具備服務質量能力的移動自組織網絡設備的製作方法

2023-05-06 17:13:56 1

專利名稱：具備服務質量能力的移動自組織網絡設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信網絡，並且特別涉及具備QoS能力的移動ad-hoc(自組織)網絡設備。
背景技術：
在ad-hoc網絡領域中存在大量的工業研究和開發。術語「ad-hoc」(或者「自發的(spontaneous)」)應用於不需要系統管理就能在線(on-the-fly)形成及變形的網絡。由於在網絡中不需要固定的基站、電纜或者路由器，因此ad-hoc網絡實質上是無基礎設施的網絡。例如，Ad-hoc網絡技術可以允許人們來到會議室，並使周紅外線傳輸或者射頻(RF)無線信號以使他們的筆記本電腦或者PDA(個人數字助理)與其他與會者連接到具有共享數據和列印資源的本地網絡。在另一個應用中，用戶的ad-hoc設備可以和家庭無線設備進行通信，以進行開門、開燈和啟動家庭音頻和視頻設備單元、調整加熱和製冷設置等等。
Ad-hoc網絡可以是移動的、獨立的，或/和與例如廣域網或網際網路的其它網絡聯網。移動ad-hoc網絡是通過無線鏈路連接的、移動路由器的自配置網絡。移動ad-hoc設備能夠檢測其它ad-hoc設備的存在，與其它設備建立通信鏈路，並且傳送例如分組化的數字數據的信息。由於設備是任意移動的，因此網絡拓撲也快速且無法預測地改變，以便設備在時間上(信息可能在某些節點是過時的但在其它節點是當前的)和空間上(節點僅知道其鄰近節點中的網絡拓撲)都經常有不同的網絡觀察(view)。
由於缺少固定的基礎設施，節點在其移動，加入或者離開網絡時必須自組織並且重新配置。所有節點可能具有同樣的功能並且在網絡中沒有任何自然的層次或中央控制器；許多網絡控制功能在節點之間被分配。節點通常由電池供電並且具有有限的通信和計算能力。系統的帶寬通常也是有限的。兩個節點之間的距離通常超過無線傳輸範圍，並且傳輸在到達目的地之前必須由其它節點來中繼(多跳(multihop)技術)。
移動ad hoc網絡中的服務質量(QoS)路由引起了關注。為了提供QoS，協議不僅需要找到路由而且還要沿著路由獲得資源。由於網絡有限的共享帶寬，並且缺少能夠解決和控制這些有限資源的中央控制器，節點因而必須互相協商以管理QoS路由所需的資源。這由於頻繁改變拓撲而變得更加複雜。由於這些限制，與最佳努力(best effort)路由相比更需要QoS路由。
由於商家發現無線通信能提供增強的生產力以及提高的移動性，因此期望將來顯著增加無線LAN的使用。移動ad-hoc網絡的新應用將繼續出現並且成為通信結構的重要部分。部分地由於其在設備中的逐漸增加的使用，一個非常重要的無線網絡協議是IEEE 802.11，所述設備例如是掌上型電腦、個人數字助理(PDA)、膝上型電腦和網際網路行動電話。網際網路工程工作小組(IETF)的移動ad-hoc網絡(MANET)工作組積極地評估並且標準化路由，包括多播和協議。
雖然802.11提供了無線數據傳送的可靠方式，但是802.11標準不支持其MAC層中QoS業務傳送。存在802.11e工作小組(TGe，Task Group e)聯合提議以支持QoS增強。支持具有包括優先級、數據速率、延遲範圍和抖動範圍的QoS參數值的虛擬流。該提議使用具有預約請求過程序以請求新的帶寬分配的點協調器(PC，point coordinator)功能。使用了幾個新的數據和管理幀。包括新的確認策略、直接站對站傳送、基本服務集合(BSS，basic service set)重疊管理和動態無線中繼器功能。然而，這個提議需要修改現有的802.11標準，並且可能不支持合法的802.11設備或者不被合法的802.11設備支持。
現有技術以路由和信令問題為中心，而不是數據路徑問題。在移動ad-hoc網絡中不存在對於QoS問題的已知解決方案，並且由於行動網路的使用增加而需要解決這個問題。本發明涉及一種低成本的移動ad-hoc網絡設備，其在通信範圍內、在一組行動裝置中提供分數式IP路由網絡，並且能提供用於語音、視頻和數據應用的QoS。基礎技術也能被應用於低成本簡單設備的大規模固定IP網絡。

發明內容
本發明的目的是提供具備服務質量(QoS)能力的移動ad-hoc網絡設備，該設備能完全或者部分地減輕現有技術移動ad-hoc網絡設備的缺陷。
本發明另一個目的是提供一種低成本移動ad-hoc網絡設備，其能夠在通信範圍內、在一組行動裝置中實現分散式IP路由網絡，並且能提供用於語音、視頻和數據應用的QoS。基礎技術也可以被應用於低成本簡單設備的大規模固定IP網絡。
因此，本發明提供一種具備QoS能力的設備，用於ad-hoc網絡上的連接、在網絡數據路徑級別實現QOS，該設備包括用於當對每個PDU加標籤時計算針對每個PDU的下一跳(hop)的裝置；用於將標籤映射到各個源設備的裝置；用於根據各個源設備調度PDU的傳輸並且利用調度模型確定PDU的傳輸順序的裝置；和用於控制及管理具備QoS能力的設備的操作以在源設備之間實現網路帶寬的公平分配的處理裝置。
根據本發明的另一個方面，提供了一種用於在ad-hoc網絡的網絡路由器處對協議數據單元(PDU)安全地提供基於服務質量(QoS)的調度的方法。該方法包括下列步驟a)當對每個PDU加標籤時計算針對每個PDU的下一跳；b)將所述標籤映射到各個源設備；c)根據所述各個源設備對所述PDU進行排隊，並且利用調度模型來確定所述PDU的傳輸順序；和d)控制來自網絡路由器的PDU的傳輸以在所述源設備之間實現網絡帶寬的公平分配。
此外，本發明提供一種用於在通信網絡中對來自源設備的分組數據流提供基於服務質量(QoS)的調度的系統，該系統包括多個隊列，每個隊列對應於某個QoS級別並且用於相應地對分組進行排隊；用於調度被排隊的分組的加權公平隊列(WFQ)調度器(scheduler)；用於基於每個分組來產生標籤並對分組加標籤的裝置，其中，每個標籤唯一地標識源設備；用於根據用於每個標籤的各個隨機函數來將標籤映射到隊列的裝置；和用於根據所述映射來將分組發送到隊列的裝置。
有利地，由於在所有設備之間所分配的公平性，因此根據本發明的解決方案有足夠的回彈力來阻擋惡意的設備。由於隊列結構，濫用網絡的單個設備將通過其鄰近設備而被控制帶寬。濫用的節點不知道鄰近設備的隨機函數，並因此不能預先計算目的隊列從而濫用網絡。
同樣，這個解決方案在網絡數據路徑級別提供QoS；因此其沒有遭受惡意的或有故障的設備，由於設計或者故障的原因，所述設備沒有正確地參與路由和管理功能。
此外，即使在每個節點或多個節點離開網絡或者周期性地產生故障的情況下，這個解決方案也有足夠的回彈力來經受快速改變的網絡。這對於軍用移動通信是很重要的，這是因為許多設備可能被破壞並且網絡必須儘可能久地保持可操作。這對於低功率移動無線來說是很重要的，這是因為節點為了節約電池消耗量可能進入和離開網絡。
所述解決方案的另一個優點在於邏輯上相當簡單並能夠在單個低功率集成電路上被實現。


如同附圖中所說明的，根據下面對優選實施例的具體描述，本發明的前述和其它目的、特徵和優點將變得明顯，其中圖1a示出了移動ad-hoc網絡的例子；圖1b示出了現有技術移動ad-hoc路由器；和圖2說明了根據本發明的實施例的具備QoS能力的移動ad-hoc路由器。
具體實施例方式
圖1a說明了建立在行動裝置D1-D4之間的移動ad-hoc網絡的例子。在這個例子中，設備D1-D4是移動ad-hoc路由器，其能夠使用某種分組路由方法來自動識別其它兼容的ad-hoc無線設備的存在並與其進行通信。加入網絡的每個附加設備也能發送和接收信號。儘管在這種類型的網絡中維持秩序看上去十分困難，但是用於在每個設備發送業務的算法是容易地可用的。例如，一個機制是選出一個設備作為網絡的基站或者主站，而其它設備作為「從站」。在ad-hoc網絡結構中的另一個算法是對所有其它節點使用廣播和擴散方法來建立網絡中所有節點的身份。
雖然圖1a示出的設備是移動的且通過無線鏈路1-4進行通信，但是有線設備也可以與ad-hoc網絡(未示出)臨時連接。通常，ad-hoc網絡能利用固定接入點(AP)與陸上線路或者無線/蜂窩網絡進行通信。通過實現與其它網絡的有線/無線節點進行通信，這種類型的結構擴展了提供給用戶的服務。例如，圖1示出了基站50，其利用無線LAN 100來連接移動ad-hoc網絡，以使得行動裝置D1-D4能夠與所述LAN的用戶進行通信或者接入到網際網路。如果服務區域交疊，則在無線LAN之間可能發生切換。這種結構與蜂窩網絡使用的結構很相似。應當指出，基站50對於ad-hoc網絡的操作而言不是必需的。
圖1b說明了用在當前ad-hoc網絡中的設備的框圖，稱為設備D1。每個設備包括收發信機裝置以使用戶能夠接收和發送信號。例如，如果設備D1是移動路由器則接收機11可以是無線接收機，或者如果設備D1是有線路由器則接收器11是有線接收機。類似地，所述收發信機包括無線或者有線發射機19。接收機11利用標準技術來收集和解碼來自有線或者無線接口的數據。同樣，發射機19收集和編碼數據用於在有線或者無線接口上進行傳輸。
路由器10提供移動ad-hoc網絡的標準IP數據路徑和路由功能。IP數據路徑/路由13提供例如分組下一跳計算的功能性，並且控制/管理處理14提供路由查詢表信息的信令及維護。
例如，本地應用單元12可以由模擬到數字語音功能、TCP/UDP和較高的應用和/或視頻數位化來組成。
如上面所指出的，用於無線區域網(WLAN)並且用在移動ad-hoc網絡中的IEEE標準802.11(1999)不支持MAC層中的QoS業務傳送。也就是說，關於多媒體通信特別需要不同的服務質量QoS。為了提供QoS業務傳送，應該根據其特性來正確控制傳輸路由。圖2說明了根據本發明的實施例的具備QoS能力的移動ad-hoc路由器。
圖2的具備QoS能力的移動ad-hoc網絡設備40包括無線/有線接收機11和無線/有線發射機19，其具有與圖1B的設備D1相似的功能性。同樣，設備40包括用於實現模擬到數字語音功能的本地應用單元12、TCP/UDP和較高的應用和/或視頻數位化。
這裡用30表示的路由部分包括IP數據路徑/路由20、控制/管理處理單元28、隨機函數發生器22和調度器31。
IP數據路徑和路由功能20除了其計算每個分組的標籤以外還提供移動ad-hoc網絡的標準IP數據路徑和路由功能，所述標籤唯一地標識網絡中的分組的源設備。這通過標籤產生器21來示出。隨機函數發生器22使用這些標籤來將分組從所述設備發送到多個隊列Q1-QN的隊列Qi，以便來自源設備的所有分組如標籤所指示的那樣進入同一隊列26...27。
然後，為了更加安全，隨機函數發生器22以不被源設備檢測到的方式將分組發送到適當的隊列。為此，採用了在通電時計算隨機映射函數的映射函數塊24。此外，當設備工作時，如定時器23所示，所述隨機函數發生器周期性地重新計算該函數。
隨後，利用WFQ調度器16將隊列26、27移出隊列，其可以如以前那樣基於標準技術。可選地，簡化的低成本實現可以被用於調度器16。
如以前那樣，所述控制/管理處理28是移動ad-hoc網絡所需要的標準單元，用於路由和設備管理。在圖2所示的本發明的實施例中，為單元28提供這樣的能力通過標籤來監控和改變隨機函數發生器函數25從而控制被分配給不同的服務類別的帶寬量。這通常由帶寬分配器單元29示出，該帶寬分配器單元從標籤產生塊21接收標籤並相應地修改隨機函數發生器函數25。
總而言之，根據本發明的設備40結合使用標籤產生器21、隨機函數發生器22、隊列26、27和調度器31來實現整個網絡的QoS。這種機制為每個節點提供了公平訪問網絡資源的能力，而不能濫用網絡，這是由於源節點不能預先確定其在每個節點將從哪個隊列而被服務。可以通過應用和管理層來實現節點QoS，所述應用和管理層控制哪個分組去往哪個隊列，以及如何就每個服務類別對WFQ調度器進行加權。
權利要求
1.一種用於通過自組織(ad-hoc)網絡進行連接、用於在網絡數據路徑級別實現服務質量(QoS)的具備服務質量能力的設備，該設備包括用於當對每個協議數據單元(PDU)加標籤時計算針對每個協議數據單元的下一跳的裝置；用於將所述標籤映射到各個源設備的裝置；用於根據所述各個源設備來調度所述協議數據單元的傳輸並且利用調度模型來確定該協議數據單元的傳輸順序的裝置；和用於控制和管理所述具備服務質量能力的設備的操作以在所述源設備之間實現網絡帶寬的公平分配的處理裝置。
2.根據權利要求1的具備服務質量能力的設備，其中，所述用於計算的裝置包括用於基於各個目的設備的地址在輸出埠上針對每個協議數據單元進行標識的路由裝置；用於為每個協議數據單元產生標籤的標籤產生器，該標籤唯一地標識產生每個協議數據單元的所述各個源設備。
3.根據權利要求1的具備服務質量能力的設備，其中，所述用於調度的裝置包括多個服務質量隊列、特定的隊列，所述特定的隊列唯一地包括到達所述具備服務質量能力的設備的來自同一源設備的協議數據單元；和調度器，其用於利用調度模型來確定所述協議數據單元的傳輸順序，以針對每個源設備實現指定的服務質量。
4.根據權利要求3的具備服務質量能力的設備，其中，所述調度模型基於加權公平隊列(WFQ)方案。
5.根據權利要求3的具備服務質量能力的設備，其中，所述用於映射的裝置包括用於計算隨機映射函數以禁止惡意源設備濫用網絡的隨機函數發生器；和用於將所述標籤映射到所述各個源設備的映射函數塊。
6.根據權利要求3的具備服務質量能力的設備，其中，所述用於映射的裝置還包括定時器，該定時器用於在預設的時間間隔上觸發所述隨機映射函數的改變。
7.根據權利要求3的具備服務質量能力的設備，其中，所述處理裝置包括帶寬分配器，該帶寬分配器用於將某個帶寬關聯到每個標籤，以基於所述各個標籤來控制關聯於所述各個源設備的服務質量。
8.根據權利要求1的具備服務質量能力的設備，還包括收發信機，該收發信機用於接收來自所述各個源設備的協議數據單元，並且將所述協議數據單元傳輸到所述自組織網絡中的目的設備。
9.根據權利要求1的具備服務質量能力的設備，其中，所述自組織網絡是移動自組織網絡並且所述收發信機是無線收發信機。
10.一種用於在自組織網絡的網絡路由器處對協議數據單元安全地提供基於服務質量(QoS)的調度的方法，該方法包括下列步驟a)當對每個協議數據單元加標籤時計算針對每個協議數據單元的下一跳；b)將所述標籤映射到各個源設備；c)根據所述各個源設備對所述協議數據單元進行排隊，並且利用調度模型來確定該協議數據單元的傳輸順序；並且d)控制來自網絡的所述協議數據單元的傳輸，以在所述源設備之間實現網絡帶寬的公平分配。
11.根據權利要求10的方法，其中，步驟a)包括基於各個目的設備的地址，針對每個協議數據單元在輸出埠上進行標識；為每個協議數據元產生標籤，該標籤唯一地標識產生每個協議數據單元的所述各個源設備。
12.根據權利要求10的方法，其中步驟c)包括提供多個服務質量隊列、特定的隊列，所述特定的隊列唯一地包括到達所述具備服務質量能力的設備的來自同一源設備的協議數據單元；並且利用調度模型來確定所述協議數據單元的傳輸順序，以針對每個源設備實現指定的服務質量。
13.根據權利要求12的方法，其中，所述調度模型基於加權公平隊列(WFQ)方案。
14.根據權利要求12的方法，其中步驟b)包括計算隨機映射函數以禁止惡意源設備濫用網絡；並且將所述標籤映射到所述各個源設備。
15.根據權利要求12的方法，其中，步驟b)還包括在預設的時間間隔上觸發所述隨機映射函數的改變。
16.根據權利要求12的方法，其中，步驟d)包括將某個帶寬關聯到每個標籤，以基於所述各個標籤來控制關聯於所述各個源設備的服務質量。
17.一種用於在通信網絡中對來自源設備的分組數據流提供基於服務質量(QoS)的調度的系統，該系統包括多個隊列，每個隊列都對應於某個服務質量級別並且用於相應地對分組進行排隊；用於調度被排隊的分組的加權公平隊列(WFQ)調度器；用於基於每個分組產生標籤並且對分組加標籤的裝置，其中，每個標籤唯一地標識源設備；用於根據針對每個標籤的各個隨機函數來將標籤映射到隊列的裝置；和用於根據所述映射來向隊列發送分組的裝置。
全文摘要
ad－hoc路由器在一組網絡設備中實現了分散式IP路由網絡，並且能提供針對語音、視頻和數據應用的服務質量。Ad－hoc路由器被分為接收、控制/管理處理、IP數據路徑/路由、隨機函數發生器、調度器和傳輸塊。IP數據路徑/路由塊除標準數據路徑路由功能之外還就每個分組提供標籤，該標籤唯一地標識網絡中的分組的源設備。調度器維護多個QoS隊列，然後利用WFQ調度器將該多個QoS隊列移出隊列，這可以基於標準技術或是簡單化的低成本實現。隨機函數發生器使用標籤將分組發送到隊列，以便由該標籤指示的來自源設備的所有分組進入同一隊列。為了更安全，隨機函數發生器使用被周期性重新計算的隨機映射函數。
文檔編號H04L12/28GK1750515SQ20051011321
公開日2006年3月22日 申請日期2005年9月15日 優先權日2004年9月15日
發明者B·麥克布賴德 申請人:阿爾卡特公司