用于無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合頻道及路由分配的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用和優(yōu)先權(quán)
[0002] 本申請要求于2012年5月17日提交的發(fā)明名稱為"Distributed化int化annel and Routing Assignment for Multimedia Wireless Mesh Networks"的美國臨時專利申 請No. 61/688, 573的優(yōu)先權(quán)及其權(quán)利，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明主題主要設(shè)及無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（WMN)，尤其設(shè)及考慮網(wǎng)絡(luò)通信量（traffic flow)為WMN作出聯(lián)合頻道及路由分配。
【背景技術(shù)】
[0004] WMN是一種由射頻節(jié)點組成的組織成網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。WMN通?？勺越M 織并且可自配置，還具有低成本、易部署和/或高可靠性等優(yōu)點。由于該些優(yōu)點，WMN可W 具有重要的商業(yè)應(yīng)用價值。例如，WMN可W被用作社區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)W向住戶提供寬帶因特網(wǎng) 接入。
[0005] 多射頻多頻道（MRMC)WMN是一種多跳通信網(wǎng)絡(luò)，其由可W在不同頻道上傳輸和/ 或接收數(shù)據(jù)的射頻節(jié)點（例如，IEEE 802. 11射頻節(jié)點）構(gòu)成。例如，在MRMC網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點 經(jīng)過不同的正交頻率頻道來與相鄰節(jié)點通信，從而同時傳輸和接收數(shù)據(jù)。因此，MRMC WMN能 夠比傳統(tǒng)單頻道單射頻WMN獲得高的系統(tǒng)吞吐量。所W，MRMC WMN在學術(shù)界和商業(yè)界都引 起了興趣。
[0006] MRMC WMN的吞吐量會被干擾顯著地影響。MRMC WMN中的頻道和路由分配會引起或 加劇該種干擾。不幸的是，解決路由和頻道分配的問題很復(fù)雜。因此，典型地，頻道和路由 分配被獨立地而非聯(lián)合地執(zhí)行。在一些路由的傳統(tǒng)方法中，通過多個跳點來路由源節(jié)點和 目標節(jié)點之間的路徑。很多路由算法采用最短路徑優(yōu)先方法來分配在源節(jié)點和目標節(jié)點之 間的路線。該些算法考慮跳點距離、期望的傳輸時間和/或期望的傳輸次數(shù)。還有其他方 法執(zhí)行獨立于路由分配的頻道分配，并隨后執(zhí)行聯(lián)合速率分配和多徑路由，該導致高復(fù)雜 度和計算效率的降低。不幸的是，其他算法忽視了通信流量負載（traffic load)在網(wǎng)絡(luò)干 擾上的影響或者不適于通信流量負載的變化。還有其他算法需要在節(jié)點間具有高精度的時 鐘同步。該些算法需要根據(jù)同步的時間時隙要求選擇路由和頻道，由于商品的成本原因，該 種要求經(jīng)常是不現(xiàn)實的。而且，大量算法受到集中式運算所限，并且不能擴展到分布式環(huán)境 中。因此，需要一種考慮了通信流量的低復(fù)雜度聯(lián)合頻道及路由分配的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。
【附圖說明】
[0007] 圖1是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的示例性非限制MRMC WMN的示意圖， 其中可W實施考慮了通信流量的聯(lián)合頻道和路由分配（CRAFT)。
[000引圖2是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用了聯(lián)合CRAFT的MRMC WMN中 干擾的示例性非限制示意圖。
[0009] 圖3是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用了聯(lián)合CRAFT的示例性非限制 鏈路干擾模型。
[0010] 圖4是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的可W執(zhí)行聯(lián)合CRAFT的在MRMC WMN 內(nèi)的示例性非限制節(jié)點的框圖。
[0011] 圖5、圖6、圖7、圖8、圖9和圖10是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的聯(lián)合 CRAFT系統(tǒng)的操作方法的示例性非限制流程圖。
[0012] 圖11是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的丟失率和每單位通信流量的關(guān)系的示例性 非限制曲線圖。
[0013] 圖12是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的累積百分比和丟失率的關(guān)系的示例性非限 制曲線圖。
[0014] 圖13是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的累積用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議扣D巧丟失率和節(jié)點數(shù) 量的關(guān)系的示例性非限制曲線圖。
[0015] 圖14是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的累積UDP丟失率和算法運作次數(shù)的關(guān)系的示 例性非限制曲線圖。
[0016] 圖15是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的平均端到端延時和每單位通信流量的關(guān)系 的示例性非限制曲線圖。
[0017] 圖16是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和路由的傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的總傳輸控制協(xié)議（TCP)吞吐量和每單 位通信流量的關(guān)系的示例性非限制曲線圖。
[001引圖17是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的累積分布和每單位流量的TCP吞吐量的關(guān)系 的示例性非限制曲線圖。
[0019] 圖18是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的UDP丟失率和通信流量數(shù)量的關(guān)系的示例性 非限制曲線圖。
[0020] 圖19是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的采用聯(lián)合CRAFT-TP、聯(lián)合 CRAFT-RD和傳統(tǒng)的路由和/或頻道分配方法的總TCP吞吐量和通信流量數(shù)量的關(guān)系的示例 性非限制曲線圖。
[0021] 圖20是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的可操作使用聯(lián)合CRAFT的示例性 非限制計算機框圖。
[0022] 圖21是根據(jù)本發(fā)明描述的一個或多個實施例的能夠使用聯(lián)合CRAFT的示例性電 子設(shè)備框圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面的詳細描述僅是說明性的，并無意限制本實施例、或其應(yīng)用及使用。此外，在 前面技術(shù)領(lǐng)域或【背景技術(shù)】部分、或在W下的【具體實施方式】部分提出的任何明示或暗示的理 論也并非旨在進行限制。
[0024] WMN已經(jīng)越來越多地用于承載具有流需求的多媒體通信。MRMC WMN的性能在很大 程度上依靠路由和頻道分配。因為路由和頻道決定是相互依存的，理想地，分配應(yīng)該被聯(lián)合 地優(yōu)化W獲得最好的性能。該就是所謂的路由及頻道分配（路由及頻道分配）問題，其被 認為是NP難度的。沒有在考慮了網(wǎng)絡(luò)中多媒體通信需求的聯(lián)合路由和頻道分配優(yōu)化上有 足夠的考量。
[0025] 由于前述的缺點，本發(fā)明描述了為ad-hoc網(wǎng)絡(luò)提出了聯(lián)合和分布式路由和頻道 分配的系統(tǒng)和方法。一個目標函數(shù)被設(shè)計為恰當?shù)孛枋鲇蒑RMC WMN中的通信流的干擾導致 的網(wǎng)絡(luò)吞吐量W合作地和分布地提高網(wǎng)絡(luò)性能。由此，目標函數(shù)的優(yōu)化可W達到MRMC WMN 的最大吞吐量。采用目標函數(shù)可分布的和合作的方法優(yōu)化路由和頻道分配。
[0026] 本發(fā)明描述的實施例包括為MRMC WMN使用聯(lián)合CRAFT的系統(tǒng)及其方法。為了優(yōu) 化的聯(lián)合CRAFT,可W只分布地使用MRMC WMN中的節(jié)點來執(zhí)行聯(lián)合CRAFT ;或者，在一些具 體實施例中，為了優(yōu)化的聯(lián)合CRAFT,可W集中地使用一個執(zhí)行計算并與MRMC WMN中的節(jié) 點通信信息的中央控制器來執(zhí)行聯(lián)合CRAFT。采用聯(lián)合CRAFT-TP和/或聯(lián)合CRAFT-RD，本 發(fā)明描述的一個或多個實施例能夠優(yōu)化聯(lián)合頻道及路由，該優(yōu)化通過由MRMC WMN內(nèi)的節(jié)點 之間的消息交換來持續(xù)改進聯(lián)合頻道及路由分配，直到貫穿網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的分配達到產(chǎn)生 優(yōu)化的目標函數(shù)的狀態(tài)。
[0027] 例如，在一些實施例中，一種方法包括通過具有處理器并位于具有多個節(jié)點的網(wǎng) 絡(luò)中的第一節(jié)點來為該第一節(jié)點決定所產(chǎn)生的聯(lián)合頻道及路由分配信息。產(chǎn)生的聯(lián)合頻道 及路由分配信息是至少基于與網(wǎng)絡(luò)中通信干擾影響的吞吐量相關(guān)的預(yù)定條件。該些實施 例中，節(jié)點考慮了受具有各種不同頻道及路由分配的通信流的干擾影響的吞吐量，并重復(fù) 更新所述聯(lián)合路由及頻道分配信息直到獲得吞吐量的最優(yōu)值。聯(lián)合CRAFT-TP和/或聯(lián)合 CRAFT-RD能夠被節(jié)點采用。選擇給定了網(wǎng)絡(luò)中的通信的最優(yōu)吞吐量相關(guān)的聯(lián)合路由和頻道 分配。該方法為分布式的解決方案，其利用在網(wǎng)絡(luò)中的一個或多個節(jié)點之間交換的信息，為 網(wǎng)絡(luò)生