СПОСОБЫ МЕЖКАНАЛЬНОЙ КОММУНИКАЦИИ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ Российский патент 2012 года по МПК H04W4/00 

ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение относится к использованию узлов посредников для межканальной коммуникации в многоканальных беспроводных сетях и связанных способах.

В связи с обещанием улучшенной эффективности использования спектра улучшенной производительности и низкой стоимости/сложности новые типы протоколов управления доступом к среде (MAC), обеспечивающие динамическое управление множеством частотных каналов, так называемые многоканальные (MC) MAC протоколы, привлекают возрастающее внимание. С этим новым поколением MAC протоколов также привносится ряд технических проблем. Например, главная проблема в этом типе сети состоит в определении для узла метода отправления пакета групповой коммуникации (например, многоадресная передача или широковещательная передача) всем его соседям, учитывая, что эти соседи могут быть настроены на разные каналы.

В частности, в радиосетях подвижного спектра (также известных как когнитивные радиосети) беспроводные узлы способны вовремя использовать время и частоту радиоспектра, которые в противном случае были бы назначены исключительно пользователям с более высоким приоритетом (так называемым «обладателям»). Эта технология открывает широчайшие возможности новым приложениям беспроводных сетей использовать широкий диапазон радиоспектра, в то же время сохраняя привилегии существующих лицензированных пользователей спектра. Очевидно, необходим эффективный MAC протокол, который может поддерживать многочисленные каналы, чтобы использовать имеющееся в избытке пространство радиоспектра, потенциально доступное для радиосетей подвижного спектра. Существующие MC MAC протоколы часто полагаются на одиночный, общий канал встречи, чтобы давать возможность узлам на многочисленных каналах обмениваться сообщениями управления сетью (в этом изобретении термин «управление» может относиться либо к данным, управлению или фактической управляющей информации, либо любой их комбинации). Однако этот подход с каналом встречи не применим к радиосетям подвижного спектра из-за вопроса масштабируемости и временной недоступности каналов вследствие обнаружения «обладателей».

В MC окружении существующие MC-MAC протоколы типично отслеживают соседей узла, используя некий вид кэша, хотя они могут не быть на одном и том же канале. При условии этого кэша узлы могут получать выгоду от использования многочисленных каналов, в то же время пользуясь возможностью соединения, которая в противном случае была бы доступна только с сетями с единственным каналом. Однако информацией, хранимой в кэше узла о других каналах, нужно управлять как в отношении предотвращения ее устаревания, так и поддержки ее обновленной, т.е. двух проблем в MC окружениях, требующих в настоящее время решения, а именно проблемы устаревшего кэша и проблемы обновления кэша.

Последнее, но не менее важное, необходим эффективный механизм коммуникации, чтобы узлы на разных каналах могли поддерживать и обмениваться информацией управления сетью без использования обозначенного канала встречи.

Настоящее изобретение обеспечивает множеству узлов на разных каналах механизм для обмена сетевой управляющей и параметрической информацией на каждом канале, которая переносится узлами-«посредниками» к узлам других каналов. Настоящее изобретение обеспечивает эффективное масштабирование размера многоканальной беспроводной сети и числа ее каналов и может быть использовано во множестве приложений в многоканальных беспроводных сетях.

Для решения задачи групповой коммуникации (GC) в MC беспроводных сетях обеспечены два механизма, а именно на основе источника и на основе посредника, которые не зависят ни от постоянного общего канала, ни от точной временной синхронизации. В действительности, каждый канал обрабатывается одинаково без особого статуса. Вдобавок, оба механизма являются полностью распределенными, могут применяться совместно и предлагают разные компромиссы. Все эти характеристики дают возможность этим механизмам работать с одиночным приемопередатчиком, работать на радиосетях подвижного спектра и быть масштабируемыми. Эти два механизма могут успешно поддерживать групповую коммуникацию в многоканальных беспроводных сетях, даже когда узлы располагают одиночным радиоприемопередатчиком.

Для управления кэшированной информацией, касающейся других узлов, настоящее изобретение обеспечивает решения, применяющие таймауты и порядковые номера к каждой из проблем устаревшего кэша и обновления кэша соответственно.

На фиг. 1 проиллюстрирован пример многоканальной системы согласно настоящему изобретению, имеющей количество каналов N i=5, и для каждого канала i, C(i)={(i+1) mod 5, (i+2) mod 5};

на фиг. 2 проиллюстрирован пример многоканальной системы согласно настоящему изобретению, имеющей количество каналов N=8 и где b=2, M=2;

на фиг. 3 проиллюстрированы характеристики подхода на основе посредника в сравнении с подходом на основе источника настоящего изобретения; и

на фиг. 4 проиллюстрировано устройство узла по настоящему изобретению.

Настоящее изобретение может быть легко понято специалистом в данной области техники, принимая во внимание нижеследующее подробное описание со ссылкой на прилагаемые чертежи, представленные лишь для иллюстративных целей. На чертежах один и тот же ссылочный символ обозначает тождественный компонент, чтобы устранять его избыточное описание.

В беспроводных сетях важная информация о статусе сети часто переносится в специальных управляющих пакетах, называемых «маяковые пакеты», которые обычно периодически передаются в широковещательном режиме узлами сети. Примеры информации, которую содержат эти маяковые пакеты, включают в себя идентификатор сети, перечень соседствующих узлов, таймер синхронизации, пропускную способность узлов и статус резервирования канала.

Передавая или прослушивая эти широковещательные маяковые пакеты, узлы сети могут выполнять несколько операций, имеющих отношение к управлению сетью, таких как синхронизация их таймеров, изучение и распространение статуса резервирования канала, обнаружение своих соседей и т.д. В беспроводных сетях с единственным каналом механизм передачи маяковых сигналов относительно прост: маяковые пакеты передаются узлами сети периодически в запланированные моменты времени, используя TDMA (резервирование интервала времени) или CSMA (случайный доступ на основе соперничества). Поскольку маяковые пакеты - это широковещательные пакеты, узлы сети в беспроводной сети с единственным каналом могут легко получать информацию управления сетью посредством прослушивания среды канала в течение определенного промежутка времени (например, кратного периоду маяка, в котором передаются маяковые пакеты).

Однако в многоканальных беспроводных сетях, где узлы сетей настроены на множество разных каналов, широковещательная передача маяковых сигналов во всю сеть становится сложной проблемой, так как маяковый пакет, переданный на одном канале, может не прослушиваться узлами на других каналах. Существующие многоканальные беспроводные MAC протоколы часто реагируют на эту проблему, применяя канал встречи, на котором все узлы в многоканальных сетях собираются в течение определенной длительности времени в определенное время. Однако этот подход с каналом встречи привносит узкое место в пропускную способность сети, когда количество узлов (следовательно, число широковещательных пакетов) велико, и также не подходит для концепции когнитивного радио, где доступность каналов изменяется со временем в зависимости от обнаружения «обладателей» с более высоким приоритетом.

Настоящее изобретение устраняет вышеупомянутое узкое место, которое существует в подходе с единственным каналом встречи, и позволяет узлам на разных каналах распространять и прослушивать широковещательную информацию. Для достижения этого вводится коммуникация с многократными переприемами между узлами на разных каналах, где коммуникация с многократными переприемами подвергается разделению между узлами в пространстве канала, а не в географическом пространстве. В этом механизме информация в широковещательных пакетах (например, маяковых пакетах) или пакетах данных (например, пакетах групповой коммуникации), передаваемых на одном канале, транслируется к узлам на других каналах одним из подходов: на основе источника или на основе посредника.

Первый примерный вариант осуществления - подход на основе посредника

В первом примерном варианте осуществления узлы отсылаются к другим каналам от имени других узлов в том же канале и называются «узлами-посредниками», и подход, названный подходом на основе посредника, описывается ниже.

а. Распределенный многоканальный механизм широковещания

Предположим, есть N каналов в многоканальной беспроводной сети, каждый из которых имеет, по меньшей мере, один узел, настроенный на него. Эти каналы проиндексированы 1, 2, …, N. Пусть S(i) обозначает набор узлов на канале i. Для каждого узла в S(i) канал i называется домашним каналом, а все другие каналы называются внешними каналами.

Во многих беспроводных технологиях (например, технологиях для LAN/PAN) время каждого канала типично разделено на повторяющиеся суперкадры, и в каждом суперкадре управляющая информация может совместно использоваться узлами в том же канале различными путями. Например, в IEEE 802.11 IBSS сетях, в каждом суперкадре один из участвующих узлов посылает широковещательный маяковый кадр, который содержит в себе существенную информацию о сети. В WiMedia UWB (ультраширокополосных) беспроводных сетях каждый узел отправляет широковещательный маяковый кадр в зарезервированном временном интервале во временном периоде, называемом маяковым периодом, в каждом суперкадре. Узлы могут также активно получать информацию управления сетью, рассылая некое сообщение запроса к другим узлам (например, IEEE 802.11 кадры зондирования запрос-отклик). Настоящее изобретение обеспечивает механизм, посредством которого узлы на разных каналах могут эффективно совместно использовать информацию управления сетью, не полагаясь на канал встречи. Механизм настоящего изобретения независим и может быть использован с любым конкретным выбором процедуры совместного использования сетевой информации.

Для каждого канала, использующего заданный метод выбора, по меньшей мере, один узел выбирается периодически в качестве узла-посредника, p(i), который отсылается к некоторому другому каналу(ам). Способ согласно настоящему изобретению для механизма межканальной коммуникации является таким, как изложено ниже.

1. Каждый канал i=l,..., N связан с набором других каналов, C(i), к которому узел-посредник p(i) канала (i) периодически отсылается. Связь между каналами может быть представлена графом G=(V, E), где V-набор каналов {1,..., N}, и направленное ребро вычерчивается из канала i в V к каждому каналу C(i) V. Назовем этот граф графом связей каналов, и пример проиллюстрирован на фиг. 1. Фиг. 1 иллюстрирует пример связи каналов, где количество каналов N равно 5, и для каждого канала i, C(i)={(i+1) mod 5, (i+2) mod 5}. Связь между каналами 101 и количеством других каналов в C(i) может быть определена произвольно, поскольку граф G связей каналов является связным. Ниже раскрыт механизм, который систематически определяет связь каналов так, что гарантируется, что граф связей будет связным.

2. Периодически узел p(i), выбранный в качестве узла-посредника на канале i, посещает внешние каналы в C(i). При посещении каждого канала j в C(i) узел p(i) принимает участие в процедуре совместного использования сетевой информации (например, передавая и принимая маяковые пакеты) канала j, чтобы получать информацию управления сетью о j и сообщать информацию управления сетью канала i узлам на канале j. Порядок каналов 101, в котором узел-посредник посещает каналы в C(i), может быть определен произвольно. Однако в зависимости от конкретной процедуры совместного использования сетевой информации и ее распределения по времени этот порядок посещения внешних каналов определяет время, которое требуется узлу-посреднику p(i), чтобы обойти каналы C(i) для получения/распространения управляющей информации. Поэтому узел-посредник предпочтительно посещает внешние каналы в порядке, который сводит к минимуму время внешнего обхода.

3. После посещения всех каналов в C(i) узел-посредник возвращается к своему домашнему каналу i и совместно использует информацию, которую он получил от каналов в C(i), с другими узлами на канале i, принимая участие в процедуре совместного использования сетевой информации на канале i. Все другие узлы на канале i записывают информацию, которую объявляет p(i), и совместно используют записанную информацию с другими узлами, в том числе узлами-посредниками из других каналов 101 до тех пор, пока следующий узел-посредник из канала i не обновит записанную информацию. Предпочтительно, эта информация хранится в локальном кэше каждым узлом канала i.

4. Когда узел-посредник возвращается к своему домашнему каналу, вышеупомянутые этапы 2 и 3 повторяются.

Поскольку связь между каналами 101 сделана таким образом, что граф G связей является связным, то информация, совместно используемая узлами на каждом канале, в конечном счет, распространяется к узлам во всех других каналах узлами-посредниками.

Количество внешних каналов, связанных с каждым каналом, влияет на время, которое требуется, чтобы информацию на каждом канале распространить ко всем другим каналам: чем больше набор C(i), тем быстрее широковещательная информация распространяется к другим каналам. С другой стороны, количество связанных внешних каналов влияет на служебные данные отсылки узлов-посредников к другим каналам: чем больше набор C(i), тем больше служебных данных переносится к узлам по причине ответственности за выполнение функций узла-посредника, и за проведение времени на каналах, отличных от их домашних каналов.

б. Распределенная связь каналов для межканальной коммуникации

В механизме межканальной коммуникации настоящего изобретения каждый канал в многоканальных беспроводных сетях связан с некоторыми другими каналами так, что информация управления сетью в каждом канале в конечном итоге распространяется к узлам во всех других каналах. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения новый систематический механизм гарантирует связность графа G связей каналов. Этот механизм также обеспечивает новый способ, который может приспосабливаться к требованиям приложений многоканальных беспроводных сетей посредством регулировки компромисса между служебным данными отсылки узлов-посредников и временем, которое требуется, чтобы распространить информацию управления сетью ко всем каналам.

При условии набора каналов {1,..., N} основное правило для связи каждого канала i с набором внешних каналов C(i):

C(i)={(i+b^k) mod N, k=0, 1,..., M},

где b - положительное целое число большее 1 и меньшее N, и M - целое число, которое больше или равно 0 и меньше log_bN. Фиг. 2 иллюстрирует пример графа связей каналов, созданного вышеописанным правилом связи, где количество каналов 101 N равно 8, b равно 2, и M равно 2.

Раскрытый выше механизм связи каналов может быть легко приспособлен к требованиям приложений многоканальных беспроводных сетей посредством регулировки параметров b и M. Чем меньше b или чем больше M, тем плотнее становится граф связей, т.е. информация на одном канале может быть быстрее распространена к другим каналам с затратами возросших служебных данных более частой отсылки узлов-посредников. Например, если приложение требует малого времени ожидания в обновлении широковещательной управляющей информации к узлам во всей сети, то можно выбрать малое b и большое M. С другой стороны, если требование приложения таково, что частота переключения каналов должна быть сведена к минимуму, тогда можно выбрать большое b и малое M ценой увеличения задержки в получении широковещательной управляющей информации на других каналах.

Поскольку узлы могут присоединяться или покидать беспроводную сеть, а также менять свои домашние каналы, и некоторые каналы могут становиться незанятыми, то механизму связи каналов нужно быть способным приспосабливаться к изменению занятости каналов узлами. При задании параметров b и M распределенный механизм связей каналов, основанный на вышеупомянутом правиле связи, является таким, как изложено ниже:

1. Вначале каждый узел на канале i задает связанные внешние каналы как C(i)={(i+b^k) mod N, k=0, 1,..., M}, и узел-посредник пытается посетить каналы в этом C(i).

2. Если узел-посредник из канала i обнаруживает, что какой-то канал j не занят каким-либо узлом, во время его обхода через каналы в C(i), он удаляет канал j из C(i). Он затем последовательно посещает каналы (j+1) mod N, (j+2) mod N,..., до тех пор, пока не найдет занятый канал j', в этом месте он включает канал j' в C(i).

3. Когда узел-посредник возвращается к своему домашнему каналу i, он информирует другие узлы в его домашнем канале об изменении в наборе C(i) связанных внешних каналов. Последующие узлы-посредники посещают внешние каналы в обновленном C(i). Если во время этого процесса последующие посредники находят, что данный канал k в C(i) больше не занят (т.е. по отсутствию любых маяковых передач от других узлов), они удаляют канал k из C(i).

4. Периодически узел-посредник пытается посещать первоначальный канал j, который должен быть связан основным правилом связи, но был удален на вышеупомянутом этапе 2, и каналы (j+1) mod N, (j+2) mod N,..., j'-1, чтобы найти занятый канал между каналами j и j'. Если найдено, что какой-либо канал j'' (j ≤j''<j') является не пустым (указанный наличием маяковых пакетов), то узел-посредник включает такой канал j'' в C(i). Посредник затем информирует другие узлы в его домашнем канале, когда он возвращается в домашний канал.

в. Подавление двойной межканальной информации

В зависимости от связности графа связей каналов может потребоваться несколько этапов для того, чтобы транслировать информацию к другим каналам узлами-посредниками. Кроме того, в графе связей каналов может быть много путей для того, чтобы информация прошла от одного канала к другому. Например, при условии связи каналов на фиг. 2 информация на канале 3 может быть транслирована прямо к узлам на канале 1 узлом-посредником канала 1, отсылаемого к каналу 3, или она может быть транслирована через два этапа от канала 3 к каналу 2 и, наконец, к каналу 1.

Чтобы подавлять двойную информацию, распространяемую по каналам через многочисленные пути (и, следовательно, чтобы сводить к минимуму служебные данные на узлах-посредниках), раскрыт следующий примерный способ (дополнительные подробности этого механизма предоставлены во втором примерном варианте осуществления ниже):

1. Когда узел объявляет новую управляющую информацию о статусе сети, он прикрепляет порядковый номер к информационному элементу в управляющем сообщение, которое он передает другим узлам. Этот порядковый номер увеличивается всякий раз, когда создается новая информация.

2. Когда узел (или узел-посредник, или обычный узел) принимает сообщение управления сетью от любого другого узла, он сравнивает порядковый номер каждого информационного элемента в сообщении с порядковым номером соответствующей информации того же типа, которую он принимал раньше. Если порядковый номер информационного элемента в принятом сообщении выше, тогда узел обновляет эту информацию информацией, содержащейся в принятом сообщении, и использует эту новую информацию в своих собственных объявлениях в будущем. В противном случае принимающий узел отвергает информацию, содержащуюся в принятом сообщении.

Первый примерный вариант осуществления обеспечивает основной компоновочный блок многоканальных MAC протоколов, который дает возможность узлам в многоканальных беспроводных сетях совместно использовать важную информацию о статусе сети, не требуя от них находиться на единственном канале встречи, таким образом, дополнительно способствуя увеличению пропускной способности сети. Настоящее изобретение может быть использовано во многих существенных операциях сети, таких как синхронизация тактового сигнала среди узлов на разных каналах, резервирование среды канала между парой узлов на разных каналах, обновление канальной информации резервирования канала к узлам на других каналах и т.д. Адаптивность в отношении служебных данных и чувствительности является еще одним дополнительным преимуществом настоящего изобретения, которое может быть использовано как для чувствительных к задержкам приложений, так и для тех, которые требуют небольшого количества служебных данных в управлении сетью.

г. Многоканальная тактовая синхронизация

В беспроводных локальных и персональных сетях синхронизация тактовых сигналов узлов является важным компонентным блоком для многих целей, таких как резервирование среды QoS трафика, энергосберегающие операции и т.д., и она часто достигается посредством периодической передачи маяковых пакетов в сетях с единственным каналом. Например, в IEEE 802.11 IBSS сетях узел, который передает маяковый кадр, добавляет временную метку его собственного тактового сигнала в маяковый пакет, и другие узлы корректируют значение таймера своих тактовых сигналов в соответствии со значением временной метки в принятом маяковом пакете. В WiMedia UWB сетях каждый узел передает маяковый кадр в назначенном временном интервале, и узлы корректируют свое значение таймеров посредством сопоставления ожидаемого времени приема маяковых пакетов других узлов с фактическим временем, в котором приняты маяковые пакеты от других узлов. Используя механизм межканальной коммуникации настоящего изобретения, синхронизация может быть достигнута среди узлов, распределенных по многочисленным каналам, как изложено ниже:

1. Узлы на одном и том же канале синхронизируют свои тактовые сигналы с помощью способа тактовой синхронизации, используемого для сетей с единственным каналом.

2. Периодически узел-посредник посещает другие каналы и получает информацию о смещении тактового сигнала для своего собственного тактового сигнала и тактового сигнала узлов на других каналах. Посредник затем сохраняет смещение своего собственного тактового сигнала относительно тактового сигнала самого медленного/быстрого узла из всех посещенных каналов.

3. Когда узел-посредник возвращается к своему домашнему каналу, если необходимо, он использует собранное смещение тактового сигнала, чтобы синхронизировать тактовый сигнал всех узлов на его домашнем канале с самым медленным/быстрым узлом из всех посещенных каналов.

4. Этапы 2 и 3 повторяются периодически.

Точность тактовой синхронизации между узлами на многочисленных каналах зависит от связности графа связей каналов, т.е. чем больше каналов узел-посредник из каждого канала посетит, тем точнее синхронизация, которая может быть достигнута с затратами большего количества служебных данных отсылки узла-посредника к другим каналам, и чем меньше каналов узел-посредник из каждого канала посетит, тем менее точна достигнутая синхронизация, хотя и с меньшим количеством служебных данных. Решение о том, как много каналов должно быть связано с каждым каналом, зависит от требований приложения.

Второй примерный вариант осуществления

Второй примерный вариант осуществления применяет подход на основе источника вместо подхода на основе посредника. На фиг. 3 сравниваются подходы на основе источника и на основе посредника к групповой коммуникации (GC) в многоканальных беспроводных сетях. Как показано на фиг. 3, способ на основе источника может работать либо в активном, либо в пассивном режиме, в то время как способ на основе посредника работает только в активном режиме.

Узел-источник - это узел, который создает информацию управления сетью, которая может быть передана как GC пакеты. Другими словами, это узел, который желает послать GC пакет своим соседям в многоканальной беспроводной сети (говоря техническим языком, узел, который принимает пакет из сетевого уровня). Узел-посредник, как раскрыто в первом примерном варианте осуществления выше, - это узел, который отсылается к другим каналам от имени других узлов на том же канале. То есть в многоканальной беспроводной сети узлы, принадлежащие конкретному каналу, могут выбирать ноль или более узлов-посредников, которые ответственны за посещение других каналов. Следует заметить, что в зависимости от опорной точки посредниками могут быть или внешние посредники, или домашние посредники по отношению к узлам данного канала. Внешний посредник к каналу A - это посредник, который выбран узлами некоторого другого канала B и который посещает канал A как часть его нормальной процедуры. С другой стороны, домашний посредник канала A - это посредник, который был избран узлами, принадлежащими самому каналу A.

При применении к контексту групповой коммуникации (GC) использование подхода на основе источника или на основе посредника обеспечивает интересные компромиссы, как описано ниже. Однако важно отметить, что в данной многоканальной сети эти подходы могут работать одновременно. Например, некоторые GC пакеты или даже целые GC потоки могут работать, используя подход на основе источника, в то время как другие одновременные GC пакеты или GC потоки могут работать, используя подход на основе посредника. Другими словами, характеристика на основе посредника или на основе источника может быть применена в одном и том же сценарии многоканальной сети.

Во втором примерном варианте осуществления, применяющем подход на основе источника, для осуществления функциональных возможностей групповой коммуникации (GC) нагрузка помещена на узел-источник. Как показано на фиг. 3, этот подход может работать либо в активном, либо в пассивном режиме в зависимости от того, переключает ли источник активно каналы, чтобы передавать GC пакеты.

В активном режиме узел-источник отвечает за распределение GC пакетов ко всем каналам многоканальной беспроводной сети. Источник должен передавать одинаковые пакеты на многочисленные каналы, чтобы гарантировать их доставку, что требует от источника переключать каналы для каждой передачи GC пакетов. В пассивном режиме, однако, подход на основе источника принимает другую форму. В пассивном режиме узел-источник не переключает каналы, а наоборот остается на своем собственном канале и удерживает в своем кэше любые GC пакеты, которые нужно передавать. Источник затем ожидает посредников, приходящих из других каналов, чтобы посетить его собственный канал, и передает все GC пакеты посреднику. Подход на основе источника в пассивном режиме полагается на существование посредников других каналов и на то, что эти посредники, в конце концов, посетят источник. Когда это происходит, источник передает все GC пакеты в его локальном кэше внешним узлам-посредникам. Внешний узел-посредник, в свою очередь, помещает в кэш все GC пакеты, которые он принимает, и повторно передает их на другие каналы, по мере того, как он посещает эти другие каналы. В результате посредники других каналов отвечают за переключение каналов и перераспределение GC пакетов.

Подход на основе источника в активном режиме предлагает преимущество низкого времени ожидания, так как сам узел-источник выполняет активную роль в переключении каналов и передаче GC пакетов. Если время ожидания не является проблемой, то схема на основе посредника может быть приемлемым решением. Принимая во внимание, что посредники будут в любом случае существовать, подход на основе посредника использует преимущество этого факта и использует таких посредников для поддержки групповой коммуникации (GC).

Подход на основе источника в пассивном режиме полагается на то, что внешние посредники осуществят функциональные возможности групповой коммуникации. Подход на основе посредника, раскрытый выше, использует в своих целях домашних посредников, то есть использует узлы-посредники, принадлежащие тому же каналу, что и источник GC пакетов.

Как указано на фиг. 3, подход на основе посредника работает только в активном режиме. В подходе на основе посредника источник GC пакетов может свободно передавать эти пакеты по своему собственному каналу. Домашний посредник (а также все другие узлы на канале) принимает эти GC пакеты и кэширует их внутренним образом в локальной памяти. Домашний посредник делает это для всех GC пакетов, принятых от других узлов в его собственном домашнем канале, пока он действует в качестве узла-посредника. Во время, когда посредник инициирует свое перемещение через внешние каналы, GC пакеты, кэшированные домашним посредником, повторно передаются по каждому посещенному внешнему каналу. Домашний посредник отвечает за рассеивание GC пакетов его домашнего канала через все другие каналы. Однако так как посреднику может понадобиться посещать внешние каналы для других целей, подход на основе посредника может совмещать на них функциональные возможности групповой коммуникации.

Как видно из вышеприведенных обсуждений, MC MAC протоколы дают возможность узлам в том же окружении обмениваться информацией одновременно в разных каналах, не мешая друг другу. Эта характеристика очень желательна, особенно в сценариях с высокой загрузкой и для чувствительного к качеству обслуживания (QoS) трафика.

Ключевой признак MC-MAC протоколов заключается в том, что каждый узел использует локальный кэш для хранения информации о других каналах, включая то, какие узлы на каких каналах находятся, резервирования, нагрузку, резервные каналы, связность и т.д. Существует ряд преимуществ для узла в том, чтобы хранить эту информацию локально в его кэше, в том числе быстрое обнаружение узлов, доступ к информации о связности, лучшее выравнивание нагрузки по сети, использование оптимизированных алгоритмов диспетчеризации, возможность осуществлять резервирования в многочисленных каналах и т.д.

С другой стороны, осуществление механизма кэширования узлом не тривиально. Во время работы узла может возникать ряд ситуаций, которые могут приводить к устареванию кэша или требованию обновления. Эти две ситуации соответственно определены как проблема устаревшего кэша (SCP) и проблема обновления кэша (CUP).

Проблема SCP имеет дело с периодом времени, в котором информация, хранимая в кэше узла, может считаться надежной. Например, допустим, что узел A, работающий на канале C1, знает о существовании (посредством своего кэша) другого узла B, работающего на канале C2. В этом сценарии информация, хранимая в кэше узла A, об узле B может устаревать очень быстро, если, например, узел B перемещается или меняет канал по причине «обладателя», занимающего его собственный канал. Поэтому необходима надлежащая политика кэша, чтобы удалять устаревшую информацию из локального кэша узла вследствие SCP.

Как предполагает ее название, проблема CUP возникает, когда нужно сравнивать две разные версии одной и той же части информации, и есть необходимость определять, какая «свежее» (или, как альтернатива, «новее»). В случае кэша узла узлу нужно сравнивать информацию, которую он принимает, с информацией, хранимой локально в его кэше, и определять, какая свежее. Только после такой проверки узел может безопасно хранить в своем кэше самую обновленную информацию. Как следствие, политика в отношении кэша необходима касательно того, чтобы связывать свежесть с передаваемой информацией, и отсюда принимать меры по поводу проблемы обновления кэша (CUP).

Варианты осуществления настоящего изобретения дополнительно обеспечивают две политики кэша (т.е. решения), чтобы принимать меры по поводу проблемы SCP и проблемы CUP. Решение для SCP основано на таймерах, связанных с каждой записью кэша, которые могут динамически настраиваться на основании восприятия узла, как часто изменяется окружение вокруг него. Для решения проблемы CUP предусмотрены порядковые номера (подобно рассмотрению пункта (в) первого примерного варианта осуществления), которые используются для связи понятия свежести с информацией, передаваемой узлам через эфир.

Простое и действенное решение проблемы SCP состоит в том, чтобы связывать таймеры с записями локального кэша узла. Эти таймеры устанавливаются на значение узлом для каждой релевантно записи кэша, и, следовательно, информация, сохраненная локально в записях кэша узла, потом очищается или становится недействительной по истечении срока таймера.

Поэтому, как только узел узнает об информации, касающейся других каналов, он также связывает таймер с каждой из этих порций информации. Разные типы информации могут потребовать разных значений таймаутов, которые должны быть установлены, поскольку некоторая информация более стабильна, чем другая. Также значения этих таймеров могут быть динамически настраиваемыми для адаптации к окружающей среде. Например, в MC сети, где узлы по большей части статичны, эти таймеры могут принимать большие значения, и поэтому узлу может требоваться больше времени, чтобы очищать информацию из его локального кэша. Наоборот, если узлы в сети движутся в быстром темпе или доступность канала также быстро меняется, эти таймеры могут принимать более краткосрочные значения, чтобы приспосабливаться к динамике сети.

В действительности, существующие протоколы, такие как WiMedia UWB MAC и протоколы маршрутизации, зачастую используют таймеры для очищения информации в кэше узлов. Однако это делается только для информации о собственном канале узла. То есть в существующей технологии ничего не делается для решения проблемы SCP в MC окружениях.

Для решения проблемы CUP настоящее изобретение вводит концепцию порядковых номеров (SNs). Говоря простым языком, порядковые номера используются, чтобы связывать «свежесть» с данной частью информации, к которой прикрепляется порядковый номер. По мере того как узлы передают информацию в беспроводной среде, они могут также связывать порядковый номер с этой информацией. Каждый узел поддерживает свой собственный порядковый номер, которому дается приращение (например, на один) узлом, например, каждый раз, когда он передает пакет, или каждый раз, когда он передает обновленную информацию, или каждый раз, когда он меняет канал и т.д. При использовании этой схемы, «свежесть» данной части информации определяется, как изложено ниже. Часть информации с порядковым номером A «свежее» другой версии такой же части информации с порядковым номером B, тогда и только тогда, когда A>B. Узел обновляет свое локальное состояние только для тех принятых частей информации, которые «свежее», чем те, которые он имеет в настоящее время. Это делается посредством порядковых номеров, которые способны связывать свежесть с разной информацией.

Чтобы осуществлять эту схему, от беспроводной системы требуются две вещи. Во-первых, каждую часть информации, которую требуется хранить локально в кэше узла, нужно связать с SN. Другими словами, структура кэша должна включать в состав поле SN. Во-вторых, использующийся MC-MAC протокол должен передавать вместе со своими пакетами SN для каждой части информации, где требуются обновления кэша и для которой необходима связь информации «свежести» (отметим, что SN могут быть связаны с множеством типов информации, и поэтому пакет может содержать множество SN). С SN, передаваемыми в пакетах, а также в кэше узлов проблема CUP может быть должным образом преодолена.

В заключение отметим, что ключевой аспект использования SN должен иметь дело с проблемой циклического возврата. К счастью, однако, существует ряд подходов, которые могут решать проблему циклического возврата SN. Один из них состоит в том, чтобы использовать очень большой SN и заставлять узел инициализировать SN с низким значением. Это потребовало бы много времени, чтобы SN осуществил циклический возврат, и, следовательно, сделало бы эту проблему незначительной. Другой подход заключается в том, чтобы реализовать в MC-MAC протоколе схемы, которые гарантируют (по умолчанию), что даже если происходит циклический возврат, он не скомпрометирует поведение протокола и не вызовет противоречивости кэша.

На фиг. 4 проиллюстрирован примерный вариант осуществления узла, имеющий модуль 400 информации управления сетью, содержащий собственный тактовый сигнал 404, механизм 402 посещения канала источника/посредника, включающий в себя, по меньшей мере, один компонент посещения, который обеспечивает, по меньшей мере, один механизм посещения канала на основе источника и, по меньшей мере, один механизм посещения канала на основе посредника; компонент поддержки CUP/SCP кэша, использующий порядковые номера и таймеры 403 для обновления и старения информации управления сетью, хранимой в локальной кэш-памяти 401 узла, и многоканальный модуль 405 синхронизации тактовых сигалов для синхронизации тактовых сигналов узлов домашнего канала с самым медленным/быстрым тактовым сигналом сети. Каждый узел на каждом канале 101 выполнен с возможностью включения в себя версии модуля 400 информации управления сетью, осуществляя тем самым межканальную коммуникацию информации управления сетью в многоканальной сети согласно настоящему изобретению и сохраняя кэш свежим и свободным от устаревшей информации, и для активного MC механизма на основе посредника, только приспосабливая к изменениям в связях узлов/каналов, подавляя двойную межканальную информацию и синхронизируя MC тактовые сигналы.

Хотя было проиллюстрировано и описано несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, специалисту в данной области техники будет ясно, что в этих вариантах осуществления могут быть сделаны изменения, не отступая от принципов и существа настоящего изобретения, объем которого определен в прилагаемых пунктах формулы изобретения и их эквивалентах.

Изобретение относится к области сетей беспроводной связи, а именно к использованию узлов посредников для межканальной коммуникации в многоканальных беспроводных сетях и связанных способах. Технический результат заключается в обеспечении множеству узлов на разных каналах механизма для обмена сетевой управляющей и параметрической информацией на каждом канале, которая переносится узлами-посредниками к узлам других каналов. Для этого устройство (400) сетевой информации, система (100) (200) и способ распределения сетевой информации в многоканальной (МС) беспроводной сети (100) (200) содержат модуль (400) сетевой информации, который осуществляет межканальную коммуникацию сетевой информации в многоканальной (МС) сети в соответствии с заранее заданной процедурой совместного использования сетевой информации и сохраняя собственный кэш (401) каждого узла обновленным и свободным от устаревшей информации, и только для его активной процедуры совместного использования на основе посредника, приспосабливая к изменениям в связях узел/канал, подавляя двойную межканальную информацию и синхронизируя собственные тактовые сигналы (404) каждого узла. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для распределения сетевой информации в многоканальной беспроводной сетевой коммуникационной системе (100) (200), содержащая:
набор из множества N каналов {i} (101), включающий в себя не пустое подмножество внешних каналов C(i) для каждого домашнего канала i набора {i} для каждого домашнего канала i набора каналов {i} (101), набор из, по меньшей мере, одного узла S(i), настроенный на канал i, при этом, по меньшей мере, один узел S(i) оснащен единственным приемопередатчиком; и
модуль (400) сетевой информации, постоянно находящийся в каждом узле и содержащий механизм (402) посещения каналов, сконфигурированный для распределения, для каждого канала i из набора множества N каналов {i} (101), текущей сетевой информации для набора из, по меньшей мере, одного узла S(i), настроенного на канал i, и, таким образом, для поддержания ее в локальном собственном хранилище (401) кэша, используя компонент (403) поддержки кэша, причем упомянутый механизм (402) посещения каналов содержит механизм на основе источника, основанный на узле-источнике, и механизм на основе посредника, основанный на узле-посреднике p(i),
причем узел-посредник p(i) является, по меньшей мере, одним узлом из наборов S(i), i=1,…,N, который сконфигурирован для периодического посещения каждого внешнего канала j из C(i), чтобы принимать участие в заранее заданной процедуре совместного использования сетевой информации с ним, а после этого с домашним каналом узла-посредника, а узел-источник является узлом s(i) сети канала i, который сконфигурирован для отправления сетевой информации к каждому узлу каждого канала из набора N каналов,
причем узел-посредник p(i) из S(i), сконфигурированный, чтобы принимать участие в заранее заданной процедуре совместного использования сетевой информации, содержит:
средство накопления для каждого посещенного канала j сетевой информации канала j и средство объявления накопленной сетевой информации всем узлам на канале j, при помощи чего узел-посредник p(i) также сконфигурирован для накапливания любой сетевой информации на основе источника от любого узла-источника s(j), тем самым совмещая функциональные возможности на основе источника с механизмом на основе посредника; и
при этом все узлы на канале j содержат средство для приема объявления от p(i), средство регистрации для регистрации объявления и средство совместного использования для совместного использования объявления с другими узлами беспроводной сети.

2. Система по п.1, в которой набор из, по меньшей мере, одного узла в S(i) сконфигурирован с возможностью выбора узла-посредника p(i).

3. Способ распределения сетевой информации в многоканальной беспроводной сетевой коммуникационной системе, имеющей набор из множества N каналов {i} (101), включающий в себя не пустое подмножество внешних каналов C(i) для каждого домашнего канала i из набора {i} и для каждого домашнего канала i из набора каналов {i} (101), набор из, по меньшей мере, одного узла S(i), оснащенного единственным приемопередатчиком, настроенным на канал i, содержащий этапы, на которых:
каждому упомянутому, по меньшей мере, одному узлу обеспечивают модуль (400) сетевой информации, который включает в себя механизм (402) посещения каналов, содержащий механизм на основе источника, основанный на узле-источнике, и механизм на основе посредника, основанный на узле-посреднике p(i), собственный тактовый сигнал (404), многоканальный модуль (405) синхронизации тактовых сигналов и кэшпамять (401);
для каждого канала из набора из множества N каналов {i} (101) распределяют, посредством механизма посещения каналов, текущую сетевую информацию для набора из, по меньшей мере, одного узла S(i), настроенного на канал i;
поддерживают в локальном собственном хранилище (401) кэша в упомянутом, по меньшей мере, одном узле упомянутую распределенную текущую сетевую информацию;
выбирают узел-посредник p(i) в качестве, по меньшей мере, одного узла из наборов S(i), i=1,…, N, который выполняет этапы
периодического посещения каждого внешнего канала j из C(i),
участия в заранее заданной процедуре совместного использования сетевой информации с каждым периодически посещаемым внешним каналом j из C(i),
затем участия в заранее заданной процедуре совместного использования сетевой информации с домашним каналом узла-посредника; и
определяют узел-источник в качестве сетевого узла s(i), который отправляет сетевую информацию каждому узлу из S(i) каждого канала i из набора N каналов {i};
причем заранее заданная процедура совместного использования сетевой информации, в которой принимает участие узел-посредник p(i) из S(i), содержит этапы:
выполнения, для каждого канала j, посещенного p(i), этапов:
накопления посредством p(i) сетевой информации канала j,
объявления посредством p(i) накопленной сетевой информации всем узлам на канале j, и
совмещения функциональных возможностей на основе источника с механизмом на основе посредника посредством накопления и объявления любой сетевой информации на основе источника от любого посещенного узла-источника s(j);
выполнения, для всех узлов на канале j, которые принимают объявление от p(i), этапов:
регистрации объявления в собственном кэше (401) и
совместного использования объявления с другими узлами беспроводной сети.

4. Способ по п.3, дополнительно содержащий этапы, на которых:
используя упомянутый компонент (403) поддержки кэша последовательно нумеруют порядковыми номерами каждую объявленную сетевую информацию;
используя компонент (403) поддержки кэша, каждый узел дополнительно сохраняет в собственном кэше (401) узла полученную сетевую информацию, занумерованную порядковым номером и объявленную в переданном сетевом сообщении;
сравнивают порядковый номер вновь принятого сообщения с порядковым номером любого уже принятого сетевого сообщения;
когда порядковый номер вновь принятого сетевого сообщения выше, сетевая информация вновь принятого сообщения, удерживающая вновь принятое сообщение в качестве самой «свежей» версии сетевой информации, сохраняется в собственном кэше, при этом избегаются как проблема обновления кэша (CUP), так и сохранение дублирующей информации в кэше;
используя компонент (403) поддержки кэша, связывают таймер, который связан с каждым сетевым сообщением, когда оно сохраняется в собственном кэше; и
когда у таймера связанного сетевого сообщения истекает срок, используют компонент (403) поддержки кэша, чтобы выполнять этап, выбранный из группы, состоящей из очищения сетевой информации с истекшим сроком из собственного кэша (401) и комментирования как недействительной сетевой информации с истекшим сроком в собственном кэше, при этом избегается проблема устаревшего кэша (SCP).

5. Способ по п.3, дополнительно содержащий этапы, на которых узел-посредник p(i) из S(i), используя механизм (402) посещения каналов, выполняет этапы:
посещения сначала внешних каналов из C(i) в заранее определенном порядке, который сводит к минимуму время обхода всех внешних каналов, и
посещения последним домашнего канала узла-посредника p(i), чтобы объявить накопленную сетевую информацию всех посещенных внешних каналов и получить и обновить сетевую информацию домашнего канала в собственном кэше узла-посредника p(i).

6. Способ по п.5, в котором заранее заданная процедура совместного использования сетевой информации содержит передачу и прием маяковых сигналов, которые включают в себя упомянутую полученную и объявленную сетевую информацию.

7. Способ по п.6, в котором набор внешних каналов C(i) определяется по правилу:
C(i)={(i+b^k) mod N, k=0, 1,…, M},
где b - положительное целое число больше 1 и меньше N, а М - целое число, которое больше или равно 0 и меньше log_bN.

8. Способ по п.7, в котором, когда узел-посредник p(i) посещает внешний канал j из C(i), a j является пустым, узел-посредник:
удаляет j из C(i) и ищет каналы (j+1) mod N, Q+2) mod N,…, до тех пор, пока p(i) не найдет занятый канал j', и тогда p(i) включает канал j' в C(i) и информирует другие узлы, настроенные на домашний канал p(i), об этом изменении; и после этого
когда узел-посредник p(i) посещает внешние каналы в обновленном C(i), и данный канал k в C(i) больше не является занятым каналом, k удаляется посредством p(i) из C(i), и
периодически узел-посредник p(i) пытается посещать канал j'' (j'≤j''<j'), и любой найденный непустой канал j'' включается в C(i) и объявляется, по меньшей мере, одному узлу S(i) домашнего канала.

9. Способ по п.8, в котором:
объявление представляет собой переданное сетевое сообщение, которое включает в себя информационный элемент (IE), имеющий порядковый номер, присвоенный одним из узлов i в S(i), причем упомянутое сообщение передается всем узлам на канале j, причем порядковому номеру дается приращение узлом i каждый раз, когда с его помощью накапливается новая сетевая информация;
каждый узел дополнительно хранит в собственном кэше (401) узла полученную сетевую информацию, занумерованную порядковым номером и объявленную в переданном сетевом сообщении;
узел, вновь принимающий сетевое сообщение, использует компонент (403) поддержки кэша, чтобы сравнивать порядковый номер вновь принятого сообщения с порядковым номером любого сетевого сообщения, уже принятого узлом, и хранимого в собственном кэше (401), и, когда порядковый номер вновь принятого сетевого сообщения выше, узел обновляет собственный кэш (401) узла сетевой информацией вновь принятого сообщения и удерживает порядковый номер вновь принятого сообщения для сравнения с порядковым номером будущего принятого сетевого сообщения, причем самая «свежая» версия сетевой информации хранится в собственном кэше, тем самым избегаются проблема обновления кэша (CUP) и сохранения дублирующей информации в кэше; и
таймер связывается с каждым сетевым сообщение, используя компонент (403) поддержки кэша, когда оно хранится в собственном кэше (401), и, когда у таймера истекает срок, связанное сетевое сообщение либо очищается из собственного кэша, либо комментируется как недействительное в собственном кэше, тем самым избегая проблему устаревшего кэша (SCP).

10. Устройство (400) сетевой информации для распределения сетевой информации в многоканальной (МС) беспроводной сети (100) (200), содержащее модуль (400) сетевой информации, который выполняет способ по п.3, тем самым осуществляет межканальную коммуникацию сетевой информации в многоканальной сети и сохраняет свой кэш обновленным и свободным от устаревшей информации и, только для своего активного многоканального (МС) механизма совместного использования на основе посредника адаптируется к изменениям в ассоциациях узел/канал, подавляет дублирующую межканальную информацию и синхронизирует многоканальные (МС) тактовые сигналы.