingerichtet, einen eine Zeitdauer der Überlastung an dem überlasteten Knoten repräsentierenden Timeout-Wert festzulegen.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, wobei: zumindest ein Knoten in der Route mehrere Transceiver aufweist; und der Knoten mit den mehreren Transceivern dazu eingerichtet ist, den Datenverkehr durch die Schnittstelle zwischen den mehreren Transceivern als Antwort auf die Überlastungswarnnachricht zu steuern.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 11, wobei: die Überlastungswarnnachricht zumindest entweder eine Adresse des Zielknotens oder eine Überlastungsmetrik aufweist, welche die Überlastung an dem überlasteten Knoten repräsentiert.