CN100409637C - 带有决定引擎的自组织网络 - Google Patents

Abstract

一种自组织网络和操作方法，包括多个同族节点10，在一些应用中，集线器节点从源节点向远离源节点的目的节点传输数据包。每一个数据包包括信息(比如，优先权、跳频数，等等)和包处理命令。源节点接收带有信息和包处理命令的数据包，并调节它的操作(比如传输功率、频率、带宽，等等)，使网络能够变为自组织、自配置和自修复的，从而使数据包用最少的跳频和延时实现从源节点到目的节点的重新传输。

Description

带有决定引擎的自组织网络

发明领域

本发明涉及无线通信装置和方法，具体地说，涉及用于特殊移动通信网络的装置和方法。

背景技术

无线数据通信设备，诸如无线调制解调器、LAN，等等，变得越来越普及，因为它们的价格不断下降，而且数据传输速度不断增加。有两种截然不同的用于进行数据包的移动无线通信的方法。这里应当理解，术语“移动”具有经典的含义，即可以被移动的和是易于移动的。

第一种方法利用现存的基础结构，诸如蜂窝网络、传统的声音和数据电信网络，或类似的东西。这种方法的一个主要问题是，必须提供持久的基础结构。一般来说，这种网络基于静态层次的交换机，中继线、馈电线、路由器、电桥、主干线、基站和其它网络实体。这些网络的拓扑结构和服务覆盖范围必须预先规划，通常需要很长的时间。一旦安装好了，再对网络进行改变需要花费昂贵的费用和很多的时间。这种限制阻碍了现在的声音、文字、数据和视频信息服务的迅速增长和重新配置。在需要立即可用的基础结构的情况下，比如发生自然灾害和战争期间，这就是一个严重的问题了。这种方法的另外一个问题是切换问题。当移动主机移出一个基站的覆盖范围进入另一个基站的覆盖范围的时候，如何在没有显著的延时和包丢失的情况下，使连接平稳地移交给新的基站。

第二种方法解决了许多基础结构的问题，它让希望进行相互通信的用户组成一个特殊网络，并且它们之间相互合作，从而将数据包通过一个或多个中间节点，从源点传送到目的地。与传统的蜂窝网络比较起来，这种形式的网络连接具有许多优点。一般地说，它的一个主要优点是，这种特殊网络不依赖于硬的有线连接的基站和其它固定的基础结构。它的第二个优点是，这种特殊网络是容错的。在蜂窝网络中，一个基站的故障会影响特殊网络中的这个单元内的所有移动装置。在特殊网络中，一个节点的故障可以通过重新配置网络而轻易解决。同样，特殊网络还具有不受约束的连接性，即，网络不被线路、物质的电缆等所限制。

在前面的特殊网络的概念中，每一个节点包括决定引擎(decisionengine)，它作为有一个或多个典型参数的函数，对包的排列做出近似实时的决定。这些参数包括包目的地址，包跳频计数和包类型。网络中的每一个节点拥有一个唯一的地址，每一个包包含它的目的节点的地址。每次包被重发(即被传输到下一个节点)时，伴随包的跳频计数器就加1。因此，从包开始发送时算起，每个节点访问的数目为通过的链路或节点的总数。作为由使用这个参数的决定引擎做出的决定的例子，包可以包括可引发的跳频数的最大值，在前面的概念中，包类型包括“充满的(flood)”包，这种包在跳频计数没有超过包中所能携带的特定的最大值的时候，并且被重发的包只有在到目的地的跳频计数没有超过某个最大值的时候，被不断地重新传输(重发)。

现有技术的特殊网络的一个主要问题是它们被每个节点的传输范围限制在一定的范围内。在特殊网络中，信息从一个节点传送到另一个节点，直到到达目的地。因此，由于其它包的干扰(同时进行的传输)，即，不能找到目的地或更方便的路径的时候，在繁忙的特殊网络中或在网络繁忙期间，许多包可能被指引通过附加的节点。在许多实例中，这可能导致许多附加的跳频，每一个跳频使用从相关节点中的有限能源(通常是电池)处获得的功率。同样，在许多实例中，节点可能在与邻近的节点的通信中使用过高的功率，或使用过小的功率而导致许多小的跳频。

因此，非常希望提供一种解决这些问题的、便宜的且容易使用的装置和方法。

附图说明

图1是本发明的带有决定引擎的自组织网络的方框图；

图2图解说明了在两个同族节点间进行的分形调制传输(fractalmodulation transmission)；

图3更详细地图解说明了图2中所述的节点；和

图4到8图解说明了在本发明中的自组织网络内，通过改变状况的若干最佳形式。

具体实施方式

本发明为一种自组织网络，其依赖于近似实时决定，以在松散联合的网络元件间路由打包的信息。一般来说，这种网络是指特殊网络。根据发明的目的，特殊网络是在无需预先存在的网络基础结构的情况下，互相通信的一组移动主机。增长或重新配置所需要的调节功能由具有很少的、或根本没有集中授权或控制的单独网络元件完成，网络元件包括多个同族节点(kindred node)，并还可能包括其它可用节点，诸如有特别高的功率和/或有利地理位置的集线器节点，比如移动交通工具、天线塔、轨道卫星，等等。

在发明中使用术语“同族的”是因为，每一个节点都是具有一系列有共同属性的同一族类节点的实例。同族节点不一定完全相同。一些同族的节点可能是移动的，而一些可能是固定的。一些节点可能使用无线的、有线的或两者都用的连接。一些节点可能是短距离的，一些可能是长距离或超长距离的。但它们都拥有一些共同的性质：通过为自己或其它节点处理包而对本地或远程用户(至少其中一些通常被包括在数据包中)的命令和指令做出反应，并(由此)检测电信环境，同族的节点调整它们的行为(比如，传输功率、频率、带宽，等等)允许网络成为自组织的、自配置的和自修复的。

集线器节点可能拥有用于延长对于较小的同族节点无法访问到的作用距离的附加的、分散的中继频率集和调制方案。通常，当集线器节点重发包时，它既在同族节点的重新传输频率上、又在集线器的重新传输频率上重发。除了这些附加的特性，集线器和同族节点的操作和行为是一样的。

参照图1，方框图图解说明了本发明中的自组织网络中使用的同族节点10。同族节点10包括三个基本的部分11，12和17。部分11包括用于允许用户以声音、数据、文本、视频或其它形式进行输入/输出的标准元件。部分11还允许用户控制同族节点10是否和如何被网络中的其它节点所使用，以重发包。应当理解，用户可能需要这种控制以在能量包中储存功率，从而加强安全储备，或控制用户服务的成本。

部分12包括拥有带功率控制的频率分集无线电装置的标准元件。在众所周知的频谱共享和频率分集技术中的跳频、扩展频谱、CDMA、FDMA和多频段操作可能被用于部分12。部分12还包括功率控制、带宽控制和允许同族节点20调节它可以与之通信的节点个数的其它标准的能力。功率控制电路是众所周知的电路，其调节发射机中的功率放大器或类似器件所使用的、以改变发射距离的功率的总量。本领域的技术人员应当理解，功率控制可以处在方便的步骤或持续进行的控制中。

在简化的例子中，当功率被设置得过小时，网络中没有单元或接收器能够收到消息，当功率被设置得过大时，网络中所有单元或接收器都收到消息。因此，决定引擎调节功率从而使最优数量(通常是在拥有大于10个单元的大型网络中所有单元数量的较低的百分比，比如2％到5％)的单元接收到消息。这可以通过逐步改变功率设置(增加或减少)、直到在充满期间最优数目的接收单元直接做出反应为止、而很容易的实现。这里还应当注意，从接收到的信息中，每个接收单元可以很容易地判断出将消息返回到询问单元所需的功率总量，并相应地调节决定引擎。可以通过许多不同的方法来做出这样的判断，其中的一种是简单地在消息中包括功率设置信息，另一种方法是在决定引擎中包括一个识别接收到的功率的电路。

接收单元的最优数量也可以通过以一个已知的传输功率(通常是一个较低的功率)，从源节点传输测试包到多个同族节点中的至少一部分节点而判断出来。然后调节传输功率(通常是逐步的)，直到目的节点确认了测试包的接收。然后，接收到传输的同族节点的数目(在源节点和目的节点之间的跳频的数目)就被测定出来。再调节传输功率，直到测定出的同族节点的数目加上两个附加的同族节点接收到传输为止。这两个附加的同族节点是为了确保在同族节点间能够进行可靠传输的鲁棒系统。

部分17是决定引擎，它处理从部分12通过内部链路14转发的数据包，并选择：经内部链路18将包到传递到部分11，通过内部链路13将包传递回部分12，以重新传输到网络中的其它节点，和/或忽略包。对各部分的控制由连接在部分12和17之间的控制链路15和连在部分11和17之间的控制链路16完成。部分17包括标准逻辑电路和控制器(control)，其允许相关的节点(在本例中，是同族节点10)具有可以从简单的终端用户主机到长距离集线器、中距离集线器，或短距离集线器有所变化的特性。长距离集线器可以为其它长或中距离集线器重发包，以形成自配置的、嵌套的中继系统。

在优选的实施例中，自组织网络还包括实施自适应数据传输控制的分形调制，如图2和3所示。早期的分形应用是由Gregory W.Wornell在“Signal Processing with Fractals”，Prentice Hall Signal ProcessingSeries，ISBN：0-13-120999-X中披露的。

在不知道以前信道带宽(质量)或时长的情况下，可以在自组织网络中使用分形调制(fractal modulation)来优化传输性能。分形调制提供多速率分集，并允许网络在缺乏信道信息或必须提供多个信道(多点广播)的情况下优化功能。参考图2，节点A直接向节点B发送描述数据向量pi的分形。图3图解说明了节点A中包含的分形调制器，它接收数据向量pi，并调制和发送一个适当的频率fi到节点B中的分形调制器。数字消息以分形的形式按多重速率(符号/秒)同时地被传输，这样，数据顺序，或包按照越来越高的调制速率被描述n次(见图3中所示图表)。接收节点B解调这个分形，并接收实现理想的接收信号质量的传输最快的部分。比如，通过使用IP/TCP协议，接收节点B然后传回一个“包被满意地接收”消息给转发节点A。始发节点A立即停止传输任何的这个分形数据序列，并准备按照类似方式发送任何后续序列。结果，传输速率将自己调节到最高的有用调制速率而不需要预先了解信道的情况。同样的分形技术被用于自组织网络开始的充满消息和数据消息。如果需要，充满消息可以被允许完全传输，使网络内的所有可能的节点都被发现。

现在转到图4，该图示意地描述了一个集中式的自组织网络20。网络20包括中心集线器节点21和多个同族节点22。在这个特殊实施例中，集线器节点21通常在同族重新传输频率上重发数据包，以使所有同族节点22都接收到。集线器节点21可以是一个经过修改的同族节点，或者一个用于作为集线器节点而特殊提供的特殊节点。

转到图5，该图示意地描述了一个非集中式的自组织网络30。在这个特定的实施例中，有多个集线器节点31，每个集线器节点31有多个同族节点32与之相联系。每一个集线器节点31和与之相联系的同族节点32的操作与图4中的集中网络20类似。然而，在这个实施例中集线器节点31还有附加的用于与其它集线器节点31进行更长距离通信的，分散的中继频率集，和/或调制方案。一般来说，这些附加的分散的中继频率集，和/或调制方案不能访问同族节点32。通常，当一个集线器节点31重发数据包时，它既在重新传输频率上也在集线器重新传输频率上重发。

在非集中式网络30中，假定所有节点31和32都遵守成为网络30的一部分的规则。在实际使用中，网络可以通过经网关使用现存信息系统来扩展它们的范围。比如，在非集中网络30中，集线器节点31之间的链接可以是传统的无线或有线连接。只要集线器节点31的一“侧”可以与同族节点32交换数据，就可以用传统的数据传输工具将集线器节点31互相链接起来。类似地，如果集线器节点31是网关节点，那么就可以用传统的卫星或无线电传输工具将集线器节点31互相链接起来。

特别地参考图6，该图图解描述了一个分布式自组织网络40。网络40包括多个同族节点41，每一个同族节点41都通常与邻近的同族节点41进行通信。一般来说，由于同族节点都依赖于同样的协议以为对等节点传输、接收和中继(重新传输)数据包，因此在这个意义上说同族节点41是“对等的”。每一个同族节点41还具有(在它的硬件提供的物理约束范围内)调高或调低它的传输功率，直到它的决定引擎(见图1)判断它能够被至少两个其它同族节点41听到为止的能力。决定引擎通过观察已经被中继的包的业务量、或通过在业务量小的时候不断被传输的测试包来决定这个传输范围。这里本领域的技术人员应当理解，每个数据包包括信息(比如优先权、安全、跳频数，等等)和包处理命令。决定引擎使用这些信息和命令来执行各项操作。

在这个自组织网络中的一个约束条件是，同族节点可以不知道、也不需要知道其它同族节点的物理位置。在现有技术的包充满技术中，源节点可以通过被其它节点重发、直到目的节点接收到包、或者直到达到充满包中包含的充满跳频计数的最大值，来找到目的节点。每次包被重发时，伴随包的跳频计数就加1。通过这种方法，重发包的每一个节点都生成一个包含返回到源节点的跳频计数的路由表。

当每一个同族节点或集线器节点(如果有的话)接收到一个或多个地址是节点自己的充满包时，充满包中的跳频计数被用于判断最大跳频计数(nmax)，以返回确认信息。然后，对源节点寻址的确认信息包被那些路由表中显示通过(nmax-k)或更少的跳频返回到源节点的路径的节点重发，这里，k是从确认包中的跳频计数器获得的值。在这种方式中，通过收集接收到的确认包，任何节点也可以设定它自己的传输数据包到达目的节点的nmax值。从这点上说，就可以开始在源节点和目的节点之间传输数据包了。

决定引擎的功能是决定nmax的值和相伴的每一个节点(比如，前面所述的源和目的节点)中发送器的功率设定值。为源和目的节点中的发送器设置高的功率和大的nmax值有助于确保数据包到达，但是这样会有可观数量的重复(具有重复序列号的包被抛弃)和不必要的带宽使用。对于传送器的过小的nmax值设置和/或过低的功率设置会导致未被接收的或未被确认的包，最后源节点将重新充满以找到目的节点，导致通信中断和在重新充斥中浪费带宽。每一个节点中的决定引擎使用它对网络性能的观察和基于以前收集的统计信息的良好连接性的标准，为每一个节点的nmax值和传送器的功率设置优化值，以达到平衡。

参考图7，该图图解说明了自组织网络50，它包括两个或更多的分布式网络51，以及一些具有特别高功率和/或优越地理位置的集线器节点52。集线器节点52可能被设置在移动交通工具上，它们可能被连接到天线塔，它们可能是轨道卫星，如此等等。集线器节点52通常有一个用于延长不能被分布式网络51中的同族节点访问的距离的、并且不干扰同族节点的、附加的、分散的中继频率集和调制方案。一般来说，当集线器节点52重发包时，它既在集线器节点又在同族节点的传输频率上重发。

通过在网络50中增加集线器节点52，分布式网络51变成了类似于图5中的网络30的非集中式网络，并提高了距离和性能。因此，通过使用卫星、高的天线塔等等，两个不相连的自组织网络可以连接成一个虚拟的自组织网络。分布式网络51的一个重要的特性是，节点的绝对地理位置并不重要，并且可以实时改变。网络50的整体性能可以通过增加更多的集线器节点52来提高，而不需改变中心数据库、交换机、或其它人造的传统的不动结构。

转到图8，该图图解说明的自组织网络60中一些典型的短到中距离节点。同族节点的典型例子是传呼机或其它手持移动装置61，膝上电脑62，或蜂窝电话63。同族或集线器节点的例子包括交通工具，诸如军用坦克64，救护车65或警车66。应当理解，这些装置类型中的任何或全部可以被用于前面描述的任何自组织网络中。这个自组织网络可以服务于多种用途，但在节点间的连接链路是随机的和不可预测的变动的、和网络实际上不能被预先规划的移动、无线环境中更加有用。一些例子是为了自然灾害和军事冲突而紧急部署的。

虽然我们展示和描述了本发明的特定实施例，但对于本领域的技术人员来说，还可以进行进一步的修改和改进。我们希望，能够理解本发明不局限于所述的特殊形式，我们在附加的如权利要求书中致力于覆盖所有的没有离开本发明的精神和范围的修改。

Claims (11)

1. 一种在包括多个同族节点的自组织网络内从源节点向远离所述源节点的目的节点传输数据包的方法，该方法包括下列步骤：

(a)以已知传输功率，从所述源节点向所述多个同族节点中的至少一些传输测试包；

(b)调节所述传输功率，直到所述目的节点确认接收到所述测试包为止；

(c)确定接收到所述传输的所述同族节点的数量；

(d)调节所述源节点的传输功率，直到接收到所述传输的同族节点的数目包括步骤(c)中所确定的同族节点的数量加上两个附加的同族节点为止；和

(e)通过步骤(d)中接收到所述传输的同族节点中的至少一个，从所述源节点向所述目的节点发送数据包。

2. 如权利要求1中所述的方法，其中接收到所述传输的同族节点的数量包括所述自组织网络中所包括的同族节点的2％到5％。

3. 如权利要求1中所述的方法，其中步骤(e)还包括步骤：

为产生分形，同时以多种速率从第一同族节点向第二同族节点直接传输数字消息；

在第二同族节点接收所述分形，并接受达到理想接收信号质量的所述分形的最快部分；

从第二同族节点向第一同族节点传回一个“接收到”消息；和

从第一同族节点向第二同族节点按照等于达到理想接收信号质量的所述分形的最快部分的速率传输数据包。

4. 如权利要求1中所述的方法，其中，所述的自组织网络还包括

至少一个集线器节点，该集线器节点具有与在同族节点间使用的同族传输频率不同的集线器传输频率，并且步骤(e)包括将传输频率从同族传输频率转换到集线器传输频率。

5. 如权利要求4中所述的方法，此外还包括一个用于确定在步骤(e)之前的业务量负载的步骤，并且在业务量负载高时，执行将传输频率从所述同族传输频率改变到所述集线器传输频率的步骤。

6. 如权利要求1中所述的方法，此外还包括一个用于为每一个数据包指定优先权的步骤，并根据优先级高的数据包先发送的规则，执行步骤(e)。

7. 如权利要求6中所述的方法，此外还包括一个用于为每一个数据包指定优先权，并结合用户策略，仅传输优先权高于选定的优先权的包的步骤。

8. 如权利要求1中所述的方法，包括下列步骤：

在所述的自组织网络中，为每一个数据包指定优先权；

在所述源节点中，采用仅重新传输优先权高于选定的优先权的数据包的用户策略；

从同族节点接收具有指定的优先权的、要重新发射的数据包；和

从所述源节点向所述目的节点仅重新传输优先权高于选定的优先权的数据包。

9. 如权利要求8中所述的方法，此外还包括步骤：确定从所述源节点向目的节点传输每个数据包所需的跳频数目，并改变所述源节点的传输功率，以减少从所述源节点向所述目的节点传输每个数据包所需的跳频数目。

10. 如权利要求1中所述的方法，包括下列步骤：

在每个数据包中包括信息和包处理命令；

从所述自组织网络的一个或多个同族节点接收包括信息和包处理命令的源节点数据包；

调节所述源节点的操作，使所述的自组织网络能够变为自组织、自配置和自修复的；和

用最少的延时和跳频计数，从所述源节点向所述目的节点重新传输数据包。

11. 如权利要求10中所述的方法，其中调节所述源节点的操作以使所述的自组织网络能够变为自组织、自配置和自修复的步骤还包括步骤：

为产生分形，同时以多种速率从第一同族节点向第二同族节点直接传输数字消息；

在第二同族节点接收所述分形，并接受达到理想接收信号质量的所述分形的最快部分；

从第二同族节点向第一同族节点传回一个“已接收到了”消息；和

从第一同族节点向第二同族节点按照等于达到理想接收信号质量的所述分形的最快部分的速率，传输数据包。

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