專利名稱：在無線網(wǎng)絡(luò)中使用扇區(qū)化天線的拓?fù)淇刂频姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明更具體地涉及ー種在無線網(wǎng)絡(luò)中使用扇區(qū)化天線的拓?fù)淇刂品椒ā?
背景技術(shù)：
近來，無線(蜂窩式、802. 11無線LAN等)網(wǎng)絡(luò)由于潛在的高數(shù)據(jù)速率連接性、非常低的部署成本、以及對(duì)于用戶的免費(fèi)或低成本網(wǎng)絡(luò)接入而獲得了顯著的興趣。若干企業(yè)和大學(xué)已經(jīng)部署大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)以便服務(wù)許多用戶。許多城市區(qū)域已經(jīng)覆蓋了密集的無線網(wǎng)絡(luò)部署并且正在進(jìn)行致カ于使用它們來形成社區(qū)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(FON WiFi 社區(qū).http://www. fon. com/en/·)。然而，無線網(wǎng)絡(luò)以及尤其是IEEE 802. 11網(wǎng)絡(luò)經(jīng)受嚴(yán)重的干擾問題，這是由于無線介質(zhì)的廣播性質(zhì)以及它們使用未經(jīng)許可的頻譜帶而限制了它們的容量(capacity)。扇區(qū)化(sectorized)天線是通過更高的空間重用而減少無線干擾的有吸引力的解決方案。它們可以在特定的方向上集中無線電信號(hào)能量，而不是像全向天線那樣在所有方向上輻射。主要存在兩種利用無線網(wǎng)絡(luò)中定向通信的方法定向MAC協(xié)議和拓?fù)淇刂茀f(xié)議。定向MAC 協(xié)議(R. Choudhury 和 N. H. Vaidya. “Deafness:A Mac Problem in Ad Hoc Networkswhen using Directional Antennas. ^Proc. IEEE ICNP, 2004 年 10 月-和 Υ· Ko, V.Shankarkumar,和 N. H. Vaidya. “Medium Access Control Protocols Using DirectionalAntennas in Ad Hoc Networks” · Proc. IEEE INFOCOM, 2000 年 3 月)針對(duì)通過以非?？?毎分組)的時(shí)間尺度在不同的扇區(qū)之間切換以便與不同鄰居通信來達(dá)到更高的空間重用。它們還需要修改IEEE 802. IlMAC協(xié)議以應(yīng)對(duì)聾(deafness)和定向隱藏終端問題CR. Choudhury, X. Yang, R. Ramanathan,和 N. H. Vaidya. “Using Directional Antennasfor Medium Access Control in Ad Hoc Networks^Proc. ACM MobiCom, 2002 年 9 月)。另一方面，拓?fù)淇刂茀f(xié)議(Z. Huang, C. Shen, C. Srisathapornphat,和 C. Jaikaeo. “TopologyControl for Ad hoc Networks with Directional Antennas，，在 IEEE Int.Conferenceon Computer Communications and Networks, 2002. - Zhouchuan Huang 和 Chien-ChungShen. “Multibeam Antenna-based Topology Control with Directional Power Intensityfor Ad Hoc Networks”5 (5)，2006 - U. Kumar, H. Gupta,和 S. R. Das. “A Topology ControlApproach to using Directional Antennas in Wireless Mesh Networks，，Proc.ICC,2006 - K. Sundaresan, ff. Wang,和 S.Eidenbenz. “Algorithmic Aspects ofCommunication in Ad-hoc Networks with Smart Antennas^Proc.ACM MobiHoc, 2006)在無需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802. IlMAC協(xié)議進(jìn)行復(fù)雜的修改的情況下以潛在的性能為代價(jià)、以較慢的時(shí)間尺度(在分鐘或更多量級(jí))同時(shí)激活多個(gè)扇區(qū)。提出的所有這些拓?fù)淇刂平鉀Q方案都使用簡(jiǎn)單干擾模型假定(諸如成對(duì)干擾)并且使用圖形理論算法的適配。它們忽略若干實(shí)際考量并且僅僅通過仿真研究來評(píng)估。另一方面，最近的關(guān)于密集部署的IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量研究(M. Blanco，R. Kokku，K.Ramachandran, S. Rangarajan,和 K. Sundaresan. On the Effectiveness of SwitchedBeam Antennas in Indoor Environments. Proc. Passive and Active MeasurementsConference(PAM), 2008 - A. P. Subramanian, H. Lundgren,和 T. Salonidis. “ExperimentalCharacterization of Sectorized Antennas in Dense 802. 11 Wireless MeshNetworks” . Proc. ACM MobiHoc, 2009.)已經(jīng)顯示一般設(shè)計(jì)假定(諸如地理上指向扇區(qū)(pointing sector)的使用和在獨(dú)立于多扇區(qū)激活的扇區(qū))在多反射密集部署中是次最優(yōu)的。這些研究還調(diào)查了物理層捕捉對(duì)減少定向隱藏終端問題的影響并且顯示扇區(qū)化天線可以提供更高的空間重用機(jī)會(huì)。然而，這些觀測(cè)結(jié)果尚未被轉(zhuǎn)化到可以在現(xiàn)實(shí)世界的密集IEEE 802. 11無線環(huán)境中提取天線扇區(qū)化的容量増益的實(shí)際協(xié)議。關(guān)于在基于IEEE 802. 11的無線網(wǎng)絡(luò)中使用扇區(qū)化天線和拓?fù)淇刂频拇蟛糠诌^去的工作關(guān)注于分析研究、協(xié)議設(shè)計(jì)以及通過仿真的評(píng)估。Kumar等人(U. Kumar, H.Gupta,和 S. R. Das. “A Topology Control Approach to using Directional Antennasin Wireless Mesh Networks”Proc. , ICC, 2006)使用由多個(gè)單獨(dú)扇區(qū)天線組成的天線模型并且提出了構(gòu)建網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中最小程度生成樹的中央化算法。Huang等人(Z. Huang, C.Shen, C. brisathapornphat,和 C. jaikaeo. “Topology Control for Ad hoc Networkswith Directional Antennas，，在 IEEE Int. Conference on Computer Communicationsand Networks,2002 - Zhuochuan Huang 和 Chien-Chung Shen. “MultibeamAntenna-based Topology Control with Directional Power Intensity for Ad HocNetworks” 5 (5)，2006)提出了使用傳輸功率調(diào)整和多扇區(qū)天線的兩種不同的拓?fù)淇刂品椒?。他們假定?jiǎn)化的天線和網(wǎng)絡(luò)干擾模型，并且提出基于圖形著色的方法。最后，Sundaresan %= A(K. Sundaresan, ff. Wang,和 S.Eidenbenz. “Algorithmic Aspects ofCommunication in Ad-hoc Networks with Smart Antennas^Proc.ACM MobiHoc, 2006)考慮確定在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)要使用的(天線)通信方向圖(pattern)的問題并且在使用“智能天線”(數(shù)字自適應(yīng)陣列)時(shí)將其制定(formulate)為干擾最小化。用干拓?fù)淇刂频乃挟?dāng)前方法使用理想化的天線模型，假定成對(duì)干擾模型，提出基于圖形理論算法的解決方案，并且僅僅通過仿真來評(píng)估。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)解決以上提及的現(xiàn)有技術(shù)解決方案的缺陷。與先前工作相反，發(fā)明人在本發(fā)明中基于從當(dāng)前文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)研究的洞察力對(duì)制定拓?fù)淇刂苾?yōu)化問題。發(fā)明人針對(duì)最小化網(wǎng)絡(luò)中的整體干擾。本發(fā)明中的制定使用基于測(cè)量的接收信號(hào)強(qiáng)度值的物理干擾模型，而不是成對(duì)的(pairwise)干擾模型。此外，發(fā)明人不依賴于具有完美輻射方向圖的理想化的天線模型。相反，發(fā)明人采用基于測(cè)量的方法來體現(xiàn)天線扇區(qū)的特征。與先前工作相反，本發(fā)明人不但不依賴于高級(jí)的天線或數(shù)字信號(hào)處理，而且根據(jù)本發(fā)明的解決方案可以使用簡(jiǎn)單的并且低成本的多扇區(qū)天線，其可以容易地與常規(guī)的現(xiàn)貨供應(yīng)的IEEE 802. 11硬件一起使用。 在本發(fā)明中，介紹了ー種用于無線網(wǎng)絡(luò)、具體是IEEE 802. 11無線網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)淇刂频膬?yōu)化框架，并且開發(fā)了ー種使用扇區(qū)化天線的實(shí)際并高效的分布式協(xié)議。根據(jù)本發(fā)明的拓?fù)淇刂品椒ê驮缙谔嶙h之間的主要區(qū)別在于本發(fā)明使用ー種基于測(cè)量的拓?fù)淇刂品椒?，其使用設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單并且可以與商業(yè)的無線硬件一起工作的低成本的扇區(qū)化的天線。首先將拓?fù)淇刂苾?yōu)化問題制定為在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上激活多個(gè)扇區(qū)以便最小化整體網(wǎng)絡(luò)干擾并且從而最大化容量的二次整數(shù)規(guī)劃(program)。發(fā)明人然后介紹了將其降低至等效的線性整數(shù)規(guī)劃的技木。作為結(jié)果的線性整數(shù)規(guī)劃可以被放寬以便使用標(biāo)準(zhǔn)線性規(guī)劃(LP)解算器(solver)來獲得最優(yōu)解的邊界。本制定使用基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)值的測(cè)量的物理干擾模型，觀測(cè)所述接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)值以便良好捕捉不同扇區(qū)激活的性能。該制定還避免對(duì)IEEE 802. IlMAC協(xié)議的具體操作進(jìn)行建模，該建模是困難的并且不能容易地被并入到優(yōu)化過程中。本發(fā)明然后提出貪婪分布式(greedy distributed)拓?fù)淇刂茀f(xié)議,其中節(jié)點(diǎn)基于他們的臨近鏈路上的天線方向圖的RSS值的局部單跳(one-hop)測(cè)量而使用貪婪啟發(fā)方法來迭代地求解拓?fù)淇刂苾?yōu)化問題。使用商業(yè)的IEEE802. 11硬件可以容易地實(shí)現(xiàn)該協(xié)議，并且該協(xié)議與IEEE 802. IlMAC協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)層鏈路選擇技術(shù)(諸如，多跳無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議或WLAN中的相關(guān)機(jī)制)一起透明地操作。在廣義上,本發(fā)明被定義為對(duì)第一無線通信設(shè)備的天線方向圖分配(assignment)進(jìn)行優(yōu)化，所述第一無線通信設(shè)備與至少ー個(gè)第二無線通信設(shè)備w形成無線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)通信設(shè)備u，w配備有多扇區(qū)天線，天線方向圖是所述天線扇區(qū)的組合，所述通信設(shè)備u，w被適配為使用當(dāng)前的天線方向圖分配發(fā)送請(qǐng)求以及接收響應(yīng)，所述方法包括以下步驟-通過所述第一通信設(shè)備U評(píng)估第一值S*u；-通過所述第一通信設(shè)備u向所述第二通信設(shè)備w發(fā)送包括所述值S*u的廣播請(qǐng)求；-依賴于發(fā)送廣播請(qǐng)求的日期，通過所述第一通信設(shè)備U設(shè)置第一超時(shí)；-通過所述第一通信設(shè)備U接收對(duì)所述廣播請(qǐng)求的響應(yīng)，所述響應(yīng)由所述第二通信設(shè)備w發(fā)送，所述響應(yīng)依賴于由第二設(shè)備w評(píng)估的第二值S*w ；-依賴于所述響應(yīng)，通過所述第一通信設(shè)備U切換到或不切換到新的天線扇區(qū)分配；其特征在于，所述第一值S*u是根據(jù)由具有所述當(dāng)前的天線方向圖分配的第一通信設(shè)備接收到的接收信號(hào)強(qiáng)度RSS、最小化第一局部函數(shù)Su而評(píng)估的，以及在于，所述第二值S*w是根據(jù)由所述第二通信設(shè)備w接收到的接收信號(hào)強(qiáng)度RSS，為其自身當(dāng)前的天線方向圖分配最小化第二局部函數(shù)Sw而評(píng)估的。有利地，當(dāng)所述第二通信設(shè)備(W)確定S*u ^ S*w時(shí)，由所述第一通信設(shè)備(U)接收的響應(yīng)是否定的。有利地，當(dāng)所述的第二通信設(shè)備(W)確定S*u〈S*w時(shí)，由所述第一通信設(shè)備(U)接收的響應(yīng)是肯定的。有利地，在所述第一通信設(shè)備U在所述第一超時(shí)內(nèi)從所述第二通信設(shè)備w接收的 響應(yīng)為肯定的時(shí)，所述切換步驟在于所述第一通信設(shè)備u從當(dāng)前的天線方向圖分配切換到新的天線方向圖分配。有利地，該方法還包含另ー步驟，阻止所述第二通信設(shè)備w修改其當(dāng)前的天線方向圖分配，直至所述第二超時(shí)到期或者當(dāng)所述第二通信設(shè)備W從所述第一通信設(shè)備U接收到廣播確認(rèn)時(shí)，所述廣播確認(rèn)用于應(yīng)答接收到由所述第二通信設(shè)備W發(fā)送的響應(yīng)。
有利地，所述第一通信設(shè)備(U)計(jì)算天線方向圖分配(X)和使得函數(shù)Su(Xu)最小化的對(duì)應(yīng)的優(yōu)化值< =5丨,(<}，所述函數(shù)Su(Xu)在通信設(shè)備(u)的所有可能的天線方向圖分配Xu上由下式給出
權(quán)利要求
1.ー種對(duì)第一無線通信設(shè)備進(jìn)行天線方向圖分配進(jìn)行優(yōu)化的方法，所述第一無線通信設(shè)備與至少ー個(gè)第二無線通信設(shè)備(W)形成無線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)通信設(shè)備U，w)都配備多扇區(qū)天線，天線方向圖是天線扇區(qū)的組合，所述通信設(shè)備(U，w)被適配為使用當(dāng)前天線方向圖分配發(fā)送請(qǐng)求以及接收響應(yīng)，所述方法包括以下步驟 -通過所述第一通信設(shè)備(U)評(píng)估第一值< ； -通過所述第一通信設(shè)備(U)向所述第二通信設(shè)備(W)發(fā)送包括所述值Λ的廣播請(qǐng)求； -依賴于發(fā)送廣播請(qǐng)求的日期通過所述第一通信設(shè)備(U)設(shè)置第一超時(shí)； -通過所述第一通信設(shè)備(U)接收對(duì)所述廣播請(qǐng)求的響應(yīng)，所述響應(yīng)由所述第二通信設(shè)備(W)發(fā)送，所述響應(yīng)依賴于由所述第二設(shè)備(W)評(píng)估的第二值 -依賴于所述響應(yīng)，通過所述第一通信設(shè)備(U)切換到或者不切換到新的天線扇區(qū)分 配； 其特征在于，所述第一值丈是根據(jù)由具有所述當(dāng)前天線方向圖分配的第一通信設(shè)備(U)接收到的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、最小化第一局部函數(shù)Su評(píng)估的，以及在于，所述第二值尤是根據(jù)由所述第二通信設(shè)備(w)對(duì)其自身的當(dāng)前的天線方向圖分配而接收到的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、最小化第二局部函數(shù)Sw評(píng)估的。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干，當(dāng)所述第二通信設(shè)備(《)確定5>疋時(shí)，由所述第一通信設(shè)備U)接收的響應(yīng)是否定的。
3.如權(quán)利要求I到2中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在干，當(dāng)所述第二通信設(shè)備(w)確定S <<吋，由所述第一通信設(shè)備(U)接收的響應(yīng)是肯定的。
4.如權(quán)利要求2到3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，當(dāng)由所述第一通信設(shè)備(U)在所述第一超時(shí)內(nèi)從所述第二通信設(shè)備(《)接收到的響應(yīng)為肯定的時(shí)，所述切換步驟在于所述第一通信設(shè)備(U)從當(dāng)前的天線方向圖分配切換到新的天線方向圖分配。
5.如權(quán)利要求I或4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，其包含另ー步驟，所述第二通信設(shè)備(W)被阻止修改其當(dāng)前的天線方向圖分配，直至所述第二超時(shí)到期或者當(dāng)所述第二通信設(shè)備(W)從所述第一通信設(shè)備(U)接收到廣播確認(rèn)時(shí)，所述廣播確認(rèn)用于應(yīng)答接收到由所述第二通信設(shè)備(W)發(fā)送的響應(yīng)。
6.如權(quán)利要求I到5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一通信設(shè)備(U)計(jì)算天線方向圖分配(X；)和使函數(shù)Su(Xu)最小化的對(duì)應(yīng)的最優(yōu)值所述函數(shù)Su(Xu)在通信設(shè)備(U)的所有可能的天線方向圖分配Xu上由下式給出
7.如權(quán)利要求2到5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一通信設(shè)備(U)進(jìn)行對(duì)文的評(píng)估，所述評(píng)估與所述第二通信設(shè)備(《)進(jìn)行的評(píng)估尤的評(píng)估相同。
8.如權(quán)利要求I到7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一通信設(shè)備(U)使用全向天線方向圖發(fā)送廣播請(qǐng)求。
9.如權(quán)利要求I到6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一通信設(shè)備(U)使用全向天線方向圖向第二通信設(shè)備(W)發(fā)送確認(rèn)廣播，并且選擇<作為新的天線方向圖分配。
10.如權(quán)利要求3到9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在干，當(dāng)所述第一通信設(shè)備(U)接收到來自所述第二通信設(shè)備(W)的肯定的響應(yīng)時(shí)，所述第二通信設(shè)備(W)設(shè)置第二超時(shí)，并且在干，當(dāng)所述第二超時(shí)到期或者當(dāng)所述第二通信設(shè)備(W)接收到來自所述第一通信設(shè)備(U)的所述廣播確認(rèn)分組時(shí)，允許所述第二通信設(shè)備(W)調(diào)整其當(dāng)前的天線方向圖分配。
11.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，所述無線網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)通信設(shè)備，其特征在于，所述多個(gè)通信設(shè)備中的每個(gè)通信設(shè)備相繼地?fù)?dān)當(dāng)?shù)谝煌ㄐ旁O(shè)備U)，并且在干，將廣播請(qǐng)求發(fā)送到所述多個(gè)通信設(shè)備中的所有其它通信設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)注一種用于對(duì)第一無線通信設(shè)備的天線方向圖分配進(jìn)行優(yōu)化的方法，所述第一無線通信設(shè)備與至少一個(gè)第二無線通信設(shè)備(w)形成無線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)所述通信設(shè)備(u，w)配備有多扇區(qū)天線，天線方向圖是所述天線扇區(qū)的組合，所述通信設(shè)備(u，w)被適配為使用當(dāng)前天線方向圖分配來發(fā)送請(qǐng)求以及接收響應(yīng)，所述方法包括以下步驟通過所述第一通信設(shè)備(u)評(píng)估第一值通過所述第一通信設(shè)備(u)向所述第二通信設(shè)備(w)發(fā)送包括所述值的廣播請(qǐng)求；依賴于發(fā)送廣播請(qǐng)求的日期，通過所述第一通信設(shè)備(u)設(shè)置第一超時(shí)；通過所述第一通信設(shè)備(u)接收對(duì)所述廣播請(qǐng)求的響應(yīng)，所述響應(yīng)由所述第二通信設(shè)備(w)發(fā)送，所述響應(yīng)依賴于由所述第二設(shè)備(w)評(píng)估的第二值依賴于所述響應(yīng)，通過所述第一通信設(shè)備(u)切換到或不切換到新的天線扇區(qū)分配；根據(jù)本發(fā)明，所述第一值是根據(jù)由具有所述當(dāng)前天線方向圖分配的第一通信設(shè)備(u)接收到的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、通過最小化第一局部函數(shù)Su而評(píng)估的，以及所述第二值是根據(jù)由所述第二通信設(shè)備(w)接收到的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)，為其自身當(dāng)前的天線方向圖分配，通過最小化第二局部函數(shù)Sw而評(píng)估的。
文檔編號(hào)H04B7/06GK102668403SQ201080055828
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月8日
發(fā)明者A.蘇布拉馬尼安, D.托夫斯利, H.蘭德格倫, T.薩洛尼迪斯 申請(qǐng)人:湯姆森特許公司