CN103379509A - 具有自动配置的高性能移动网络 - Google Patents

Abstract

描述了一种已经为移动端点优化的高性能无线网格结构。该网格结构供海军应用，其中无线网格结构在移动舰船之间扩展，并包括船到岸链路，但是同样可应用于在陆地、空中、海洋或太空之上、之中或之下的其它移动单元。

Description

具有自动配置的高性能移动网络

本申请为2009年7月1日递交的申请号为200980125769.3（国际申请号为PCT/IB2009/008011），发明名称为“具有自动配置的高性能移动网络”的发明专利申请的分案申请。

在先申请的交叉引用

本申请要求于2008年7月2日提交的美国临时专利申请61/077,697的优先权，其内容在此引用作为参考。

技术领域

本发明描述了已经为移动端点优化的高性能无线网格结构。供海军应用，其中无线网格网络在移动舰船之间扩展，包括船到岸的链路，但是同样可应用于在陆地、空中、海洋或太空之上、之中或之下的其它移动单元。

背景技术

海军舰艇在海港内时依赖于用于网络LAN连接的硬线连接。在非作战状态下，当靠近港口时，这些舰艇禁用高功率军用频带通信，以将对民用通信系统的干扰减至最小。本发明提供高性能无线网格网络，其将海军舰艇连接至海军港口通信LAN。本专利描述了在网络内使用的节点、具有移动专用特征的网络设计以及控制器和所使用的算法，该算法包括多个点对点（P2P）移动舰船无线电设备到固定岸侧无线电设备的自动连接方法。多个无线电P2P网格交换机－路由器在视线射频链路被建立时执行点到点链路的自动发现和连接。本发明是为海军应用首次实现这样一种网络。在本发明之前，未曾使用宽带无线近岸通信系统。

本发明同样可应用于其它移动单元，例如在陆地、海洋、空中或太空之上、之中或之下移动的士兵、动物或车辆。

发明内容

在一个方面，本发明提供一种用于维持通信的网络。该网络包括：多个节点，每个节点是收发信机基站和移动站之一并配置为与多个基本类似的节点之一通信；与每个节点关联的多个无线电模块，每个无线电模块配置为用于建立与其它节点之一关联的无线电模块的链路；与每个节点关联的移动控制器，每个移动控制器配置为用于控制与该节点关联的无线电模块；以及与每个节点关联的多个定向天线，每个定向天线配置为用于维持链路之一，同时另一天线用于维持另一链路。链路可以是在收发信机基站和移动站的任意组合之间。多个节点的至少第一节点可以包括收发信机基站，和多个节点的至少第二节点可以包括移动站。至少第一节点可以至少包括多个无线电模块的第一无线电模块和第二无线电模块和多个定向天线的第一定向天线和第二定向天线。至少第二节点可以至少包括多个无线电模块的第三无线电模块和第四无线电模块和多个定向天线的第三定向天线和第四定向天线。至少第一和第三定向天线可以配置为维持活动链路。至少第二和第四定向天线可以配置为维持备用链路。

在另一方面，本发明提供一种在网络内的节点。该节点是收发信机基站和移动站之一。该节点配置为与多个基本类似的节点之一通信。该节点包括：第一无线电模块和第二无线电模块，每个无线电模块配置为建立与多个节点中的另一个节点关联的无线电模块的链路；配置为用于控制第一和第二无线电模块的移动控制器；以及多个定向天线，每个定向天线配置为用于维持链路之一，同时另一天线用于维持另一链路。当该节点是移动站时，该节点可以进一步包括至少两个高增益定向天线。

在另一方面，本发明提供一种在网络内通信的方法。该网络包括多个节点，每个节点是收发信机基站和移动站之一并配置为用于与多个基本类似的节点之一通信。该方法包括以下步骤：a）使用收发信机基站发送信标，所述信标包括与该收发信机基站关联的无线电模块专用的媒体访问控制标识符和使用标识符；b）使用移动站扫描信标；c）使用该移动站根据从由信号强度和信噪比组成的组中选择的标准分类所检测的信标；d）建立在该移动站和与收发信机基站关联的无线电模块之间的第一无线电链路，其中选定的无线电模块对应于具有最大信号强度的信标；e）将选定的无线电模块的使用标识符设置为不可用状态；以及f）重复步骤a、b和c。该方法可以进一步包括以下步骤：g）通过重复步骤a、b、c和d建立第二无线电链路，其中不传送无线电业务。该方法可以进一步包括以下步骤：h）当第一无线电链路的信号强度已经达到预定电平时，使用第二无线电链路发送数据和终止第一无线电链路。步骤c可以进一步包括使用移动站根据信号强度分类所检测的信标的步骤。可替代地，步骤c可以进一步包括使用移动站根据信噪比分类所检测的信标的步骤。

附图说明

图1图示根据本发明优选实施例的将用作收发信机基站节点的具有定向天线阵列的无线电收发信机。

图2图示根据本发明优选实施例的将用作移动站节点的具有定向天线阵列的无线电收发信机。

图3图示分别用于图1和图2的无线电收发信机的内部结构。

图4A、4B和4C图示用于图1和图2的无线电收发信机的替代天线配置。

图5图示用于图1和图2的无线电收发信机的替代全向天线。

图6图示用于图1的无线电收发信机的外部高增益抛物面天线。

图7图示根据本发明优选实施例的基站收发信机节点和移动收发信机节点的示例配置。

图8A和图8B图示使用图1和图2的无线电收发信机的替代天线配置的示例覆盖区域。

具体实施方式

本发明详细描述由固定和移动节点组成的无线移动网络。与其中固定网络由多个无线电设备的收发信机基站（BTS）和单个无线电设备的蜂窝电话或移动站（MS）组成的传统蜂窝或分组数据网络不同，本发明在BTS和MS内都使用多个无线电设备。

此外，与其中BTS通常使用在扇区化配置中最常用的定向天线和MS使用全向天线的传统无线网络不同，本发明在BTS和MS端点都使用定向天线。此外，本发明的特点在于如上所述包括多个无线电设备的MS还至少包含两个高增益定向天线。

所有节点－固定的（BTS）和移动的（MS）都包括控制两个或多个无线电模块（RM）的移动控制器（MC），并且其中每个无线电模块选择两个或多个定向或全向天线。

根据频谱可用性和吞吐量要求，使用RM的多个变型。对于在24000-2483.5MHz ISM频带内的操作，使用接入RM（ARM）。称作回程无线电模块（BRM3、BRM4）和增强无线电模块（ERM1、ERM2）的两种版本的RM用于5250－5850MHz未经许可的频带操作。军用频带RM（MRM）用于4400－4940MHz操作。公共安全频带RM（PSM）用于许可的4940－4990MHz操作。日本RM（JRM）用于4900－5100MHz操作。运输RM（TRM）用于在5850－5925MHz的智能运输系统（ITS）频带内的操作。IEEE802.16dWiMAX RM（WRM）用于在2300－2360MHZ（WRM1）、2500－2700（WRM2、WRM3）、3500－3900MHZ（WRM4）的许可频带和5250－5850MHz（WRM5）的未许可频带内的操作。随着新技术变得可用于支持新业务、增强性能或客户专门要求，用于构成P2P链路的RM可以改变。例如，可以使用更高频率“公共载波”RM（CRMx）以便使用例如6GHz、11GHz、13GHz、19GHz、23GHz和28GHz的公共载波频谱。尽管该频谱被FCC精心地控制和许可给固定无线链路，但其在海军港口、空军基地和陆军基地内的应用由NTIA控制，并可以在确保对划分成民用区域的无线电频率控制的情况下在海军港口、空军基地和陆军基地内被使用。此外，可以在同一BTS或MS中使用多个和不同的RM。

使用两个或多个RM，MC可以维持在相同或独立频率上的完全冗余链路，从而确保对来自已知或未知源的强抗干扰能力。使用两个或更多的无线电设备，移动控制器能够与其它移动或固定节点形成网格，提供多个独立链路以进一步确保网络性能。高性能点对点（P2P）无线电设备提供窄波束宽度的射频链路，支持对未许可和许可频率的高干扰拒绝特性。这样的高增益P2P链路确保最佳的无线电链路性能、高吞吐量和短等待时间以传输语音和数据IP以及伪线流（pseudo-wire streams）。

根据本发明的一个或多个实施例，每个BTS节点包含四个IEEE802.11nMRM无线电设备，其中每个MRM能够选择两个定向天线之一。该实施例需要两种MS配置：用于较小舰船的一种配置包含各个连接至单个定向天线的两个MRM无线电设备；而用于较大舰船、例如航空母舰的一种配置包含最多四个MRM。在BTS中，MC根据在本申请中描述的算法动态地选择最佳MRM和相关的天线，以维持到其它BTS或MS节点的独立无线链路。在MS内，MC动态地选择用于主要链路的最佳MRM和用于次要链路的替代MRM。尽管MRM使用IEEE802.11n标准并且在4400-4940MHz军用频谱内操作，但可以使用多种标准或专用无线接口技术中的任何一种以及多个许可或未许可频带中的任何一个。

本发明包括其中可以使用多个网络物理层连接中的任意一个来连接至有线LAN的到固定节点的完全冗余网络路径。这些接口可以存在于固定或移动节点的任一个，包括但不限于：10/100/1000BASE-TX、T1/E1/T3/E3或承载TDM业务的其它TDM接口或基于TDM的分组数据通道化接口；诸如100/1000BASE-FX或PON（无源光网络）的光接口；DSL（数字用户线）接口；诸如DOCSIS的宽带接口；诸如RS232、Firewire、USB1或USB2.0或其衍生物的串行接口；诸如SCSI或其它接口的并行接口；多模拟接口以及包括无线接口、有线LAN的标准或专用的任意形式的专用接口。

参见图1，根据本发明的一个或多个实施例，图1图示具有四个RM的BelAir200D的物理视图，每个RM具有两个天线。该图涉及具有八个RM而每个RM具有两个天线的BTS的实施例。天线不需要与BTS位于同一地点。

参见图2和图3，图2图示是MS的优选实施例的具有两个RM而每个RM具有1个天线的BelAir100D的物理视图。该天线可以不与MS位于同一地点。图3图示具有MC、RM、天线和LIM端口的BelAir100D和BelAir200D的逻辑结构。

参见图4A、4B和4C，这些图图示关于每个设备的天线配置的多种变型。图4A图示八个天线的情况，每个天线具有至少45度的方位角波束带宽（极坐标图），以便八个天线构成360度连续覆盖。图4B图示六个天线的情况，每个天线具有至少60度的方位角波束带宽（极坐标图），以便六个天线构成360度连续覆盖。图4C图示四个天线的情况，每个天线具有至少90度的方位角波束带宽（极坐标图），以便四个天线构成360度连续覆盖。这些附图图示MS和BTS系统的实施例；然而，本领域的任何普通技术人员都可以对使用不同数量的天线或多个单元来提供360度覆盖作出各种变型。

图4A、4B和4C图示的天线配置图示非重叠的覆盖。因为天线可以在内部或外部，可以预见这些天线方向图可能需要充分重叠。对于远距离的链路尤其如此，此时MS节点位于距离冗余BTS节点几公里的位置。两条射频链路之间的角度将最小，需要天线有效地指向同一方向。

参见图5，图5图示为在BelAir100D/BelAir200D上使用而设计的可选全向天线。该天线支持图4A、4B和4C所示的那些情况的替代变型，在这些变型中使用全向天线来确保其中天线方向图并未完全实现360度覆盖的连续覆盖。

参见图6，图6图示具有用于海岸安装和到海港内的长距离链路的外部高增益抛物面天线的BelAir200D。这些高增益天线具有需要多个天线的4－12度的窄波束宽度，每个天线被定向以建立对海港附近海洋的连续覆盖。高达32dBi的高增益天线生成到很多英里远的远程MS的高容量链路。可以将多种技术用于这些应用，包括可在全部天线类型上实现的垂直/水平极化分集，或者具有不同的左旋/右旋的圆形极化天线。

参见图7，根据本发明的一个或多个实施例，图7图示BTS和MS节点的码头侧网络配置。该网络配置图示了BTS至BTS、BTS至MS和MS至MS的链路。该网络配置还图示了冗余路径，其中实线是主路径，而虚线是冗余路径。

参见图8A和8B，图8A图示海港网络配置，具有通过诸如抛物面天线等高增益天线实现的远距离链路。在该网络配置中，使用多个非重叠天线方向图实现对海港的全面覆盖。例如，在图8A中表示为1、2、3、4的四个BelAir200D BTS单元使用波束宽度大约11.25度的16个天线提供180度覆盖。图8B图示图8A所示的相同海港网络配置，但是具有来自BTS单元5、6、7和8的冗余链路。类似配置可以用于海军、陆军或空军基地的室外覆盖。BTS可以围绕周界定位和在场地内，并具有在路面车辆上的MS节点，或者作为移动地面人员的一部分。

与本发明相关的是由移动控制器（MC）执行的用于自动选择天线和无线电模块（RM）的方法（算法）。该算法包括三个正交和同时算法，尽管第一算法是可选的并可以由网络安装者手动地执行。

第一算法的目的是建立BTS节点的网络连接。这些节点由网络管理系统维护，但是必需是编程的或者必需使用下述步骤学习最优网络部署。

1．使被利用所列出的有线连接解决方案之一有线连接至网络管理系统（NMS）的BTS节点能够发送关于每个无线电模块（RM）的信标，信标包含系统标识信息（SSID）、该RM专用的媒体访问控制（MAC）地址和表示链路是空闲还是在使用中以及是主链路还是次要链路的可用性指示。选定的信道由NMS系统分配，但是也可以通过自由信道选择处理在本地已经确定。

2．没有被有线连接的其它BTS节点扫描RM、信道和天线的全部组合以获得对于相关RM和天线按BTS信号强度分类的可用节点列表，进而选择和建立到有线BTS的第一最佳链路，将链路状态设置为“不可用”。一旦这些BTS系统具有所建立的到NMS的连接，就使它们能够如上所述发送关于每个RM的信标。

3．NMS使每个BTS能够建立到其它BTS节点的预定数量的链路，剩余的链路预留给MS节点。

执行上述第一算法直到BTS节点全部被连接至NMS并且全部可使用到NMS系统的冗余路径进行操作。

第二算法的目的是建立和维护自每个MS到BTS的第一最佳（主）和第二最佳（次要）链路以建立网络连接。该第二算法由在移动站内的移动控制器维护和依赖于发送信标的BTS，每个信标如上所述包括MAC（媒体访问控制）地址、系统标识符（SSID）和可用性指示。

1．在每个MS节点内的MC控制每个RM使用每个相连天线扫描为BTS节点搜索的全部可用信道，从而获得对于相关RM和天线按信号强度分类的可用节点列表。

2．在每个MS内的MC选择RM、信道和天线的第一最佳组合，和根据信号强度建立到BTS节点的链路。随后，MC使该主链路能够传送数据业务。主链路可以占用次要链路，导致反复的链路优化处理。

3．在每个MS内的MC选择RM、信道和天线的第二最佳组合，和根据信号强度建立链路。这是次要链路，并被使能为热备用，但是并不传送数据业务。

4．在每个BTS内的MC比较主链路与次要链路，如果主链路劣化而不如次要链路，则次要链路变成主链路，和主链路变成次要链路。

无限期地重复步骤（3）和（4）。

第三算法的目的是建立和维护自每个MS至MS节点的第一最佳（主）和第二最佳（次要）链路以建立网络连接。该第三算法由MS内的MC维护和依赖于未连接无线电设备的可用性－有效地依然“可用”的链路。这些链路是最纤弱的，因为它们处于完全移动状态，并具有指示它们是MS至MS链路的特殊“可用性”状态。

该第三算法依赖于发送关于每个未连接RM的信标的MS节点，每个信标包括MAC（媒体访问控制）地址、系统标识符（SSID）和表示链路是空闲还是在使用中以及是主链路还是次要链路的可用性指示。

1．在每个MS节点内的MC控制每个未连接RM使用每个相连天线扫描为其它MS节点搜索的全部可用信道，从而获得对于相关RM和天线按信号强度分类的可用节点列表。

2．在每个MS内的MC选择RM、信道和天线的第一最佳组合，和根据信号强度建立到MS节点的链路。MC随后使该主链路能够传送数据业务。

3．在每个MS内的MC选择RM、信道和天线的第二最佳组合，和根据信号强度建立链路。这是次要链路，并被使能为热备用，但是并不传送数据业务。

4．在每个MS内的MC比较主链路和次要链路，如果主链路劣化而不如次要链路，或者如果次要链路是MS至BTS链路，则次要链路变成主链路，和主链路变成次要链路。

无限期地重复步骤（3）和（4）。

而且，应当鉴于下文来解释在此提供的公开和教导。首先，尽管算法使用信号强度作为维护链路的量度，但也可以使用其它链路质量参数，例如信噪比（SNR）、误比特率（BER）、链路吞吐量、链路容量或任意其它此类有意义的量度。其次，在所有情况下可以由NMS系统对算法进行调整，例如引入排除列表或永久链路。第三，尽管算法表示了P2P链路，但这仅是一种优选实施例。可以使用点对多点（P2MP）链路，只要所发送的信标包括链路信息的多个示例，例如用于每个P2MP链路端点的单独MAC地址。第四，已经将信标描述为传播链路信息的手段，然而，信标仅被公开为可以如何传送该信息的一个例子。在替代实施例中，可以不使用信标，可以要求BTS或MS站发出“探查请求”以确定BTS或MS是否存在，如果存在，则接收关于链路状态的详情。

尽管在本发明的优选实施例中将算法称作“第一”、“第二”和“第三”算法，但这些算法构成在每个MS和BTS内嵌入的单个算法。在一个实施例中，将节点预先规定为“BTS”或“MS”节点，因此仅操作第一、第二和第三算法的特定方面。在替代实施例中，一旦建立连接，则由NMS规定节点。

虽然已经参考当前被视为优选实施例的实施例描述了本发明，但应当理解本发明并不限于所公开的实施例。相反地，本发明将涵盖在权利要求书的精神和范围内包括的各种修改和等同配置。权利要求书的保护范围将依据最宽的解释，从而涵盖全部此类修改和等同结构与功能。

Claims (5)

1.一种在网络内通信的方法，该网络包括多个节点，每个节点是收发信机基站和移动站之一并配置为与多个基本类似的节点之一通信，该方法包括以下步骤：

a）使用收发信机基站发送信标，所述信标包括与该收发信机基站关联的无线电模块专用的媒体访问控制标识符和使用标识符；

b）使用移动站扫描信标；

c）使用该移动站根据从由信号强度和信噪比组成的组中选择的标准分类所检测的信标；

d）建立在该移动站和与收发信机基站关联的无线电模块之间的第一无线电链路，其中选定的无线电模块对应于具有最大信号强度的信标；

e）将选定的无线电模块的使用标识符设置为不可用状态；以及

f）重复步骤a、b和c。

2.权利要求1的方法，进一步包括以下步骤：

g）通过重复步骤a、b、c和d建立其中不传送无线电业务的第二无线电链路。

3.权利要求2的方法，进一步包括以下步骤：

h）当第一无线电链路的信号强度已经达到预定电平时，使用第二无线电链路发送数据和终止第一无线电链路。

4.权利要求1的方法，其中步骤c进一步包括使用移动站根据信号强度分类所检测的信标的步骤。

5.权利要求1的方法，其中步骤c进一步包括使用移动站根据信噪比分类所检测的信标的步骤。

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