CN1354924A - 特别用于网状拓扑无线网络中的分组数据的通信协议 - Google Patents

特别用于网状拓扑无线网络中的分组数据的通信协议 Download PDF

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Abstract

协议的一部分是同步的,使用保留在网络(11)的所有相互通信节点(12－19)处的控制信道会话的调度,而协议的一部分是异步的,与用于发送所请求数据的控制信道会话之间的间隙有关。从一个空闲状态,节点(A)把RTS(准备发送)消息发送到节点(B),所述RTS消息包含有关在节点的调度中的空闲时间的信息。邻近者(B)把CTS(清除发送)消息发送到节点(A),准许在某个互同意的时间处进行发送。邻近者(B)把RTS消息发送到节点(A),所述RTS消息包含有关邻近者的未经调度的时间的信息。节点(A)把CTS消息发送到邻近者(B),准许在某个相互同意的时间处进行发送。数据发送的潜在调度包括在已知控制信道会话之间的许多间隙。

Description

特别用于网状拓扑无线网络中的分组数据的通信协议
发明领域
本发明涉及无线无线电通信方法，尤其，涉及在网络节点之间的分组数据通信方法。
现有技术
操作于多个千兆赫频谱的宽带无线网具有把大量业务提供给在不同位置处的用户的潜力。频谱的高频率允许使用每个空间区域的每个网络的大量带宽来展开具有高容量的无线网。在以前，许可无线电频谱用于诸如电视频带、业余无线电爱好者频带、航空频带等个别服务或使用。在每个频带内，个别的用户得到在链路基础上的许可，致使在频带内的所有用户得到许可。在1998年，FCC(联邦通信委员会)不按照这个方法，并拍卖在27GHz和31GHz频带中的大量无线电频谱，供在本地多点分配***(LMDS)中使用。开放相似的频谱频带，供在加拿大、澳大利亚、新西兰和阿根廷使用。在欧洲，还分配在24.5和26.5GHz之间的无线电频谱供多点使用。许多国家在开放不同频带的过程中，供地区性基础上使用而不是在每链路每链路基础上使用，所述不同频带在10GHz和40GHz之间的高频率频谱处。无线电频谱许可方法的主要不同(地区性对链路)使网络操作者有可能建立一个网络，所述网络覆盖大的地形区域并对在区域中具有视线关系的那些用户提供连通***。这是因为毫米波传输与正在通信的发射机和接收机之间的视线有关。
在1998年之后的新规章方案导致点对多点无线***的发展。这些***是基于一系列的基站的，所述基站具有扇区发射机和接收机，它们覆盖分成扇区的小区，在扇区中包括用户，用户的收发机面对基站的扇区天线。这些用户接收来自基站的信息广播下游，并选择对它们寻址的信息。在上游侧，在TDMA(时分多址)模式中，基站把时隙分配给远程用户收发机中的每一个，或在FDMA(频分多址)模式中，基站把频率缝隙(frequency slot)分配给远程用户收发机中的每一个，以根据这些用户进行发送所需要的信息量而查询信息。
因为每个层是通信***的一个级，众知用于通信的数据协议为“层”，所述通信***具有它自己的规则，而且有时具有它仅仅关心的操作该层的人。在许多数据通信正文中说明“层”的概念，并可以概况如下。从认为是最低层的硬件开始，众知使无线电通信成为可能的设备是“物理层”，而众知由用户运行应用程序的最高层为“应用层”。紧接在物理层上面的是管理无差错的数据发送的“链路层”。接下来是执行路由选择功能以建立跨越网络的连接的“网络层”。然后接着“透明层”，它把地址提供给网络层，并确定传递数据的单元的大小。其次接着“会话层”，它安排终端之间的命令，诸如“开始”和“结束”。正好在应用层的下面和会话层上面的是“表示层”，它定义所表示数据的格式，克服不同终端的不同要求。在无线网中还有另外一层，  “媒体访问控制层”，或MAC层，在网络拓扑中使用该层作为一个协议，用于在网络上的互连节点的收发机之间的数据通信。在上述层的层次中，MAC层将位于物理层和链路层的中间，其作用为两者之间的接口。过去，点对多点(PMP)蜂窝***的媒体访问控制(MAC)层是相当简单的，并且已经在许多无线***中使用，在地面上的蜂窝移动***和广播***以及卫星对地面(VAST)***两者中使用。
具有MAC层的点对多点(PMP)网络的优点是它的简单性。由于下游链路的广播特征和上游链路的查询而发生PMP***的主要缺点。当基站在某个频率和时隙(TDMA)上发送时，在扇区中除了接收信息的那个用户之外，阻挡所有用户接收任何信息。在上游方向上，只有一个用户可以在某个时间以某个频率发送。因此，当在扇区中的用户数增加时，每个用户可得到的平均数据率降低。
PMP***的第二个缺点是需要在对所有用户有较佳视线的高处建立昂贵的基站。这要求先期的投资。
从PMP MAC层产生第三个缺点。节点只能与它们的基站扇区收发机进行通信，因此不可发生重复或路由分集。如果从基站到用户单元不存在视线，则应该建造新基站以致可以连接所有用户。
在G.Flammer的美国专利第5,903,566号中揭示了多—节点网状拓扑(meshtopology)无线网，用于一块一块地发送大的数据文件。发送协议包括检查所请求的代码块的有效性。对于无效块，源节点使它的分组发送缓冲器脱开，并使过程终止。对于有效块，源节点把块发送到目的节点，然后，使它的分组发送缓冲器脱开，并使过程终止。传递块的通信协议是不规定的。
发明概要
在有线应用中避免网状拓扑网络，因为对于“n”个节点，需要n(n-1)/2个电路来连接所有节点。然而，对于宽带无线应用，特别当使用分组数据进行数据发送时(诸如在IP(互联网协议)网中)，网状拓扑网络是理想的。本发明涉及新型的空间和时间切换的MAC层协议，把所述协议设计成使有效的数据发送成为可能，特别是在网状拓扑网络中，或在分组基础上的其它类型的网络拓扑中。
网状网络的优点如下：(1)网络允许节点之间的重复信息，因此通过在区域中可以建立视线(LOS)通信的其它节点，使用户和主干接入点(BAP)之间的可靠连接成为可能，因此得到有关区域的高度覆盖。(2)围绕用户建立网络。由于对数据流建立多个平行路径，所以当连接网络的节点数(用户)增加时，网络带宽容量增加。(3)通过可得到从节点到其它节点的多个路由，使路由分集和负载平衡成为可能。
实施这个***的困难是需要有一种算法，根据节点对于可得到的视线距离和可得到的链路的相对位置，以及来自在其它节点处始发和终止的脉冲串数据话务的可能的干扰，所述算法要对节点中的数据发送进行控制和同步。在IP型网络中，随着随机始发小区和目的小区随机地产生数据分组。因此，应该通过分组基础在分组上调节最优化话务协调。此外，与光纤或铜物理地连接的网络相对比，无线网状网络可能有一个收发机和具有多个波束的定向天线，并具有在它们之间进行切换的能力。因此，空间和时间切换的MAC算法应该考虑不同节点之间的传输延迟；在每个节点处具有不同地址的数据的队列；从多个节点的发送时间的同步；以及根据目的节点的位置以不同的延迟在多个不同节点处的接收时间的同步。
本发明的特征适应于空间和时间切换的(STS)MAC协议，有效地允许网状网络的实施，在同层-对-同层的通信中，以及节点-对-主干接入点和主干接入点-对节点的通信中，所述网状网络在网络节点之间带有IP型的分组数据流。网络可以用TDD(时分双工无线无线电)进行操作，所述TDD是在相同频率上操作的或同时在不同链路处的多个频率上操作的。STS MAC协议根据话务负载分配容量。
本发明的STS MAC协议的基本原理是使用同步调度信息作为节点之间的控制信道，以在调度信息时隙之间分配异步的长度可变的分组数据。每个接收节点根据始发者所请求的时隙和接收者可得到的时隙把可得到的数据时隙自适应地分配给数据始发者节点。
把本发明的自适应STS MAC协议设计成有效地支持在具有下列结构的网络中的宽-带宽通信：(1)形成部分(或全部)连接网格的具有某些无线连通性的节点。(2)把无线网格连接到IP主干的，已知为主干接入点(BAP)的一个或多个特殊节点。在网络中的节点具有下列性能：(1)每个节点能够操纵它的接收和发送定向波束天线不向着或向着一个或多个固定数目的扇区。(2)到达不同扇区的信号彼此不干扰。(3)通信是半双工的，而且每次节点只能与一个扇区进行通信。
本自适应STS MAC算法发明根据在多个网络节点中启动的分组话务负载的瞬时脉冲串，并具有多个可变的目的地址，使建立多个同时发送链路成为可能，所述多个同时发送链路是在网络中的子群和同层节点之间的，因此在给定的空间覆盖区、路由分集和携带信息的分组的负载平衡中，允许大大地增加频谱的有效使用。
附图简述
图1是使用本发明的全部连接的网状拓扑网络的图；
图2是两个节点之间的信号会话图，示出在单个控制信道微时隙中的本发明的数据通信协议；
图3是状态机图，用于在图2中示出的控制信道的逻辑；
图4A和4B是两个节点之间的信号发送图，示出存在于两个节点之间的，在图2中示出的类型的多个微时隙的关系；
图5是平均延迟时间对间隙的曲线图；
图6是使用本发明的树结构网络的图。
实现本发明的最佳模式
参考图1，图中示出无线网状拓扑网络11，它具有全部相互互连的视线节点12-19。在本发明中，不需要互连所有的节点，只要节点与至少一个邻近者具有视线通信，而所述邻近者在相同基础上与网络的其它成员可进行视线通信。使用本发明的STS MAC协议方法的分组进行节点之间的通信。协议的基本特征如下。把时间断开成为已知长度的帧。在每个帧中，每个节点具有经调度的时隙，它用这个时隙与它的每一个邻近者，控制信道，交换控制信息。任何时间当节点不参与控制信道发送和接收时，它有对数据分组的发送或接收进行调度的自由。作为控制信道的一部分，作出发送位的请求。作为请求的一部分，发送在请求节点的数据信道中有关未调度周期的信息，即，可用的时间或间隙。接收请求发送(RTS)的节点准许发送或否定发送。准许的一部分包括从请求者的时间表(schedule)选择的关于何时发送数据的调度。STS MAC层概述
MAC层是产生和消耗有效负载数据单元(PDU)的链路层和负责实际发送的物理层之间的接口。MAC协议的一般原理是每一对邻近者必须在规定的基础上进行控制信息的通信，以便调度数据发送。因此，我们有了帧的概念。在每一帧期间，与节点的每个邻近者进行通信的节点作出请求发送(RTS)和作出清除发送(CTS)的准许。把发送和接收这个控制信息所费的时间称为控制信道。数据发送在整个帧中交织，免除了控制信道。MAC调度的性能与下列因素有关：(1)帧的长度。(2)控制信道所取得的帧的百分数。(3)围绕控制信道的调度数据的有效性。(4)在邻近者之间的调度数据发送的有效性。控制信道
在每个帧中，每个节点必须与它的每个邻近者进行通信。基本思想是作出发送的请求，伴随有关何时可以进行发送的某些信息。然后，潜在的接收机必须准许所有的请求或一部分请求或不准许请求。必须与每个邻近者发生的基本通信是：
到邻近者的RTS消息，带有有关在节点的时间表中的自由时间。
来自邻近者的CTS消息，在某些互同意的时间(mutually agreeable)处准许发送。
来自邻近者的RTS消息，带有有关邻近者的未调度时间的消息。
到邻近者的CTS消息，在某些互同意的时间处准许发送。把上述交换称为会话，并在图2中示出。
参考图2，通过箭头L指示会话的长度，对于节点A和B都是相同的通过水平线来指示，但是它与通过对角箭头D、E和F指示的传播延迟不重合。通过箭头D指示的，可以看到把第一RTS发送到节点B的节点A是始发者，并携带数据可用时间的节点A的时间表。接着跟随着具有同意时间的从节点B发送到节点A的CTS发送。然后节点B把RTS发送发送到节点A，带有数据可用时间的时间表。箭头F指示节点A的确认，带有请求数据发送的同意时间。
在图3中，可以看到用于控制信道逻辑的基本状态机具有围绕空闲状态27的两个环路23和25。可以从空闲状态看到，节点A把RTS消息发送到通过等待状态22指示的节点B，在等待状态22处读出RTS调度，用于确认通过节点B与CTS消息一起发送到节点A的同意发送时间。然后节点A调度发送，如通过状态24指示。节点B还列出带有对节点A(通过状态26指示)的请求的，可得到的未经调度的间隙，在所述状态26处节点A开始调度算法，制定通过状态28指示的调度，并把CTS消息发送到节点B。在所有邻近者中间进行这个程序。节点A和节点B之间的会话长度是下列各项的总和：
1.从始发者节点A到接收者邻近者B的RTS消息的传播延迟。
2.整个RTS分组到达的发送延迟。
3.邻近者调度RTS所用的处理时间。
4.从邻近者B返回始发者节点A的CTS消息的传播延迟。
5.整个CTS消息到达的发送延迟。
6.整个RTS消息到达的发送延迟。
7.始发者调度邻近者B的RTS所用的处理时间。
8.发送整个CTS分组的发送延迟。假定RTS和CTS消息具有相同的长度，则会话的长度是：
4个控制分组(消息)长度+2个传播延迟+2个处理时间。
每帧，每个节点必须有与它的每个邻近者的至少一个会话，而且没有一个会话可以重叠。根据固定时间表发生会话。通过全球调度算法对整个网络确定这个时间表。在这个算法中，进行下列假设：已知网络的拓扑。已知邻近者之间的传播延迟。已知控制分组发送延迟。处理时间是常数。计算在网络中的每个节点的会话的时间表，并分配给每个节点。例如，当由于节点的进入或离开而使节点的拓扑改变时，将需要计算新的会话时间表，把它传播给网格中的所有节点，并在特定的未来时间处实施。
每个节点除了知道它自己的控制信道时间表之外，还知道它的邻近者的控制信道的时间表。这对于进行视线通信的所有邻近者都是真实的。还可以知道可能不进行通信的其它基站的控制信道的时间表，但是可以忽略这些控制信道的微时隙。在把数据发送给邻近者的期间，节点必须打断发送，以便保持它自己的控制信道发送和接收。相似地，它必须打断发送以允许它的邻近者保持它的控制信道。当对于邻近者的控制信道暂停时，广播节点必须考虑传播延迟。把用于控制信道的小时隙称为微时隙。不需要一个接一个地交换节点的RTS和CTS以及它的邻近者的RTS和CTS，然而这是调度控制信道的一个有效的途径。
在图4A中，水平线A和B指示在网状拓扑网络中的两个邻近节点。参考图4A，图中示出节点的控制信道或微时隙。已知信道的定时，并向其它节点广播。当发送到节点B时，节点A对节点B的微时隙特别感兴趣，所述节点B是在节点A的微时隙下面示出的，但是在相同的时间表上。向下下降的箭头G指示节点B接收机与节点A发射机相比较的RTS的传播延迟。相似地，上升的箭头H指示节点A接收机与节点B发射机相比较的RTS的传播延迟。
在图4B中，已经把节点B的微时隙映射到节点A，考虑传播延迟，由于节点A必须知道邻近节点的微时隙调度。在节点A线上的矩形暗区是节点B控制信道。注意在节点A线中的组合微时隙之间存在间隙。数据信道可使用这些间隙进行从A到B的发送。
现在考虑用于作出把RTS发送到邻近者的请求的协议。每个节点每帧有一次对特定邻近者进行RTS呼叫的机会。第一步是确定要使多少位排队，以待发送到尚未经过调度的这个邻近者。请求全部位数。任意地，可以把请求限于较少的位数。节点跟踪它已经调度的时间来接收或发送数据。在这些时间之间有间隙，而且有一个调度时间的结束。节点知道它将从邻近者接收到CTS的可能的最早时间。然后，它选择这个时间之后的前面3个间隙，还有调度时间的结束，以封装到RTS中。相对于CTS的间隙的开始和停止时间是封装到RTS中的那些。可以任意地选择更多或更少的间隙。可以使用其它准则选择间隙来广播。当接收到RTS信号(0位以上)时，则接收节点的责任是进行调度。第一步是根据请求节点和在接收节点的时间表中的间隙来确定间隙的交叉和调度消息的结束。保留前面3个间隙，并舍弃其余的间隙。当在这些间隙中尽可能地调度大多数的发送时，用第一间隙开始。如果还存在额外的空间，则缩短或舍弃最后的间隙。如果间隙不够长，则在调度的结束处调度余留位。这导致至多4个分段(使每个分段围绕控制信道交织，可能导致进一步的分段)的经调度的发送。注意可以在间隙中发送的位数与两个节点的控制信道调度有关。必须在RTS和CTS字段中识别间隙。在下面的分组格式表中，作为间隙识别的位是用于间隙的地址或位置信息的，所述间隙是在待在相同帧中找到数据的控制信道外面的。控制信道分组格式例子
    RTS消息(在分组中)     位
请求位数，以512位增量(0-1024*512，或在128Mbps处0-3.9毫秒)     10
间隙1：[开始，停止]对CTS到达结束的偏离(0.-4.096毫秒，具有1/8微秒的间隔尺寸(granularity))     30
间隙2：[开始，停止]对CTS到达结束的偏离     30
间隙3：[开始，停止]对CTS到达结束的偏离     30
调度的结束     15
                                                   总计     115
    CTS消息(在分组中)     位
间隙1：[开始，停止]对CTS到达结束的偏离(0.-4.096毫秒，具有1/8微秒的间隔尺寸)     30
间隙2：[开始，停止]对CTS到达结束的偏离     30
间隙3：[开始，停止]对CTS到达结束的偏离     30
间隙4：[开始，停止]对CTS到达结束的偏离     30
                                       总计     120
即使当请求或调度0位时，也可以发送RTS和CTS分组。这允许调制解调器同步和邻近节点状态的有规则的监测。会话调度
调度控制信道，以致每个节点与它的每个邻近者具有每帧至少一个会话，并在任何时间场合下至多参与一个会话。在需要识别大量间隙时可能使用每帧多个会话。帧的长度确定最小频率，在所述最小频率处，节点有机会请求和准许发送。因此，帧长度影响网络的反应性和在网络中的延迟。较短的帧导致较快的响应和较短的延迟，但是以降低数据带宽为代价。一般，在最优化的短帧中的调度是一个复杂的问题。然而，一般不需要或不必须要求控制信道的最优化调度。执行调度的简单算法如下：
1.列出需要调度的所有会话。
2.选择会话，并且尽可能早地对它进行调度(每个节点可以是始发者)。
3.重复步骤2直到对所有会话进行调度。这种调度的合适性将与网络和它所要求的性能有关。通过修改上述算法或通过多种另外的算法可以产生较短的调度。例子
已经实现下列网络的仿真：8个节点网格，如在图1中所示，把充分连接的节点随机地放置在直径为3公里的园中，使用128Mbps的带宽，在满话务负载处，所有分组具有1024位。每个节点产生64*1024分组/秒，从节点的邻近者随机地、一致地选择每个分组的目的地，具有1微秒长的微时隙，并具有10微秒的经调度的处理时间，以及378微秒的帧长度(控制信道是7.4％)。最小发送时间是1微秒，其中在RTS中通过4个间隙加上调度的结束；在CTS中返回5个间隙。这个仿真假设在间隙边界上的任意正确度，而且对间隙前面有多远不加以限制。还有，不限制队列长度。
图5示出改变在RTS信号中识别的间隙数与延迟比较的效果，作为在70％负载处在RTS信号中通过的信息的函数。通过使用在RTS中的至少3个间隙，使平均延迟最小化。增加间隙数使增益最小，虽然可能为了冗余或其它原因而如此进行。在CTS信号中总是比在RTS信号中多提供一个间隙。
在上述讨论中示出充分连接的网格，但是这不是要求。本发明不限于充分连接的网格。图6示出充分连接的网格的子集，称为树结构。这是一个分层的组织，具有与分支节点35和37进行通信的中心节点33。节点33可以与沿链路39的主干接入点进行通信。以如上所述的相同方式，分支节点分别与子一分支节点41和43进行通信。为了本发明的目的而着重指出，把相似于树结构的节点布局定义为网状拓扑网络。

Claims (12)

1.在一种类型的无线分组无线电网状拓扑通信***中，所述类型具有在通信节点之间的多个带有视线布局的互连节点，一种节点之间的通信方法，包括下列步骤：
把时间分成已知长度的同步帧；
在每个帧中，为控制信息提供时隙，从而提供同步控制信道；
在通信节点之间，用在每个通信节点处的控制信息调度在控制信道时隙之间的异步数据发送或接收，从而提供数据信道。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在两个节点，始发者节点和接收者节点，之间的控制信道中，每个节点具有时间表，所述控制信道进一步具有通信协议，包括：
始发者向接收者递交请求发送(RTS)消息和通知接收者关于始发者的时间表中未调度时间的附加数据；以及
接收者根据在向始发者递交的清除发送(CTS)消息中始发者递交未调度时间，准予始发者互同意时间的发送时间表。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步定义：
在向始发者递交的接收者的CTS信息上附加在请求发送(RTS)消息中它的未经调度时间的时间表；以及
始发者运用清除发送(CTS)消息准许接收者在未调度时间中的商定时间的发送时间表。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括每个节点预先通告用于发送数据分组的可用时间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括每个节点预先分配用于接收来自邻近节点的数据分组的时间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步通过在每个帧中循环地重复控制信道而定义所述方法。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为控制信息提供时隙和所述用在每个通信节点处的控制信息进行调度的步骤包括下列步骤：
提供在所述通信节点之间的半双工无线通信；
从每个节点传播在数据信道当中的控制信道微时隙的调度，从而每个节点具有它与之通信的所有节点的微时隙的调度；
在第一节点中，读取在每个微时隙中的控制信道数据，查找请求发送(RTS)消息，所述请求发送(RTS)消息包含指示请求节点的请求的可用间隙的调度；
在第二节点中，在与所述第一节点相关的视线中，读出所述第一节点的RTS消息，并用清除发送(CTS)消息进行答复，所述清除发送(CTS)消息包含同意接收第一节点请求的时间表的可用间隙的调度，并把RTS消息发送给第一节点，所述RTS消息带有用于提供所请求数据的可用间隙的调度；以及
在第一节点中，用CTS消息答复第二节点的RTS消息，所述CTS消息是同意用于接收所请求数据的可用间隙的调度的。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括在第一和第二节点之间使用定向可切换天线。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：
在第三节点中，读出在每个微时隙中的控制信道数据，查找请求发送(RTS)消息，所述请求发送(RTS)消息包含指示请求节点所请求的数据的微时隙之间的可用间隙的调度；
在第二节点中，在与第三节点相关的视线中，读出第三节点的RTS消息，并用清除发送(CTS)消息进行答复，所述清除发送(CTS)消息包含同意接收所请求数据的请求的时间表的微时隙之间的可用间隙的调度，还把RTS消息发送给第三节点，所述RTS消息带有用于提供所请求数据的可用间隙的调度；以及
在第三节点中，用CTS消息答复第二节点的RTS消息，所述CTS消息是同意用于接收所请求数据的可用间隙的调度的。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在RTS消息中的间隙数至少为2。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在进入或离开相互通信节点时，从每个节点传递控制信道微时隙的最新调度。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，如果间隙的持续期小于最小特定持续期，则忽略所述间隙。
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