СПОСОБ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ РЕСУРСОВ С ГАРАНТИЕЙ МАКСИМАЛЬНОЙ ЗАДЕРЖКИ ДЛЯ МНОГОСЕГМЕНТНОЙ ПЕРЕДАЧИ В СЕТИ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ДОСТУПОМ
METHOD FOR RESOURCE RESERVATION WITH WORST-CASE DELAY GUARANTEE FOR MULTIPLE TRANSMIT IN DISTRIBUTED ACCESS WIRELESS NETWORKD

Данное изобретение относится к области техники сетей беспроводной связи, а более конкретно к способу резервирования ресурсов для многосегментной связи между исходным устройством и целевым устройством в сети беспроводной связи с распределенным доступом.
Продолжается распространение сетей беспроводной связи. Например, FCC предложила разрешать нелицензированным радиопередающим устройствам работать в пределах широковещательного телевизионного спектра в местоположениях, где один из выделенных наземных телевизионных каналов не используется, при условии, что эти нелицензированные передающие устройства включают в себя защитные интервалы, которые обеспечивают отсутствие помех с приемом лицензированных наземных телевизионных сигналов. Различные организации разработали технологии сверхширокополосной (UWB) беспроводной связи, чтобы использовать преимущества разрешенных операций нелицензированных беспроводных устройств в лицензированных полосах частот.
В частности, Альянс WIMEDIA разработал технические условия для беспроводных сетей на основе технологии UWB. Например, технические условия WIMEDIA MAC предоставляют протокол полностью распределенного управления доступом к среде (MAC), чтобы поддерживать высокоскоростную односегментную передачу между устройствами, которые размещаются рядом друг с другом, например так называемыми персональными вычислительными сетями (PAN). Между тем, в декабре 2005 года Европейская ассоциация производителей компьютеров (ECMA) опубликовала стандарт ECMA-368: "High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard", задающий сверхширокополосный физический уровень (PHY) и распределенный MAC-подуровень для высокоскоростной беспроводной сети ближнего действия с беспроводным доступом, которая может включать в себя портативные и стационарные устройства.
При использовании в данном документе устройство в беспроводной сети может упоминаться как терминал или узел. Также при использовании в данном документе указывают, что беспроводная сеть имеет "распределенный доступ", когда нет централизованного контроллера, базовой станции, главной станции и так далее, который регулирует или управляет доступом к ресурсам связи (например, слотам в основанном на резервировании протоколе передачи данных) беспроводной сети посредством других устройств в сети.
Тем не менее, вследствие регулирующих ограничений на мощность передачи дальность передачи устройств с использованием современного WIMEDIA MAC ограничена и уменьшается с понижением физической скорости передачи. Соответственно, вследствие ограничений на дальность передачи в некоторых случаях невозможно для одного устройства в беспроводной персональной вычислительной сети (PAN) передавать данные в другое устройство в одной сети, если два устройства физически разделены слишком значительным расстоянием. В других случаях, когда два устройства могут быть ближе друг к другу, передача может быть возможной, но только на меньших скоростях передачи данных. Тем не менее, имеется ряд вариантов применения, где крайне желательно для устройств, которые удаленно расположены относительно друг друга на значительном расстоянии, иметь возможность отправлять и принимать данные друг от друга на более высоких скоростях передачи данных, чем поддерживаются при ограничениях мощности передачи, налагаемых на устройства.
Соответственно, желательно предоставить способ передачи данных от одного устройства в другое устройство в распределенной беспроводной сети, даже если два устройства физически разделены слишком значительным расстоянием для прямой беспроводной передачи. Желательно предоставить такой способ, который поддерживает высокие скорости передачи данных и спектральную эффективность. Дополнительно желательно предоставить способ резервирования ресурсов для многосегментной передачи от устройства к устройству в беспроводной связи с распределенным доступом.
X
X
X
В одном аспекте изобретения в сети связи, содержащей множество устройств, обменивающихся данными с помощью основанного на резервировании протокола передачи данных, имеющего суперкадр, содержащий множество слотов, предусмотрен способ резервирования слотов для передачи данных из исходного устройства в целевое устройство посредством многосегментной ретрансляции. Способ включает в себя отправку первого запроса резервирования транзитного сегмента от исходного устройства, адресованного во второе устройство, отличное от целевого устройства, для передачи данных от исходного устройства в целевое устройство. Первый запрос резервирования транзитного сегмента идентифицирует исходное устройство, целевое устройство и предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для первого транзитного сегмента между исходным устройством и вторым устройством. Способ также включает в себя, в исходном устройстве, прием первого сообщения, адресованного исходному устройству, из второго устройства, указывающего то, что первый запрос резервирования транзитного сегмента ожидает обработки и что слотов, предлагаемых исходным устройством, зарезервированы вторым устройством. Способ дополнительно включает в себя, в исходном устройстве, прием последующего сообщения, адресованного исходному устройству, из второго устройства, указывающего на принятие окончательного запроса резервирования транзитного сегмента целевым устройством, соответствующего первому запросу резервирования транзитного сегмента от исходного устройства.
N-ом
(N-1)-го
X
(N-1)-го
(N-1)-ым
N-ым
X
(N-1)-го
N-ом
N-го
(N-1)-ому
X
(N-1)-ым
N-ым
N-го
N-го
(N+1)-е
N-ый
X
N-го транзитного
N-ым
(N+1)-ым
X
N-ым
N-го
X
(N-1)-ым
(N-1)-го
X
(N-1)-го
N-ом
N-го
(N-1)-е
В другом аспекте изобретения в сети связи, содержащей множество устройств, обменивающихся данными с помощью основанного на резервировании протокола передачи данных, имеющего суперкадр, содержащий множество слотов, предусмотрен способ резервирования слотов для передачи данных из исходного устройства в целевое устройство посредством многосегментной ретрансляции. Способ включает в себя прием в устройстве запроса резервирования транзитного сегмента для передачи данных из исходного устройства в целевое устройство посредством многосегментной ретрансляции. Этот запрос резервирования идентифицирует исходное устройство, целевое устройство и предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для транзитного сегмента между устройством и устройством. Способ включает в себя, когда предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для транзитного сегмента, доступны в устройстве: передачу сообщения из устройства, адресованного устройству, указывающего то, что запрос резервирования ожидает обработки и слотов, предложенных устройством, зарезервированы устройством; и отправку от устройствазапроса резервирования транзитного сегмента, адресованного в устройство, для передачи данных из исходного устройства в целевое устройство, причем запрос резервирования транзитного сегмента идентифицирует исходное устройство, целевое устройство и  предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для сегмента между устройством и устройством, при этом слотов, предлагаемых устройством, которые должны быть зарезервированы для транзитного сегмента, отличаются от  слотов, предлагаемых устройством, которые должны быть зарезервированы для транзитного сегмента. Способ также включает в себя, когда предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для транзитного сегмента, недоступны в устройстве, передачу из устройства сообщения, адресованного в устройство, указывающего то, что запрос резервирования отклонен.
Фиг.1 графически иллюстрирует сеть беспроводной связи.
Фиг.2 иллюстрирует один вариант осуществления информационного элемента (IE) Mesh DRP.
Фиг.3 иллюстрирует некоторые примеры сквозного согласования многосегментного резервирования в ячеистой беспроводной сети.
Фиг.4 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ резервирования X слотов для передачи данных из исходного устройства в целевое устройство через многосегментную ретрансляцию;
N-ым
M
2≤N≤M
Фиг.5 иллюстрирует этапы, выполняемые устройством в многосегментной ретрансляции, имеющей всего устройств, где ;
Фиг.6 иллюстрирует некоторые примеры скоординированных MAS-выделений для многосегментной передачи с помощью суперкадров.
Хотя различные принципы и признаки способов и систем, описанные ниже, могут быть применены к множеству систем связи, для целей иллюстрации примерные варианты осуществления ниже должны быть описаны в контексте нелицензированных сетей беспроводной связи, работающих с основанными на резервировании протоколами распределенного доступа.
Более конкретно, примерные варианты осуществления, описанные ниже, относятся к персональной вычислительной сети WIMEDIA. Тем не менее, способы и методики, описанные ниже, также могут быть применены в случае других сетей с распределенным доступом, использующих основанные на резервировании протоколы, и даже через проводные магистрали. Разумеется, объем изобретения определяется формулой изобретения, прилагаемой к настоящему описанию, и не ограничен конкретными вариантами осуществления, описанными ниже.
Помня об этом, далее описываются способы, посредством которых устройства, которые размещаются удаленно друг от друга в персональной вычислительной сети (PAN) с распределенным доступом, могут отправлять данные друг другу на скоростях передачи данных, которые не ограничены комбинацией мощности передачи и расстояния между двумя устройствами.
Как описано ниже, чтобы увеличить дальность передачи при сохранении спектральной эффективности (т.е. с помощью более высокой скорости передачи), предусмотрен протокол управления доступом к среде (MAC) с поддержкой ячеистой структуры. Ячеистая персональная вычислительная сеть (PAN) WIMEDIA, по сути, является многосегментной распределенной PAN с некоторыми устройствами, которые ретранслируют/перенаправляют кадры (пакеты) данных для своих соседей.
Например, фиг.1 графически иллюстрирует сеть 100 беспроводной связи, включающую в себя множество устройств 110. В этом случае устройства 110B и 110C с поддержкой ячеистой структуры могут ретранслировать кадр, исходящий из исходного устройства 110A, в целевое устройство 110D, которое недостижимо посредством устройства 110A через односегментную передачу.
Два важных механизма, а именно обнаружение маршрута/пути и резервирование по времени многосегментной среды, требуются для того, чтобы реализовать ячеистую PAN. Обнаружение маршрута/пути не является предметом данного изобретения, и по всему нижеследующему описанию предполагается, что оптимальный маршрут на основе требуемых показателей исходного устройства уже определен.
Нижеследующее описание вместо этого фокусируется на резервировании по времени многосегментной среды. В качестве протокола распределенного резервирования (DRP) в текущей WIMEDIA MAC-спецификация предоставляет возможность основанной на резервировании передачи для чувствительного к задержке приложения, преимущественно, аналогичный механизм также должен быть предусмотрен в многосегментной среде. Это требует того, чтобы устройства вдоль выбранного маршрута (1) резервировали одинаковое или достаточное количество слотов доступа к среде (MAS) для ретрансляции кадра (пакета), чтобы исключить игнорирование кадров; и (2) выбирали MAS таким образом, чтобы минимизировать дополнительную задержку, вводимую многосегментной передачей.
Соответственно, как описано ниже, новый протокол резервирования (упоминаемый в данном документе как "Mesh DRP") предусмотрен, чтобы разрешить две эти проблемы. Назначение Mesh DRP состоит в том, чтобы обеспечивать сквозное резервирование по времени среды по выбранному маршруту. Чтобы достичь этого, следующие признаки предусмотрены.
Фиг.2 иллюстрирует один вариант осуществления информационного элемента (IE) 200 Mesh DRP, который может быть включен в кадр (например, сигнальный кадр), который передается в широковещательном режиме посредством устройства в сети 100 беспроводной связи. IE 200 разделяется на несколько полей, включая поле Element ID (идентификатор элемента), поле Length (длина), поле DRP Control (управление DRP) и поле Target/Owner DevAddr (адрес устройства владельца). Поскольку несколько режимов или устройств по маршруту вовлечены в многосегментное резервирование, согласование осуществляется на основе "сегмент-за-сегментом". С учетом того, что вовлеченное устройство необязательно является исходным или целевым устройством (если только оно не на первом или последнем транзитном сегменте в маршруте), два поля, называемые Source DevAddr и Destination DevAddr, также включаются в IE Mesh DRP. Как показано на фиг.2, Source DevAddr - это адрес (DevAddr) исходного устройства, которое инициирует ячеистое резервирование. При этом Destination DevAddr - это DevAddr целевого устройства, для которого предназначаются кадры (пакеты данных). Наконец, IE 200 включает в себя поля 1-n, каждое для DRP-выделения i (DRP-Allocation i).
В одном варианте осуществления процесс согласования резервирования для многосегментной передачи между исходным устройством и целевым устройством выполняется следующим образом. Во-первых, исходное устройство (например, устройство 110A на фиг.1) резервирует требуемые слоты доступа к среде (MAS) между собой и своим устройством следующего транзитного сегмента (т.е. вторым устройством). В примере, показанном на фиг.1, устройством следующего транзитного сегмента для устройства 110A является устройство 110B. Если предложенные MAS доступны в этом втором устройстве 110B, то второе устройство 110B должно отправить ответ в исходное устройство 110A, включающий в себя принятый IE Mesh DRP с Target/Owner DevAddr, соответствующим исходному устройству 110A, и с Reason Code (кодом причины), равным "Pending" (ожидание обработки). В противном случае второе устройство должно отправить ответ в исходное устройство 110A, включающий в себя IE Mesh DRP с соответствующим кодом причины, указывающим то, что запрос резервирования от исходного устройства 110A отклонен. В первом случае второе устройство 110B также инициирует новое резервирование с той же величиной MAS и тем же индексом потока, с собственным устройством следующего транзитного сегмента (т.е. третьим устройством), который извлекается на основе Destination DevAddr в принятом IE Mesh DRP. В примере, показанном на фиг.1, устройством следующего транзитного сегмента для устройства 110B является устройство 110C. Если предлагаемые MAS доступны в третьем устройстве 110C, то оно реагирует так же, как и второе устройство 110B, как описано выше. Если код причины - это любое, кроме "Pending", соседи третьего устройства 110C (например, устройство 110B) на маршруте должны обновить код причины в существующем IE Mesh DRP - заданном посредством Source DevAddr, Destination DevAddr и индекса потока - соответствующим образом. Этот режим работы является рекурсивным в том смысле, что соседи, соседи соседей и так далее следуют единой процедуре. Когда целевое устройство (например, целевое устройство 110D) принимает IE Mesh DRP IE и допускает резервирование, инициированное его соседом (например, третьего устройства 110C), далее код причины задается равным "Accepted" ("Принятие"). В следующих нескольких суперкадрах все остальные устройства 100 на маршруте (устройства 110C и 110B) далее изменяют код причины с "Pending" на "Accepted". Только когда исходное устройство 110A принимает IE Mesh DRP с кодом причины, равным "Accepted", передача данных из исходного устройства 110A в целевое устройство 110D может начаться.
Фиг.3 иллюстрирует некоторые примеры предлагаемого сквозного согласования многосегментного резервирования.
Фиг.4 - это блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ резервирования X слотов для передачи данных из исходного устройства в целевое устройство через многосегментную ретрансляцию. В примере по фиг.4 для простоты предполагается, что третье устройство - это целевое устройство, но, разумеется, может быть любое число устройств ретрансляции между исходным устройством и целевым устройством.
X
На первом этапе 410 исходное устройство отправляет первый запрос резервирования сегмента во второе устройство, отличное от целевого устройства, для передачи данных от исходного устройства в целевое устройство. Первый запрос резервирования сегмента идентифицирует исходное устройство, целевое устройство и предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для первого транзитного сегмента между исходным устройством и вторым устройством.
На этапе 415 второе устройство принимает первый запрос резервирования транзитного сегмента.
На этапе 420 второе устройство отправляет первое сообщение, адресованное исходному устройству, указывающее то, что первый запрос резервирования транзитного сегмента ожидает обработки и что слоты, предлагаемые исходным устройством, зарезервированы вторым устройством.
X
На этапе 425 исходное устройство принимает первое сообщение, адресованное исходному устройству, указывающее то, что первый запрос резервирования сегмента ожидает и что слотов, предлагаемых исходным устройством, зарезервированы вторым устройством.
X
X
X
X
X
На этапе 430 второе устройство отправляет второй запрос резервирования транзитного сегмента, адресованный в третье устройство, для передачи данных от исходного устройства в целевое устройство. Второй запрос резервирования транзитного сегмента идентифицирует исходное устройство, целевое устройство и предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для второго транзитного сегмента между вторым устройством и третьим устройством. Преимущественно, слотов, предлагаемых вторым устройством для второго транзитного сегмента, отличаются от  слотов, предлагаемых исходным устройством для первого транзитного сегмента. Как подробнее пояснено ниже, преимущественно, второе устройство выбирает для второго транзитного сегмента первые доступные слотов для суперкадра после слотов, предлагаемых исходным устройством для первого транзитного сегмента.
На этапе 435 третье устройство принимает второй запрос резервирования транзитного сегмента от второго устройства.
X
X
На этапе 440 третье устройство (т.е. целевое устройство) отправляет второе сообщение, адресованное второму устройству, указывающее принятие второго запроса резервирования транзитного сегмента и то, что слотов, предлагаемых вторым устройством, зарезервированы третьим устройством. Если бы третье устройство не являлось целевым устройством, то вместо этого второе сообщение должно было бы указывать только то, что второй запрос резервирования транзитного сегмента ожидает обработки и что слотов, предлагаемых вторым устройством, зарезервированы третьим устройством. В этом случае третье устройство отправило бы свой запрос резервирования транзитного сегмента в следующее устройство, что должно было бы повторяться до тех пор, пока целевое устройство не было бы достигнуто или запрос резервирования в цепочке не был бы отклонен по какой-либо причине.
X
На этапе 445 второе устройство принимает второе сообщение, адресованное второму устройству, от третьего устройства, указывающее принятие второго запроса резервирования транзитного сегмента и то, что слотов, предлагаемых вторым устройством, зарезервированы третьим устройством.
В этом случае на этапе 450 второе устройство отправляет последующее сообщение, адресованное исходному устройству, указывающее принятие окончательного запроса резервирования транзитного сегмента целевым устройством, соответствующее первому запросу резервирования транзитного сегмента исходного устройства.
Далее на этапе 455 исходное устройство принимает последующее сообщение, адресованное исходному устройству, из второго устройства, указывающее принятие окончательного запроса резервирования транзитного сегмента целевым устройством, соответствующего первому запросу резервирования транзитного сегмента от исходного устройства.
X
В этой точке многосегментное резервирование подтверждено, и исходное устройство может начать передачу данных для целевого устройства с помощью MAS, которые оно первоначально подтвердило для первого сегмента ко второму устройству.
M
M
В общем, может быть устройств между исходным устройством и целевым устройством в многосегментной ретрансляции. Каждое из этих устройств принимает участие в установлении резервирований для многосегментного резервирования следующим образом.
N-е
2<N<M.
Рассмотрим устройство в многосегментной ретрансляции, где
-е
(N-1)-ый
X
(N-1)-го
(N-1)-ым
-ым
(-1)-ый
-е
X
(-1)-го
(N-1)-ым
N-ым
N-го
В этом случае, как проиллюстрировано на фиг.5, на этапе 515 Nустройство принимает запрос резервирования транзитного сегмента для передачи данных из исходного устройства в целевое устройство через многосегментную ретрансляцию. Запрос резервирования идентифицирует исходное устройство, целевое устройство и предлагаемых слотов (например, MAS), которые должны быть зарезервированы для транзитного сегмента между устройством и Nустройством. В ответ на Nзапрос резервирования транзитного сегмента на этапе 517 Nустройство определяет то, являются ли  предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для Nсегмента между устройством и устройством, доступными для устройства.
X
(N-1)-го
N-ом
N-е
(N-1)-е
N-го
(N-1)-е
X
(N-1)-ым
N-ым
N-е
N-ый
(N+1)-е
N-ый
X
N-го
N-ым
(N+1)-ым
X
N-ым
N-го
X
(N-1)-ым
(N-1)-го
N-е
N-го
X
X
(N-1)-ым
(N-1)-го
N-е
N-е
N-ому
(N+1)-го
N-е
N-е
Когда предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для сегмента, доступны в устройстве, то на этапе 520 устройство передает сообщение от устройства, адресованное в устройство, указывающее то, что запрос резервирования ожидает обработки и слотов, предложенных устройством, зарезервированы устройством. Далее на этапе 530  устройство отправляет  запрос резервирования транзитного сегмента, адресованный в  устройство, для передачи данных от исходного устройства в целевое устройство.  запрос резервирования транзитного сегмента идентифицирует исходное устройство, целевое устройство и предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для  транзитного сегмента между  устройством и  устройством. слотов, предлагаемых устройством, которые должны быть зарезервированы для сегмента, отличаются от слотов, предлагаемых устройством, которые должны быть зарезервированы для  транзитного сегмента. Как подробнее пояснено ниже, преимущественно,  устройство выбирает для  транзитного сегмента первые доступные слотов для суперкадра после слотов, предлагаемых  устройством для транзитного сегмента. Далее на этапе 545 устройство принимает сообщение, адресованное устройству, от устройства, указывающее то, является ли запрос резервирования ожидающим обработки или был ли он отклонен. В случае, если устройство принимает сообщение, указывающее то, что запрос резервирования ожидает обработки, то далее на этапе 550  устройство принимает последующее сообщение, указывающее принятие или отсутствие принятия запроса резервирования целевым устройством, либо то, был ли он отклонен любым из последующих устройств (включая целевое устройство).
X
(N-1)-го
N-ом
N-е
(N-1)-е
Между тем, на этапе 518, когда  предлагаемых слотов, которые должны быть зарезервированы для транзитного сегмента, недоступны в устройстве, то устройство передает сообщение, адресованное в устройство, указывающее то, что запрос резервирования отклонен.
Хотя многосегментное согласование, описанное выше, обеспечивает то, что достаточная величина MAS резервируется по выбранному маршруту, кадр (пакет) может испытывать более длительную задержку, чем в одноинтервальном случае. В общем, кадры, принимаемые от соседа в текущем суперкадре, обычно ретранслируются/перенаправляются в устройство следующего транзитного сегмента в следующем суперкадре. Следовательно, наихудший случай задержки кадров, при условии отсутствия ошибки передачи, пропорционален числу транзитных сегментов на выбранном маршруте. Для чувствительного к задержке трафика это может быть неприемлемо.
X
X
X
X
X
X
X
Чтобы минимизировать задержку, налагаемую ячеистой передачей, преимущественно, выделение MAS посредством устройств по маршруту координируется в некоторой степени. Здесь предполагается, что каждая ячеистая передача является однонаправленной, а именно, начинаясь с исходного устройства и заканчиваясь в целевом устройстве. Устройство, которое на один сегмент ближе к исходному устройству, считается предшествующим устройством, с точки зрения устройства, которое на один сегмент дальше от исходного устройства. Когда устройство в цепочке принимает IE Mesh DRP от своего предшествующего устройства, оно должно проверить выделение MAS, идентифицированных посредством этого IE Mesh DRP (например, MAS). Если MAS доступны для последующего резервирования посредством устройства, то устройство должно, если возможно, зарезервировать следующие доступные  MAS, которые находятся после MAS, зарезервированных ближайшим предшествующим устройством. Таким образом, устройство может ретранслировать/перенаправлять кадр (пакет), принимаемый от своего предшествующего устройства, в свое последующее устройство в пределах того же суперкадра. Если устройство не имеет MAS, доступных в суперкадре после MAS, зарезервированных ближайшим предшествующим устройством, то оно должно резервировать первые доступные MAS, которые оно может найти в суперкадре. Этот процесс повторяется для всех устройств в многосегментной линии связи. Таким образом, кадр (пакет) передается из исходного устройства в целевое устройство с минимизированной задержкой.
Фиг.6 иллюстрирует некоторые примеры таких скоординированных MAS-выделений с помощью MAS 610 в суперкадре 600.
Хотя в данном документе раскрыты предпочтительные варианты осуществления, возможно множество вариаций, которые находятся в рамках объема изобретения. Эти вариации должны стать очевидными специалистам в данной области техники после изучения подробного описания, чертежей и формулы изобретения в данном документе. Следовательно, объем изобретения не должен быть ограничен ничем иным, кроме прилагаемой формулы изобретения.