DE60311327T2

DE60311327T2 - Pfadselektion in drahtlosen netzen

Info

Publication number: DE60311327T2
Application number: DE60311327T
Authority: DE
Inventors: William Stittsville GAGE; Biswaroop Ottawa MUKHERJEE
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2023-11-22
Also published as: WO2004098131A1; US7215928B2; EP1620977A1; AU2003286028A1; EP1620977B1; US20040219922A1; DE60311327D1

Description

Diese Erfindung betriff die Pfadauswahl in drahtlosen Netzwerken, in denen drahtlose Kommunikationen über verschiedene drahtlose Kommunikationspfade unter einer Mehrzahl von zur drahtlosen Kommunikation vorgesehenen verteilten Knoten stattfinden können.
Hintergrund
Um Kommunikationen in einem drahtlosen System oder Datennetzwerk zu erleichtern, ist es wünschenswert, eine Mehrzahl von Knoten für einen drahtlosen Zugang zur Verfügung zu stellen, unter denen Kommunikationen über drahtlose Abschnitte stattfinden können, wobei die Knoten optional über einen oder mehrere drahtgebundene Verbindungspfade mit einem drahtgebundenen Kommunikationsnetzwerk kommunizieren. In einem solchen drahtlosen Netzwerk können drahtlose Endeinrichtungen mit den Knoten auch über drahtlose Abschnitte kommunizieren. Der Klarheit halber werden die drahtlosen Abschnitte, über welche die drahtlosen Endeinrichtungen mit den Knoten kommunizieren, als Zugangsabschnitte und die drahtlosen Abschnitte für Kommunikationen unter den Knoten als Durchgangsabschnitte bezeichnet.
Ein derartiges drahtloses Netzwerk kann auch als Ad-Hoc-Netzwerk bezeichnet werden, in dem drahtlose Knoten leicht hinzugefügt oder innerhalb des Netzwerks bewegt werden können, um es an bestimmte Bedürfnisse bezüglich drahtloser Datenkommunikationen zu einem bestimmten Zeitpunkt anzupassen. Beispielsweise können die Knoten innerhalb einer geographische Region oder eines geographischen Bereichs verteilt sein, innerhalb dessen drahtlose Zugangsdienste bereitgestellt werden, und die drahtlosen Endeinrichtungen können untereinander und/oder mit dem Netzwerk über die verschiedenen Knoten kommunizieren. Die drahtlosen Endeinrichtungen können beliebige verschiedene Formen besitzen und die kommunizierten Signale können eine beliebige gewünschte Informationsform umfassen. Ein derartiges drahtloses System arbeitet geeigneterweise in einem Paketkommunikationsmodus.
Beispielhaft können sich die drahtlosen Kommunikationen über die Zugangs- und Durchgangsabschnitte in Übereinstimmung mit bekannten Standards befinden, wie etwa dem IEEE 802.11-Standard für drahtlose LAN-Kommunikationen („LAN = Local Area Network"/Lokales Netzwerk). Es können Kanäle auf verschiedenen Frequenzbändern für die Zugangs- und Durchgangsabschnitte verwendet werden; beispielsweise Kanäle in dem 2,4-GHz-Band (IEEE 802.11b) für die Zugangsabschnitte und Kanäle in den 5,2- und 5,7-GHz-Bändern (IEEE 802.11a) für die Durchgangsabschnitte. Dies muss jedoch nicht der Fall sein, und die Zugangs- und Durchgangsverbindung können andere Frequenzbänder und/oder beide können das gleiche Frequenzband verwenden.
Bei der Initialisierung und Neu-Initialisierung eines Knotens in einem derartigen drahtlosen Netzwerk, beispielsweise beim Einschalten, nach einer Wartung, nach einem Wiederherstellen aufgrund eines internen Fehlers oder nach einem Wiederherstellen aufgrund eines längeren Ausfalls von Netzwerkkommunikationen, muss der Knoten die Identitäten seiner benachbarten Knoten erkennen, um drahtlose Kommunikationen mit ihnen zu initiieren, damit Kommunikationen oder Routingpfade erkannt werden, die der Knoten verwenden kann. Im Gegensatz zu einem drahtgebundenen Netzwerk, in dem dies auf einfache Weise dadurch durchgeführt werden kann, dass ein Knoten ein „Hallo"-Signal über jede seiner physischen Schnittstellen (drahtgebundene Abschnitte) sendet, kann in einem drahtlosen Netzwerk der Knoten nur eine physische Schnittstelle besitzen (einen drahtlosen Abschnitt), über die er mit vielen anderen Knoten kommunizieren kann. Dementsprechend ist der Erkennungsprozess für einen drahtlosen Knoten vergleichsweise komplizierter.
Weitere Aspekte des Erkennens und Auswählens eines Routingpfades in einem drahtlosen Netzwerk betreffen Faktoren wie etwa die Signalstärke oder der übertragene Leistungspegel, die Interferenz und – für Paketdatennetzwerke – die Paketverzögerung.
Insbesondere kann in einem drahtlosen Netzwerk die Datenrate einer drahtlosen Verbindung zwischen zwei Knoten veränderlich und proportional zu einem von dem Sender des sendenden Knotens zum Senden der Daten verwendeten Leistungspegel sein; eine höhere Leistung entspricht einer höheren Datenrate. In einem Paketdatennetzwerk, das unvorhersehbaren Verkehrs-Bursts ausgesetzt ist, können sich Stauungs- und Verzögerungsmanagementstrategien auf die Verwendung der höchsten möglichen Datenrate stützen.
In vielen drahtlosen Netzwerken jedoch ist die Gesamtsystem-Kommunikationskapazität auf die Interferenzmenge beschränkt, die jeder Knoten in dem Netzwerk antrifft.
Während ein Teil einer derartigen Interferenz von Quellen außerhalb des drahtlosen Netzwerks stammen kann, sind drahtlose Kommunikationen anderer Knoten innerhalb des Netzwerks eine signifikante und oft dominante Quelle der Interferenz. Diese Interferenz wird durch von den Knoten übertragene Signale höherer Leistung erhöht.
Die US 2002/0042274 offenbart ein Maschennetzwerk, das eine Interferenzmatrix birgt, die von einer Interferenz stammt, die zwischen Knoten des Maschennetzwerks auftritt.
In einem drahtgebundenen Paketdatennetzwerk kann es wünschenswert sein, ein Routingprotokoll zu verwenden, das versucht, die Paketverzögerung dadurch zu minimieren, dass es den Pfad mit den niedrigsten Kosten durch das Netzwerk für ein beliebiges bestimmtes Paket findet. Bei einem Anwenden der gleichen Strategie auf ein drahtloses Netzwerk würde der erste Knoten versuchen, ein Paket (das z.B. Informationen enthält, die dieser Knoten von einer Endeinrichtung über einen Zugangsabschnitt empfangen hat) über einen Durchgangsabschnitt an einen zweiten Knoten zu senden, welcher der näheste Knoten bezüglich eines gewünschten Ziels (z.B. eine weitere Endeinrichtung) des Pakets ist. Bei sich vergrößernden Abständen zwischen den zwei Knoten – wenn beispielsweise die Endeinrichtungen weit voneinander entfernt sind – muss der erste Knoten einen höheren Übertragungsleistungspegel verwenden, was zu einer erhöhten Interferenz für andere Knoten in dem Netzwerk beiträgt.
Dementsprechend gibt es einander entgegenstehende Wünsche bezüglich des Minimierens der Übertragungsleistungspegel, um die Interferenz für die Knoten des drahtlosen Netzwerks zu minimieren, und bezüglich des Maximierens der Übertragungsleistungspegel, um die Datenraten zu maximieren und die Anzahl an Kommunikationssprüngen unter den Knoten (und damit die Paketverzögerung) in dem drahtlosen Netzwerk zu minimieren. Wenn ein Knoten des drahtlosen Netzwerks nicht in der Lage ist, Entscheidungen autonom zu treffen, um diesen Konflikt aufzulösen, muss er seine Übertragungen mit anderen Knoten in dem drahtlosen Netzwerk koordinieren. Eine derartige Koordination führt einen Kommunikationsoverhead und weitere Interferenzen ein, so dass es einen weiteren Zielkonflikt zwischen dem Koordinationsoverhead und den Vorteilen den Koordination gibt.
Es wäre wünschenswert, ein Verfahren zum Auswählen eines Kommunikationspfads über Knoten eines drahtlosen Netzwerks zur Verfügung zu stellen, welches das Auflösen dieser Konflikte erleichtert.
Abriss der Erfindung
Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Auswählen eines Kommunikationspfads in einem drahtlosen Netzwerk, das eine Mehrzahl von Knoten und drahtlosen Kommunikationsabschnitten zwischen den Knoten umfasst, aus einer Mehrzahl von potentiellen Kommunikationspfaden, die verschiedene Kombinationen der besagten Abschnitte von einem Quellknoten zu einem Zielknoten umfassen, zur Verfügung gesellt, umfassend, in dem Quellknoten, die Schritte des: Bestimmens für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden von Interferenzkosten abhängig von einer Anzahl von Knoten, die von einem über den entsprechenden Abschnitt gesendeten Signal beeinflusst werden; Bestimmens von Gesamtkosten für jeden potentiellen Kommunikationspfad, wobei die Gesamtkosten von den kombinierten Interferenzkosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads abhängen; und Auswählens des potentiellen Kommunikationspfads mit den geringsten Gesamtkosten als einen Kommunikationspfad vom Quellknoten zum Zielknoten.
Das Verfahren enthält vorzugsweise, in dem Quellknoten, den Schritt des Bestimmens von Übertragungskosten für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden in Abhängigkeit von einer Datenrate für ein über den entsprechenden Abschnitt gesendetes Signal, wobei die für jeden potentiellen Kommunikationspfad bestimmten Gesamtkosten auch von den kombinierten Übertragungskosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads abhängen.
Das Verfahren kann auch in dem Quellknoten den Schritt des Bestimmens für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden von Kosten für die Koordination von Übertragungen auf dem Abschnitt mit Übertragungen von anderen Knoten des Netzwerks enthalten, wobei die für jeden potentiellen Kommunikationspfad bestimmten Gesamtkosten auch von den kombinierten Koordinationskosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads abhängen.
Geeigneterweise bestimmt der Quellknoten die Gesamtkosten für jeden potentiellen Kommunikationspfad als eine Summe der kombinierten Kosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads.
Die durch den Quellknoten für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden bestimmten Interferenzkosten können auch von einem Zeitintervall abhängen, das für ein über den entsprechenden Abschnitt gesendetes Signal benötigt wird. Beispielsweise kann der Quellknoten die Interferenzkosten für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden als α·ni·(ti/T) bestimmen, wobei α eine Gewichtungskonstante, ni die Anzahl an Knoten, die durch ein über den Abschnitt gesendetes Signal beeinflusst wird, ti ein Zeitintervall, während dessen das Signal kommuniziert wird, und T eine Periode eines Übertragungszyklus ist.
Der Quellknoten kann die Übertragungskosten für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden als β·(bi/ri) bestimmen, wobei β eine Gewichtungskonstante, bi eine Anzahl zu übertragender Bits und ri die Datenraten für ein über den entsprechenden Abschnitt gesendetes Signal ist.
Die Koordinationskosten für jeden Abschnitt in den durch den Quellknoten bestimmten potentiellen Kommunikationspfaden können auch von einem Zeitintervall abhängen, das für Koordinierungsaktivitäten benötigt wird. Zum Beispiel kann der Quellknoten die Koordinationskosten für jeden Abschnitt als δ·nc·(tc/T)·(bc/rc) bestimmen, wobei δ eine Gewichtungskonstante, nc eine Anzahl an Knoten, mit denen Übertragungen koordiniert werden, tc ein für Koordinierungsaktivitäten benötigtes Zeitintervall, T eine Periode eines Übertragungszyklus, bc eine Anzahl bei Koordinierungsaktivitäten zu übertragenden Bits und rc eine Datenrate zum Austauschen von Koordinationsinformationen zwischen Knoten ist.
Die Erfindung sieht auch einen Knoten für ein drahtloses Netzwerk vor, wobei der Knoten drahtlose Kommunikationsabschnitte für drahtlose Kommunikationen mit anderen Knoten des Netzwerks bereitstellt und gemäß dem oben wiedergegebenen Verfahren betriebsfähig ist, und ferner sieht die Erfindung ein drahtloses Netzwerk vor, das eine Mehrzahl derartiger Knoten umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird ferner aus der folgenden, lediglich beispielhaften Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen verständlich.
1 veranschaulicht diagrammartig verteilte Knoten eines drahtlosen Zugangsnetzwerks, die omnidirektionale Antennen verwenden, auf die eine Ausführungsform der Erfindung angewendet werden kann;
2 veranschaulicht diagrammartig verteilte Knoten eines drahtlosen Zugangsnetzwerks, die gerichtete Antennenstrahlen verwenden, auf die eine Ausführungsform der Erfindung angewendet werden kann; und
3 veranschaulicht das drahtlose Zugangsnetzwerk der 2 mit einem Beispiel eines drahtlosen Kommunikationspfads durch das Netzwerk.
Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 Teile eines drahtlosen Zugangsnetzwerks mit verteilten Knoten, von denen angenommen wird, dass sie omnidirektionale Antennen für Kommunikationen zwischen Knoten über drahtlose Kommunikationspfade oder Durchgangsabschnitte wie oben beschrieben verwenden. Beispielhaft zeigt 1 einen Quellknoten S, einen Zielknoten T und andere Knoten N1 bis N5, die innerhalb einer geographischen Region oder eines Dienstbereichs verteilt sind.
Vorzugsweise ist dieser Dienstbereich ein drahtloser Zugangsdienstbereich, innerhalb dessen drahtlose Endeinrichtungen, die nicht abgebildet sind und die beliebige verschiedene Formen besitzen können, mit den Knoten kommunizieren können, denen sie am nächsten sind, um beispielsweise mit anderen Endeinrichtungen innerhalb des Dienstbereichs oder mit einem drahtgebundenen Netzwerk (nicht abgebildet), mit dem zumindest einer der Knoten verbunden sein kann, zu kommunizieren.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt und kann auf beliebige Kommunikationen zwischen Knoten eines drahtlosen Netzwerks ohne Berücksichtung der Quellen und Ziele von durch das drahtlose Netzwerk zu routenden Signalen und ohne Berücksichtigung der Art angewendet werden, wie diese Signale zu den Knoten geführt und von diesen Knoten abgegeben werden. Ferner wird in der folgenden Beschreibung der Einfachheit halber angenommen, dass die Signale Paketdatensignale umfassen, dies muss aber nicht der Fall sein, und andere Arten von drahtlosen Signalen können ebenfalls oder stattdessen durch das drahtlose Netzwerk geroutet werden.
In 1 wird angenommen, dass ein Paketdatensignal von dem Quellknoten S zum Zielknoten T als Bestimmungsknoten zu übertragen ist und dass die Erfindung damit befasst ist, für den Quellknoten S ein optimales Flouting für dieses Signal zu bestimmen, das über einen oder mehrere der anderen Knoten N1 bis N5 sein kann. Es versteht sich, dass, obwohl 1 nur mit diesem einem Signal befasst ist, andere Signale gleichzeitig zwischen beliebigen Knoten gesendet werden können. Somit besitzt das drahtlose Netzwerk jeweils einen Quellknoten und einen Bestimmungsknoten zu jedem Augenblick für jedes Paketdatensignal (und für jeden Sprung oder „Hop" eines über eine oder mehrere Zwischenknoten kommunizierten Signals) innerhalb des Netzwerks.
In 1 besitzen die Knoten omnidirektionale Antennen, die für eine Übertragung von dem Quellknoten S einen Übertragungsbereich gemäß dem Signalübertragungs-Leistungspegel vorsehen, wie in 1 durch einen entsprechenden gestrichelten Bogen für die Leistungspegel PL1 bis PL6 dargestellt, wobei jeder Leistungspegel einer entsprechenden Datenrate oder einer Signalbandbreite zugeordnet ist. Typischerweise erhöhen sich die Leistungspegel und die zugeordneten Datenraten verringern sich bei einer Vergrößerung des Übertragungsbereichs. Zwecks Vereinfachung wird in dieser Beschreibung eine Übertragung entlang der Sichtlinie angenommen und Effekte einer Mehrwegeübertragung, von Störsignalen („Clutter"), von zeitlichem Fading, etc. werden ignoriert; derartige Effekte können auch bei geeigneten Anwendungen von Ausführungsformen der Erfindung berücksichtigt werden.
Zum Beispiel kann, wie in 1 gezeigt, ein von dem Quellknoten S mit dem Leistungspegel PL2 übertragenes Signal, das eine zugeordnete Datenrate DR2 zur Verfügung stellt, die Knoten N1 und N2 erreichen, aber nicht die weiter entfernten Knoten N3 bis N5 und T; der Knoten N3 (sowie die näheren Knoten N1 und N2) können mittels Übertragens von dem Quellknoten S mit einem Leistungspegel PL3 erreicht werden, der eine zugeordnete Datenrate DR3 zur Verfügung stellt; der Knoten N4 und nähere Knoten können mittels Übertragens von dem Quellknoten S mit einem Leistungspegel PL4 erreicht werden, der eine zugeordnete Datenrate DR4 zur Verfügung stellt, usw.
Man kann erkennen, dass bei der Anordnung omnidirektionaler Antennen der 1 das Übertragen bei einem beliebigen Leistungspegel Interferenz für alle diese Knoten bewirkt, die bei diesem Leistungspegel oder einem niedrigeren Leistungspegel erreicht werden können. Zum Beispiel bewirkt das Übertragen von dem Quellknoten S zum dem Knoten N3 bei dem Leistungspegel PL3 eine Interferenz für die näheren Knoten N1 und N2. Die Interferenz kann durch das Verwenden aufeinanderfolgender kurzer Sprünge oder „Hops" für eine Signalübertragung von einem Quellknoten S zu dem Zielknoten T reduziert werden – zum Beispiel kann ein erster Sprung von dem Quellknoten S zu dem Knoten N1 oder dem Knoten N2 bei dem Leistungspegel PL2 erfolgen – dies ergibt aber viele Signalsprünge und folglich eine erhöhte Paketverzögerung beim Erreichen des Zielknotens T.
Die Knoten können alternativ hierzu direktionale Antennen zum Übertragen über unterschiedliche Antennenstrahlen in unterschiedlichen Richtungen verwenden, wobei entweder physisch getrennte Antennen oder eine strahlformende phasengesteuerte Anordnung („Phased Array) verwendet wird. Zum Beispiel veranschaulicht 2 ein dem der 1 ähnliches drahtloses Zugangsnetzwerk, in dem aber der Quellknoten S Antennenstrahlen B1, B2 und B3 verwendet, um in den Richtungen der Knoten N2, N1 bzw. N3 zu übertragen. Mit dem Strahl B1 kann der Quellknoten S den Knoten N2 unter Verwendung des Leistungspegels PL1 erreichen, ohne Interferenz für irgendeinen der anderen Knoten zu bewirken. In ähnlicher Weise kann der Quellknoten S mit dem Strahl B2 den Knoten N3 unter Verwendung des Leistungspegels PL3 erreichen, und mit dem Strahl B3 kann der Quellknoten S den Knoten N1 unter Verwendung des Leistungspegels PL2 erreichen, in jedem Fall ohne Interferenz für irgendeinen der anderen Knoten zu bewirken.
Der Quellknoten S kann auch den Knoten N5 unter Verwendung des Strahls B2 mit dem Leistungspegel P5 erreichen, wie mittels einer gestrichelten Linie in 2 gezeigt, dies bewirkt aber auch Interferenz für den Knoten N1. Man erkennt, dass in jedem Fall diese Intrasysteminterferenz nur während der tatsächlichen Paketdatensignalkommunikation auftritt.
Man sieht, dass eine optimale Auswahl einer Signalroute durch den Quellknoten S zu dem Zielknoten T in dem drahtlosen Zugangsnetzwerk der 2 vergleichsweise komplizierter ist als in dem Netzwerk der 1. Wie beispielhaft unten weiter beschrieben ist, kann eine Pfadauswahl unter Verwendung bekannter Techniken für drahtgebundene Netzwerke schlechtere Ergebnisse in einem drahtlosen Netzwerk erzeugen, insbesondere im Hinblick auf die Intrasysteminterferenz in einem drahtlosen Netzwerk.
Dies wird unter Bezugnahme auf ein spezifisches Beispiel, wie es in 3 veranschaulicht ist, veranschaulicht, und eine Ausführungsform der Erfindung wird im Detail beschrieben, wobei 3 das drahtlose Zugangsnetzwerk der 2 mit möglichen Pfaden durch das Netzwerk von dem Quellknoten S zu dem Zielknoten T veranschaulicht. Insbesondere gibt es in 3 acht potentielle Pfade oder Routen, die als Pfade a bis h unter den Knoten bezeichnet sind, wobei die Pfade oder Routen wie folgt verlaufen:
Pfad a: Knoten S, N1, N4, T
Pfad b: Knoten S, N1, N4, N5, T
Pfad c: Knoten S, N4, T
Pfad d: Knoten S, N4, N5, T
Pfad e: Knoten S, N3, N5, T
Pfad f: Knoten S, N5, T
Pfad g: Knoten S, N2, N3, N5, T
Pfad h: Knoten S, N2, N5, T
Beispielsweise schließt der Pfad a eine Paketübertragung in drei Sprüngen oder Abschnitten ein, nämlich einen ersten Abschnitt von dem Knoten S zu dem Knoten N1, einen zweiten Abschnitt von dem Knoten N1 zu dem Knoten N4 und einen dritten Abschnitt von dem Knoten N4 zu dem Zielknoten T.
Um einen optimalen aus den potentiellen auszuwählen, berechnet in einer Ausführungsform der Erfindung der Quellknoten S die Abschnittsübertragungskosten für jeden der Abschnitte in den potentiellen Pfaden, summiert jeweils diese auf, um die Gesamtkosten für jeden Pfad zu erzeugen, und wählt als einen optimalen Pfad den Pfad, der die geringsten Gesamtkosten besitzt.
In dieser Ausführungsform werden die Abschnittsübertragungskosten für jeden Abschnitt durch den Quellknoten S bestimmt, und zwar als eine Summe aus drei Komponenten, die gemäß Parametern bestimmt werden, wie beispielsweise unten beschrieben. Diese Komponenten werden als Interferenzkosten, Cx, Übertragungskosten, Ct, und Koordinationskosten, Cc, bezeichnet, wobei die Gesamtkosten Ci für einen Abschnitt i gegeben sind durch Ci = Cx + Ct + Cc. Jede der Komponentenkosten kann als eine Funktion verschiedener Parameter bestimmt werden, und es können verschiedene Funktionen verwendet werden, um bestimmten Situationen zu entsprechen.
Die Interferenzkosten, Cx, sind eine Funktion f() der Anzahl ni an Knoten, die durch ein über den Abschnitt i bei dem Leistungspegel PLi gesendetes Signal (d.h. der gewünschte empfangende Knoten zusätzlich aller mit-interferierender Knoten) beeinflusst sind, und eines Zeitintervalls ti, während dessen das Signal kommuniziert wird, somit ist Cx = f(ni, ti). Während verschiedene andere Funktionen verwendet werden können, ist ein Beispiel dieser Kostenfunktion Cx = α·ni·(ti/T), wobei α eine zum Gewichten der Interferenzkosten verwendete Konstante und T die Periode eines Übertragungszyklus (d.h. T = Σti). Die Interferenzkosten Cx können ignoriert werden, indem man α = 0 wählt.
Die Übertragungskosten, Ct, sind eine Funktion g() der (maximalen) Datenrate ri, die bei dem Leistungspegel PLi erreichbar ist, der benötigt wird, um Daten über den Abschnitt i zu senden, und der Gesamtmenge an Daten, d.h. der Anzahl bi an zu übertragenden Bits, wobei diese Menge sowohl die anfängliche Paketübertragung als auch alle zum Überwinden von Abschnittsfehlern benötigten Neuübertragungen einschließt. Somit ist Ct = g(ri, bi). Während verschiedene andere Funktionen verwendet werden können, ist ein Beispiel dieser Kostenfunktion Ct = β·(bi/ri), wobei β eine zum Gewichten der Übertragungskosten verwendete Konstante ist. Die Kosten für die Übertragung Ct können ignoriert werden, indem man β = 0 wählt.
Die Koordinationskosten, Cc, sind eine Funktion h() der Anzahl nc an Knoten, mit denen ein Knoten Übertragungen koordinieren muss, eines Zeitintervalls tc, das der Knoten für das Koordinieren von Aktivitäten benötigt, einer Gesamtzahl bc an zu übertragenden Bits beim Koordinieren von Aktivitäten, einschließlich sowohl der anfänglichen Paketübertragung als auch aller zum Überwinden von Abschnittsfehlern benötigten Neuübertragungen, und einer (maximalen) Datenrate rc, bei der Steuerpakete zwischen Knoten ausgetauscht werden können. Somit ist Cc = h(nc, tc, bc, rc). Während verschiedene andere Funktionen verwendet werden können, ist ein Beispiel dieser Kostenfunktion Cc = δ·nc·(tc/T)·(bc/rc), wobei δ eine zum Gewichten der Koordinationskosten verwendete Konstante ist. Die Koordinationskosten Cc können ignoriert werden, indem man δ = 0 wählt.
Dem Quellknoten S wird das Vorhandensein seiner Nachbarknoten (Knoten N1 bis N5 und des Zielknotens T, wie in den Zeichnungen gezeigt) bewusst gemacht, entweder durch Vorprogrammieren oder anderer Mittel, die zum Aufbauen des drahtlosen Netzwerks gehören, oder, was wünschenswerter ist, mittels eines Auffindungs- oder Neuauffindungsprozesses, der bei der Initialisierung des Knotens ausgeführt werden kann. Aus zugehörigen Informationen baut der Quellknoten S einen Satz an Abschnittskostenparametern auf, die er dazu verwendet, die entsprechenden Abschnittskostenkomponenten gemäß den Funktionen zu bestimmen, die beispielhaft oben beschrieben wurden.
In einem Beispiel entlang der Leitungen des drahtlosen Netzwerks der 3 können diese durch den Quellknoten S bestimmten Abschnittskostenparameter durch die folgende Tabelle dargestellt werden:
In dieser Tabelle sind die Parameter in der Form (DR, n) angegeben, wobei DR die maximale Datenrate in Mb/s zwischen den entsprechenden Knoten (es wird hier aus Gründen der Vereinfachung angenommen, dass diese die gleiche für beide Übertragungsrichtungen zwischen den Knoten ist, dies muss aber nicht der Fall sein) und n die Anzahl an Knoten ist, die ein zwischen den Knoten übertragenes Signal empfangen, d.h. dem zum Empfang des Signals gedachten Knoten und (n-1) Knoten, die durch das Signal als Interferenz beeinflusst werden. In diesem Beispiel stammen die Datenraten aus der IEEE 802.11a-Spezifikation; die drahtlosen Kommunikationen auf den Durchgangsabschnitten zwischen den Knoten können geeigneterweise gemäß diesem Standard stattfinden.
Es wird in diesem Beispiel angenommen, dass sowohl α als auch β eins sind und dass δ = 0, d.h., die Koordinationskosten werden als 0 angenommen. Ferner wird angenommen, dass die Interferenzkostenfunktion Cx = f(ni, ti) = α·ni·(ti/T) verwendet wird, wobei ti = T, sodass Cx = ni und dass die Übertragungskostenfunktion Ct = g(ri, 1) = β/ri = 1/ri ist. Die aus der obigen Tabelle gemäß diesen Funktionen bestimmten relativen Abschnittskosten werden durch die folgende Tabelle wiedergegeben (auf Sterne in dieser Tabelle wird im Folgenden Bezug genommen):
Die Gesamtkosten für jeden der acht potenziellen Pfade a bis h wird dann durch den Quellknoten S als die Summe der Abschnittskosten für die individuellen Abschnitte für jeden Pfad bestimmt, somit:
Pfad a: Kosten {S, N1, N4, T} = 3,208
Pfad b: Kosten {S, N1, N4, N5, T} = 4,153
Pfad c: Kosten {S, N4, T} = 3,185
Pfad d: Kosten {S, N4, N5, T} = 4,130
Pfad e: Kosten {S, N3, N5, T} = 3,125
Pfad f: Kosten {S, N5, T} = 4,111
Pfad g: Kosten {S, N2, N3, N5, T} = 4,130
Pfad h: Kosten {S, N2, N5, T} = 4,125
Daraus wird der Pfad mit den geringsten Kosten, der Pfad e, der die Knoten S-N3-N5-T umfasst, von dem Quellknoten S als der bevorzugte Pfad bzw. die bevorzugte Route ausgewählt.
Die Bestimmungen in dem Quellknoten S beispielsweise wie oben beschrieben können auf eine beliebige gewünschte Weise durchgeführt werden, beispielsweise unter Verwendung von Verarbeitungsmitteln, die in der Form eines Prozessors für allgemeine Zwecke, eines digitalen Signalprozessors oder einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung vorliegen, zugeordnet zu einem geeigneten Speicher zum Speichern, unter anderem, von Daten bezüglich benachbarter Knoten in dem drahtlosen Netzwerk und Overhead-Datenparametern, die den Interferenz-, Übertragungs- und Koordinationskosten zugeordnet sind, wie oben beschrieben.
Die Vorteile des Pfadauswahlverfahrens einer Ausführungsform der Erfindung wie oben beschrieben kann man klar bei einem Vergleich mit den vergleichsweise schlechteren Ergebnissen erkennen, die unter Verwendung von Routing- oder Pfadauswahlprozeduren erzeugt werden, die für drahtgebundene Netzwerke bekannt sind.
In einer bekannten „kürzester Pfad"-Prozedur wird ein Pfad mit der geringsten Anzahl an Abschnitten oder Sprüngen als der bevorzugte Pfad ausgewählt. In dem Netzwerk der 3 wäre dies der Pfad c (Knoten S, N4, T) oder der Pfad f (Knoten S, N5, T), wobei keiner derselben der Pfad mit den geringsten Kosten ist, da in dem drahtlosen Netzwerk diese Pfade Interferenz für die dazwischen angeordneten Knoten N1 bzw. N3 erzeugen.
In einer bekannten „Pfad mit geringsten Übertragungskosten"-Prozedur wird ein Pfad mit den geringsten Übertragungskosten als der bevorzugte Pfad ausgewählt. Dies entspricht dem Setzen von α = 0 bei den oben beschriebenen Bestimmungen, was die Auswirkungen der Interferenz ignoriert und das Auswählen des Pfades f (Knoten S, N5, T) als den bevorzugten Pfad ergibt. Wie bereits oben gesehen ist dies nicht der Pfad mit den geringsten Kosten für das drahtlose Netzwerk.
In einer bekannten „Abschnitte mit geringsten Übertragungskosten"-Prozedur wählt jeder Knoten in unabhängiger Weise den abgehenden Abschnitt, der die geringsten Kosten besitzt. Für jeden der Knoten S und N1 bis N5 werden diese Abschnitte mit geringsten Kosten durch Sterne in der obigen zweiten Tabelle angezeigt. Diese Prozedur würde den Pfad b (Knoten S, N1, N4, N5, T) aus dem bevorzugten Pfad ergeben, wohingegen das Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung wie oben beschrieben dies als den Pfad mit den höchsten Kosten für drahtlose Netzwerk bezeichnet.
In einer bekannten „Nächste Nachbarn"-Prozedur wählt jeder Knoten in unabhängiger Weise den abgehenden Abschnitt zu seinem nächsten Nachbarn, ohne Beachtung der Kosten. Diese Prozedur würde den Pfad g (Knoten S, N2, N3, N5, T) als den bevorzugten Pfad ergeben, während das Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung wie oben beschrieben dies als den Pfad mit den zweithöchsten Kosten für das drahtlose Netzwerk darstellt.
Folglich kann man erkennen, dass das Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung wie oben beschrieben eine bessere Auswahl eines bevorzugten Pfades mit den niedrigsten Kosten in einem drahtlosen Netzwerk zur Verfügung stellt als Prozeduren, die für drahtgebundene Netzwerke bekannt sind und die nicht die Interferenzauswirkungen in Betracht ziehen, die einem drahtlosen Netzwerk, aber nicht in einem drahtgebundenen Netzwerk auftreten.
Obwohl die Erfindung beispielhaft im Zusammenhang mit einer bestimmten Art eines drahtlosen Netzwerks und im Hinblick auf bestimmte Kostenfunktionen, Parameter und Konfigurationen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass all diese variiert werden können und dass die Erfindung allgemein auf eine Pfadauswahl in drahtlosen Netzwerken anwendbar ist. Zusätzlich kann die Erfindung unbeachtlich der bestimmten Art des drahtlosen Netzwerks und seiner Applikation angewendet werden. Beispielsweise ist die Anwendung auf CDMA-, TDMA-, GSM-, GSM/EDGE-, UMTS- und IEEE §802-kompatibler Netzwerke anwendbar und kann auf lokale, gemeinschafts- und Weitverkehrsnetzwerke und auf beliebige andere Arten drahtloser Netzwerke allgemein angewendet werden.
Obwohl somit oben eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung und Variationen beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese lediglich beispielhaft und zur Veranschaulichung angegeben sind und dass zahlreiche Modifikationen, Variationen und Adaptionen innerhalb des Geltungsbereich der Erfindung gemacht werden können, wie er in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zum Auswählen, in einem drahtlosen Netzwerk, das eine Mehrzahl von Knoten und drahtlosen Kommunikationsabschnitten zwischen den Knoten umfasst, eines Kommunikationspfads aus einer Mehrzahl von potentiellen Kommunikationspfaden, die verschiedene Kombinationen der besagten Abschnitte von einem Quellknoten zu einem Zielknoten umfassen, umfassend, in dem Quellknoten, die Schritte des: Bestimmens für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden von Interferenzkosten abhängig von einer Anzahl von Knoten, die von einem über den entsprechenden Abschnitt gesendeten Signal beeinflusst werden; Bestimmens von Gesamtkosten für jeden potentiellen Kommunikationspfad, wobei die Gesamtkosten von den kombinierten Interferenzkosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads abhängen; und Auswählens des potentiellen Kommunikationspfads mit den geringsten Gesamtkosten als einen Kommunikationspfad vom Quellknoten zum Zielknoten.
Verfahren, wie in Anspruch 1 beansprucht, und enthaltend, im Quellknoten, den Schritt des Bestimmens von Übertragungskosten für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden in Abhängigkeit von einer Datenrate für ein über den entsprechenden Abschnitt gesendetes Signal, wobei die für jeden potentiellen Kommunikationspfad bestimmten Gesamtkosten auch von den kombinierten Übertragungskosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads abhängen.
Verfahren, wie in Anspruch 1 beansprucht, und enthaltend, im Quellknoten, den Schritt des Bestimmens für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden von Kosten für die Koordination von Übertragungen auf dem Abschnitt mit Übertragungen von anderen Knoten des Netzwerks, wobei die für jeden potentiellen Kommunikationspfad bestimmten Gesamtkosten auch von kombinierten Koordinationskosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads abhängen.
Verfahren, wie in Anspruch 2 beansprucht, und enthaltend, im Quellknoten, den Schritt des Bestimmens für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden von Kosten für die Koordination von Übertragungen auf dem Abschnitt mit Übertragungen von anderen Knoten des Netzwerks, wobei die für jeden potentiellen Kommunikationspfad bestimmten Gesamtkosten auch von kombinierten Koordinationskosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads abhängen.
Verfahren, wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, wobei der Quellknoten die Gesamtkosten für jeden potentiellen Kommunikationspfad als eine Summe der kombinierten Kosten für die Abschnitte des entsprechenden potentiellen Kommunikationspfads bestimmt.
Verfahren, wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, wobei die durch den Quellknoten für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden bestimmten Interferenzkosten auch von einem Zeitintervall abhängen, das für ein über den entsprechenden Abschnitt gesendetes Signal benötigt wird.
Verfahren, wie in Anspruch 3 oder 4 beansprucht, wobei die durch den Quellknoten für jeden Abschnitt in den potentiellen Kommunikationspfaden bestimmten Koordinationskosten auch von einem Zeitintervall abhängen, das für Koordinierungsaktivitäten benötigt wird.
Knoten für ein drahtloses Netzwerk, wobei der Knoten drahtlose Kommunikationsabschnitte für drahtlose Kommunikationen mit anderen Knoten des Netzwerks bereitstellt, mit Mitteln, die ausgebildet sind, um sämtliche Schritte eines der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
Drahtloses Netzwerk umfassend eine Mehrzahl von Knoten jeweils wie in Anspruch 8 beansprucht.