在网状网络中传输帧的方法、网状设备以及其网状网络

摘要

本发明涉及在网状网络中将帧从发送网状设备传输到接收网状设备的方法，包括：将在发送网状设备中接收的来自源网状设备的并意图用于目的地网状设备的帧存储在中继队列中，该源网状设备和目的地网状设备不同于发送设备；将由发送网状设备产生的帧存储在不同于所述中继队列的本地队列中；基于预定的调度策略，从中继队列或本地队列中选择帧；将所选的帧传输到接收网状设备。

说明书

技术领域

本发明涉及无线网状（mesh）网络（WMN），更具体地涉及在网状网络中传输帧的方法。

例如本发明与其中网状设备互连并且每个设备可以工作为用于转发从源网状设备接收的并意图用于目的地设备的帧的无线路由器的网络有关。

背景技术

在传统的无线网状网络中，网状设备具有进行几种类型的操作的能力：

-转发从源设备接收的并意图用于目的地设备的帧，

-消耗从源设备接收的并在设备的本地应用的操作序列期间使用的帧，以及

-它们可以在本地应用的操作序列期间产生帧。

这些操作并不相互彼此排除，这意味着运行在网状设备上的应用可以与网状设备接收并需要转发的帧同时地产生帧。

在WMN的大多数现有实现方式中，当要将两种类型的帧、即产生的帧和接收的帧传输到接收节点时，等同地处理这两种类型的帧。实际上，本地起源的帧和远程起源的帧被存储在相同的传输队列中，并且根据其出现的顺序被分类和传输。

但是，这两种起源的帧取决于其起源在到达传输队列之前不经历相同的损失。由本地应用产生的帧不经过传输介质，并且从而不经历任何帧损失。对于这些帧，仅在较低层缓冲器已满时才发生帧丢弃（dropping），这意味着，在大多数情况下，本地应用容易将其帧存储在本地传输队列中。

相反，来自另一网状设备的帧需要经过无线介质，这意味着它们不太可能成功地被存储在网状设备的传输队列中，因为它们在穿过介质期间可能经历了帧损失。因此，传输队列可能包含比接收的帧更多的产生的帧。

此外，无线介质上的传输率受限，而在网状设备上本地运行的应用可以以更高速率产生帧。从而，受限的到来通信量速率和从外部设备接收的帧的降低的接收成功概率两者增加了这些帧在发送网状设备处被丢弃的概率。

另外，如果p表示单个传输链接上的帧丢弃概率，则通过一连串n个等同并独立的链接的成功传输的概率是(1-p)ⁿ。因此，帧丢弃概率随每个另外的跃距（hop）而增加，这意味着，靠近预期目的地的设备的帧传输比将仍需要经过大量跃距的帧传输经历更佳的性能。

从而，看起来对两种类型的帧使用等同的对待的当前实现方式呈现的主要缺点在于，总是对本地起源的帧给予优先，因而导致多跃距传输的差的性能，并且还向位于网络中的不同位置中的用户提供不同质量的服务和整体性能。

发明内容

本发明的目标是提出用于在无线网状网络中传输帧的方法，克服上述的至少一些缺点。

更具体地，本发明的目标是提出用于向由发送网状设备接收的并且将被中继的帧提供优先级的几种调度机制。

本发明的另一目标是提供取决于帧在总传播路径中的位置的传输机制。

本发明的另一目标是提出用于在传输之前在发送网状设备中存储接收的帧的机制。

本发明的又一目标是提出能够应对包含不同类型数据的帧的方法。

为此，根据本发明的用于在网状网络中将帧从发送网状设备传输到接收网状设备的方法包括以下步骤：

-在发送网状设备中接收的来自源网状设备的并意图用于目的地网状设备的帧被存储在中继队列中，该源网状设备和目的地网状设备不同于发送设备，

-由发送网状设备产生的帧被存储在不同于所述中继队列的本地队列中，

-基于预定的调度策略，由包括在网状设备中的调度器从中继队列或本地队列中选择帧，

-将所选的帧传输到接收网状设备。

在本发明的意义内，队列是网状设备中的存储槽的集合，其中帧按照到达的顺序而被存储。这样的队列通常实现在硬件中，因此具有有限的尺寸。然后，在本发明的有利实施例中，网状设备包括几个队列，存储槽的总数受限于硬件限制，但是每个队列的尺寸可以变化。

贯穿本说明书，表述“本地队列”指示用于存储由网状设备中的本地应用产生的帧的队列，以及“中继队列”指示用于存储从网络的另一网状设备接收的并意图仅由发送网状设备转发的帧的队列。

使用这两种类型的队列使得能够在本发明中将本地起源的帧与远程起源的帧相区分，并且因此调度这些帧的传输以便克服传统系统的缺点，在传统系统中本地真通常被给定为优先于接收的帧。

在一个具体实施例中，选择帧的步骤包括：

-在中继队列和本地队列两者包含至少一个帧的情况下，以等于p的概率从中继队列中选择最旧帧，并以等于（1-p）的概率从本地队列中选择最旧帧，p是小于1的正数，

-在队列之一是空的情况下，从其他队列选择最旧帧。

以此方式，网状设备可以由用户通过初始地确定p的值来配置，在一个具体实施例中，该值被选择为等于1。

因此，这意味着在由网状设备传输的10个帧中，其中的10*p个将是被转发的帧，并且其中的10*（1-p）个将是由本地应用生成的。

在又一实施例中，预定调度策略考虑了中继队列中的帧已经经过的和/或仍需在网状网络中经过的跃距的数量。这样的特征使得能够保证具有高跃距计数的帧、即其传输几乎完成的帧具有被成功转发的高可能性。

在网状设备的某些架构中，如前所述，中继队列和本地队列被定义为每个包括至少一个存储槽的软件队列，并且存储槽可以被分配给一个队列或另一队列，因此得到不同队列的灵活的尺寸。

在此情况下，将帧存储在中继队列中的步骤包括，当中继队列的所有存储槽都被占据时：

-将本地队列的空闲存储槽分配给中继队列，并且如果所有本地队列都已满，

-丢弃本地队列中的帧，

-将释放的存储槽分配给中继队列，

-将帧存储在中继队列的空闲存储槽中。

此外，802.11标准定义了取决于当要区分传输的优先顺序时需要不同地被对待的数据类型的几个业务类别。在此观点下，在本发明的一个具体实施例中，网状设备分别包括中继队列的第一集合和本地队列的第二集合，以及其中接收的帧和产生的帧分别被存储在第一集合和第二集合的任意队列中，例如该存储取决于要存储的帧中包含的数据类型。

在此实施例的一些例子中，预定调度包括对于每个数据类型，以概率p_type从与该数据类型对应的中继队列中选择最旧帧，其中p_type是取决于类型的正数。

在另一例子中，预定调度策略使得在行中发送的单个数据类型的分组数量不超过预定数量。预定数量例如由网络的用户确定。

除了传统的网状设备，可以使用不同的队列架构来实施本发明。因此，在一个示例实施例中，中继队列和本地队列被置于网状网络的MAC层之上，以及其中传输步骤包括：

-将中继队列或本地队列的帧传送到网络的MAC层中的最终队列，以及

-将帧从该最终队列传输到另一网状设备。

本发明的另一方面涉及网状设备，其包括：

-用于接收来自源网状设备的、意图用于目的地网状设备的帧的部件，

-用于产生帧的部件，

-用于传输帧的部件，

-用于存储接收的帧的第一存储部件，

-用于存储产生的帧的第二存储部件，

-调度器，用于从第一存储部件和第二存储部件中选择要传输的帧。

本发明的又一方面涉及包括至少一个根据本发明的网状设备并实施根据本发明的传输方法的无线网状网络。

参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显然并将参考这些实施例加以阐述本发明的这些和其他方面。

附图说明

现在将参考附图通过例子更详细地描述本发明，附图中：

-图1是实现现有技术的传输方法的网状网络的例子。

-图2和3示出实施根据本发明的传输方法的网状设备中的存储部件的架构。

具体实施方式

图1示出包括发送网状设备3的无线网状网络。该设备需要传输不同类型的帧：

-从网状设备2接收的帧，以及

-由应用A、B和C本地产生的帧。

在从网状设备2接收的帧之中，其中一些需要仅由设备3中继，这意味着他们最终不意图用于此设备，而是用于目的地设备4。这些帧的源设备、即在其中产生它们的设备是设备2或设备1。因此，帧可以在设备1处产生并意图用于设备4，遵循多跃距传输路径。

如图1中可见，网状设备3在MAC层中包括用于存储要经由PHY层传输的帧的队列5。但是，这些队列不在来自网状设备2的帧和来自本地应用的帧之间相区分。

在存在不同队列（6、7和8）的情况下，它们仅用于区分数据类型、即语音数据、视频数据、背景数据，但不区分其起源是本地还是远程。因此，按照出现的顺序从队列5（或任何其他队列）中选取由PHY层传输的帧9，因此导致之前所述的所有缺点。

本发明提供了其中帧基于其起源被分到不同队列中的方法。例如使用如图2所示的网状设备实现这样的方法。

在这样的设备中，在MAC层之上引入另外的队列。这些队列被分成两组：中继队列的第一集合（SET1）和本地队列的第二集合（SET2）。这些集合的每个包括四个队列，用于取决于帧所包含的数据类型、即语音、视频、尽力而为（Best Effort）和背景而分开帧。但是，此数量的队列仅是示例性的，因为可以用任意数量的队列实现根据本发明的方法。

因此，假设图2上所示的设备替换了图1的设备3，根据本发明的方法将实施如下：

-取决于数据类型，从设备2接收的帧被存储在SET1的队列中‘

-也取决于数据类型，由应用A、B和C产生的帧被存储在SET2的队列中。

图2所示的网状设备还包括调度器10，其能够在本地产生的帧和需要被中继的帧之间区分。可以在每个数据类型内做出这样的区别。

由调度器10选择的帧然后被传送到位于MAC层内的队列。在这样的情况下，MAC层包括与在每个另外的队列集合中同样多的队列。然后，从与某类型的数据对应的队列发出的帧被传送到与同一类型数据对应的另一队列。在MAC层中还实现第二调度器11，用于确定最终要传输的帧。像传统系统中那样进行第二调度器中的选择，因为本发明涉及在接收的帧和产生的帧之间区分，这种区分已经在调度器10中进行。

为了选择要经由较低层传输的帧，调度器10可以实现不同的调度策略。那些策略可以分类为两个类别：与要传输的帧（由此是位于队列头部的帧）的优先顺序有关的策略；以及与到来的帧（由此是在队列尾部的帧）的存储有关的策略。

第一类型的优选顺序策略是基于中继帧要被传输的预定概率。在这样的策略中，当帧需要被传送时，调度器以等于p的概率从中继队列中选择最旧的帧，其中p是小于1的正数。在中继队列为空的情况下，调度器选择本地队列中的最旧帧。

如果存在几个中继队列和几个本地队列，则取决于帧中的数据类型，调度器对于一类型的数据以概率p_type从相应中继队列中选择最旧帧，其中p_type是小于1的正数，其取决于数据类型。

另一优先顺序策略是前者的具体实施例，其中概率p总是等于1。在此情况下，无论何时帧存在于中继队列中时，调度器选择这些帧用于传输。仅在中继队列为空时，调度器才允许传输本地应用产生的帧。

第二类型的策略涉及在队列中存储从另一网状设备接收的或者本地产生的到来的帧。实际上，由于资源限制，所实现的队列的尺寸受限，因此需要提供用于在所有队列都被填充时使用的策略。

在示例实施例中，队列在软件中实现，并且每个队列包括至少一个存储槽。在此情况下，存储槽可以被分配给一个队列或另一队列，各队列的总尺寸受限。然后，当所有队列都满时，需要实施帧丢弃策略以用于释放存储槽。

称为本地帧丢弃策略的第一丢弃策略如下起作用，当从外部设备接收到帧时：

-本地队列的空闲存储槽被分配给中继队列，

-如果所有本地队列也被填充，则从本地队列丢弃帧，并且释放的存储槽被分配给中继队列。在一个例子中，丢弃的帧是对应于与要存储的接收的帧相同的数据类型的本地队列中的最旧帧。

另一丢弃策略是基于对不同队列的优先级索引的分配。假设n表示在网络中区别的数据类型的数量，网状设备包括：用于存储由本地应用产生的帧的n个本地队列；以及用于从另一设备接收的并将被转发的帧的n个中继队列。因此网状设备包括总共2*n个队列。其每个被分配了优先级索引i_ptype,q，其中ptype是与该队列对应的数据类型的调度优先级，如本说明书中之前定义的，并且对于本地队列被设置在0，对于中继队列被设置在1。然后队列可以按照其优先级索引而被排序。当新的帧到达并且与其起源和数据类型对应的队列已满时，从队列i_ptype,q中丢掉帧的概率计算如下：

在更具体地适用于基于802.11的无线网状网络的基于概率索引的此丢弃策略的变型中，每个数据类型或每个类别具有由称为AIFSN和CWmin的值定义的访问无线介质的具体概率。在此情况下，从队列i_ptype,q中丢掉帧的概率是

其中S表示帧访问无线介质的所有最小等待间隔的总和，且

在图3所示的架构的另一例子中，不在MAC层之上而是直接在MAC层内引入另外的队列，作为对传统队列的替换。在这样的情况下，调度器12实施如结合图2所述的调度器10和11进行的所有操作。在这样的架构中，从本地队列或中继队列选择的帧直接被传输到接收设备。

如在本说明书中之前所述，在应对多跃距传输路径的现有传输方法中，帧丢弃的概率在任意另外的跃距处增加。为了平衡此现象以及在整个网络上提供等同的性能，在本发明的一些示例实施例中，在实施的不同策略中考虑到跃距计数。因此，例如，对于具有高跃距计数的帧、即其传输几乎完成的帧，帧丢弃概率降低，使得其被成功转发的可能性增加。例如通过考虑到帧已经经过的跃距的数量和/或帧在到达其最终目的地之前仍需在网络内经过的跃距的数量而进行这样的修改。

在此回忆在网状网络中，跃距对应于帧在两个相邻的网状设备之间的传输。

在本说明书和权利要求书中，在元素之前的措辞“一”不排除存在多个这样的元素。此外，措辞“包括”不排除除所列之外的其他元素或步骤的存在。

在权利要求中的括号中包括附图标记意图帮助理解并且不意图限制。

通过阅读本公开，其他修改对本领域技术人员将是显然的。这样的修改可能涉及无线网状网络的领域中已知的并且可以代替已经在在此所述的特征或除所述特征以外使用的其他特征。