CN100512229C - 一种支持大容量移动网格网的无线移动站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持大容量移动网格网的无线移动站，组网工作时需要设置有至少二个无线移动站点，其特征在于：A、所述无线移动站点支持移动网格网拓扑结构，通过节点分簇方式和实时拓扑维护来实现稳定的移动网格网；B、所述无线移动站点采用与移动网格网相适应的维序路由原则和节点簇负荷分担，动态划分网络状态更新的广播域；C、所述无线移动站点采用适应网格网拓扑和业务服务质量要求的多信道技术和频点资源空间复用技术。本发明的显著效果是：解决了站点移动性与带宽资源空间复用之间的矛盾。在提高频点资源复用度的同时，确保宽带网络的可控制、可管理性和业务适配性。

Description

一种支持大容量移动网格网的无线移动站

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及工作在自组网模式下的宽带无线移动网络体系，是一种支持大容量移动网格网的无线移动站。

背景技术

通常无线接入网络协议划分为“三层二平面”，如图2所示，三层是指物理层、数据链路层和网络层；二平面即为数据、控制平面和管理平面。此外，还可以根据设计要求增加安全层协议。

网络层设计主要涉及拓扑和路由技术关系。拓扑从几何形态可以分为规则网和不规则网络，典型网络包括：全互联网、星型网、总线、环网、网格网、树形网。目前以IEEE 802.16为代表的宽带无线固定网络普遍采用两种固定的拓扑方式：如图3、4所示，星型拓扑(又称为“点对多点”组网方式)和“网格网”组网方式。在点对多点组网方式下，中心站(又称为基站)起到全网的控制管理和业务交换中心作用，用户站之间不能直接通信。该组网方式的拓扑稳定、路由方式确定，中心站成为网络的关键点。该网络中所有站点争用不可空间复用的无线频点资源。“网格网”组网属于自组网工作模式，网络各用户站之间可以直接通信。该网络具备多路径选择能力，其网络可靠性高。同时，该网络可以采用功率控制、定向天线等技术提高无线频点空间复用度。上述无线网络站点之间无位置移动、网络拓扑比较稳定。

然而，与上述宽带无线固定网络相比，移动无线移动网络实际拓扑变化大，一般无法采用稳定的拓扑关系描述。目前的宽带无线移动网络采用了“固定与移动相结合”的组网方式，即：具备稳定拓扑关系的宽带无线固定网络中心站与移动用户站混合组网方式。移动用户站可以在固定无线网络中心站之间实现越区切换，但无法实现网络中所有站点，包括中心站的移动性。

目前的移动网络主要采用“拓扑无关”的路由算法。路由算法主要作用归结为：拓扑发现和维护、路由选择。无线移动网络实际拓扑变化和带宽受限，其路由协议根据拓扑发现方式分为表驱动(TableDriven Protocols)和按需路由协议(Source-initiated On-demandProtocols)；按照拓扑结构又可区分为平面式路由协议(FlatProtocols)和分簇式路由协议(Clustered Protocols)。一般来说，衡量无固定拓扑的网络路由算法的主要指标是：拓扑无关性、快速收敛性、选路有效性。

目前宽带无线移动网络的缺点是：网络的移动性和带宽利用率之间的矛盾。因此，一方面采用固定基站与移动用户站相结合的宽带无线网络牺牲了网络的移动性；另一方面，采用拓扑控制等方法的无线移动网络，虽然支持其站点的移动性，但由于其信道资源分配的不确定性，无法保障带宽资源的可靠性、可管理性和业务适配性。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持大容量移动网格网的无线移动站。该移动站能充分利用无线通信网络的频点资源，在分配频点资源的同时，确保宽带网络的可控制、可管理性和业务适配性。

为达到上述目的，本发明提供一种支持大容量移动网格网无线移动站，以便实现频点资源空间复用，同时，提出了与该拓扑相适应的路由算法和多信道方案。网格网中的站点发生相对移动时，通过拓扑控制实现动态调整从而保持网格网拓扑。

移动网格网设置有至少二个无线移动站点，其关键在于：

A、所述无线移动站点支持移动网格网拓扑结构，通过节点分簇方式和实时拓扑维护来实现稳定的移动网格网；

B、所述无线移动站点采用与移动网格网相适应的维序路由原则和节点簇负荷分担，动态划分网络状态更新的广播域，降低路由维护量；

C、所述无线移动站点采用适应网格网拓扑和业务服务质量要求的多信道技术和频点资源空间复用技术。

所述节点分簇方式和实时拓扑维护的原则为；

A、所述无线移动站点支持分簇的移动网格网，网格网的“节点簇”由相近地理位置的站点组成，同一簇的站点归属于虚拟网格网的相同拓扑节点，各个簇的站点映射到网格网的相应拓扑节点；

B、所述无线移动站点通过拓扑控制维护了稳定的网格网拓扑，该网格网拓扑是相邻“节点簇”之间的平均距离以及网络通信容量的函数，拓扑控制实时计算“节点簇距离”并完成网格网拓扑映射，维护了稳定的网格网拓扑；

C、所述无线移动站点的拓扑控制是由发射功率控制和方位角调整实现，网络管理平面支持拓扑控制过程；

无线移动站采用动态维序路由原则、簇内站点负荷分担策略和动态划分网络状态更新广播域：

A、所述无线移动站点采用X-Y维序路由为基础的节点簇的寻址方案，节点簇内部具有不同Z维的站点在路径中作为负荷分担节，维序路由应该与网络拓扑变化相适应；

B、所述无线移动站点动态划分网络状态更新的广播域，该所划分区域范围由该区域内部的节点数目和拓扑结构所确定；拓扑结构考虑实际网络中站点之间连接所组成区域形状；区域边界节点状态需要向全网广播，而区域内部的节点状态信息在本区域内广播，从而抑制路由寻址和路由更新的广播风暴。

所述网格网实现多信道技术和频点资源空间复用技术为：

C1、将无线频点资源划分为多个信道资源，该信道分类为：预分配信道、竞争信道和簇内预留信道；

C2、通过预分配信道实现节点簇之间的多跳通信，由可用的信道小区组成区群实现蜂窝状的频点资源空间复用，避免了所分配信道之间的冲突；

C3、通过竞争信道实现节点簇之间的多跳通信，采用分布式调度算法方式竞争使用该信道资源；

C4、使用预留的簇内信道实现节点簇内部站点之间通信，通过分布式或者集中式调度算法竞争使用该信道资源。

本发明的显著效果是：解决了无线移动站的移动性和网络带宽利用率之间的矛盾。通过采用信道的固定分配从而为关键的控制、管理以及有服务质量保障要求的业务提供了稳定的信道资源。同时，利用了高带宽利用率的竞争信道，为无服务质量保障要求的业务提供了信道资源。本发明实现了宽带无线移动网络的带宽资源的可靠性、可管理性和业务适配性。

附图说明

图1是大容量移动网格网的实现流程图；

图2是现有的协议软件架构图；

图3是现有的点对点组网拓扑图；

图4是现有的无限网络网拓扑图；

图5是本发明的网格网拓扑结构示意图：

图6是本发明的X-Y维序路由图；

图7是本发明的多跳转发路径中的Z维节点簇负荷分担图；

图8是本发明的路由与拓扑“势态”图；

图9是四边形网格网的9个信道组成的区群图；

图10是频点拓扑控制方案流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，

如图5、6、7、8、9所示：一种支持大容量移动网格网无线移动站，以便实现频点资源空间复用，同时，提出了与该拓扑相适应的路由算法。网格网中的站点发生相对移动时，通过拓扑控制实现动态调整从而保持网格网拓扑。

移动网格网设置有至少二个无线移动站点，其关键在于：

A、所述无线移动站点支持移动网格网拓扑结构，通过节点分簇方式和实时拓扑维护来实现稳定的移动网格网；

B、所述无线移动站点采用与移动网格网相适应的维序路由原则和节点簇负荷分担，动态划分网络状态更新的广播域，降低路由维护量；

C、所述无线移动站点采用适应网格网拓扑和业务服务质量要求的多信道技术和频点资源空间复用技术。

所述节点分簇方式和实时拓扑维护的原则为；

A、所述无线移动站点支持分簇的移动网格网，网格网的“节点簇”由相近地理位置的站点组成，同一簇的站点归属于虚拟的移动网格网的相同拓扑节点，各个簇的站点映射到网格网的相应拓扑节点；

B、所述无线移动站点通过拓扑控制维护了稳定的网格网拓扑，该网格网拓扑是相邻“节点簇”之间的平均距离以及网络通信容量的函数，拓扑控制实时计算“节点簇距离”并完成网格网拓扑映射，维护了稳定的网格网拓扑；

C、所述无线移动站点的拓扑控制是由发射功率控制和方位角调整实现，网络管理平面支持拓扑控制过程；

无线移动站采用维序路由原则、节点簇负荷分担策略和动态划分网络状态更新广播域：

A、所述无线移动站点采用X-Y维序路由为基础的节点簇的寻址方案，节点簇内部具有不同Z维的站点在路径中作为负荷分担节点，维序路由与网络拓扑变化相适应；

B、所述无线移动站点动态划分网络状态更新的广播域，该划分的区域范围由该区域内部的节点数目和拓扑结构所确定，拓扑结构考虑实际网络中站点之间连接所组成区域形状。区域边界节点状态需要向全网广播，而区域内部的节点状态信息在本区域内广播，从而抑制路由寻址和路由更新的广播风暴。

所述网格网实现多信道技术和频点资源空间复用技术为：

C1、将无线频点资源划分为多个信道资源，该信道分类为：预分配信道、竞争信道和簇内预留信道；

C2、通过预分配信道实现节点簇之间的多跳通信，由可用的信道小区组成区群实现蜂窝状的频点资源空间复用，避免了所分配信道之间的冲突；

C3、通过竞争信道实现节点簇之间的多跳通信，采用分布式调度算法方式竞争使用该信道资源；

C4、使用预留的簇内信道实现节点簇内部站点之间通信，通过分布式或者集中式调度算法竞争使用该信道资源。

其工作原理如下：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

如图1所示：一种支持大容量移动网格网的无线移动站由具备业务处理和转发功能的移动站点设备无线连接组成，其工作方法和组建方式由下列步骤组成：

首先，预设网格网参数：打开首台站点，由首台站点配置预定的无线网络拓扑参数，按照地理位置对网络所采用的多边形网格网拓扑预置，并设置网格网拓扑节点之间距离，按照所述多边形网格网拓扑的配置结构，将首台站点设定为网格网拓扑节点的起始编号(X₀，Y₀，Z ₀ )，即节点簇的地址，其中X₀，Y₀是网络中拓扑节点在地理位置上的横、纵坐标排列，Z₀是拓扑节点号相同的站点设备的序列编号；

如图5所示：采用的多边形网格网拓扑结构为四边形网格网，首台站点的起始编号(X₀，Y₀，Z ₀ )为(0，0，0)；拓扑节点的范围大小由发射功率确定，相邻间拓扑节点的覆盖范围部分重叠。

通过节点分簇方式和实时拓扑维护来实现稳定的移动网格网。

如图8、9所示：其次，分配无线信道资源：将无线网络所工作的频点按照时分、码分或者频分等方式分割为多个子信道资源，所述信道资源分别属于预分配信道资源、竞争信道资源、簇内预留信道资源三个大类，其中每种类型的信道资源分别设置有至少一个信道；

本实施例选择400MHz无线频点且采用频分复用方式，仅考虑同频干扰因素，单个信道宽度为200KHz，该四边形网格网中设置11个信道资源：其中预分配信道资源包括第1、2、3、4、6、7、8、9段信道共采用400,000KHz～401,800KHz频段；竞争信道资源包括第10段信道采用401,800KHz～402,000KHz频段；簇内预留信道资源包括第11信道采用402,000KHz～402,200KHz频段；分配原则为：

按地理位置在网格网一个拓扑节点中的所有站点组成一个节点簇，一个节点簇内的所有站点归属于网格网的同一拓扑节点，并共同享用第I类信道资源，用于相同节点簇内部的站点之间的信息传输，通过调度算法支持，其各站点竞争使用预分配信道资源；

所述节点簇内的各个站点，共享用预分配信道资源，该预分配信道资源用于不同节点簇的节点之间的通信，以节点簇为拓扑节点单位，各节点簇之间采用预分配信道资源实现节点簇之间的多跳通信，该资源由网络管理系统采用固定分配指派给不同节点簇，所述网络管理系统存储在所有站点中；

所述节点簇内的各个站点，还共享用竞争信道资源，该竞争信道资源还用于不同节点簇的节点之间的通信；即以节点簇为拓扑节点单位，各节点簇之间采用竞争信道资源实现节点簇之间的多跳通信，通过分布式调度算法支持，节点簇之间竞争使用竞争信道资源；

一个节点簇内的所有站点共同享用簇内预留信道资源，用于相同节点簇内部的站点之间的信息传输，通过调度算法支持，其各站点竞争使用簇内预留信道资源；

采用适应网格网拓扑和业务服务质量要求的多信道技术和频点资源空间复用技术。

第三，无线网络组成：其它站点开机，根据其与步骤1所述的首台站点或者其他已经成功通信的相邻站点的距离，并且获得按照步骤2所述的无线信道参数，进而依照地理位置确定其在该无线网格网中的拓扑位置，获得相应的拓扑节点编号；

如与发起站地理位置相同则可获得拓扑节点编号(0，0，1)，与发起站地理位置相邻则可获得拓扑节点编号(1，0，0)；

如图10所示：第四，动态调整站点的拓扑节点编号：当发生站点移动并位于网格网的其他拓扑节点位置时，或者因为网络拓扑优化而发生网格网拓扑发生改变时，需要更新相应站点的拓扑编号；拓扑编号是站点自主更新选择，按地理位置取与其最接近的拓扑节点编号；其过程是，先选拓扑节点的编号，也就是站点的簇号(X，Y)，再在簇内选择簇序列号Z；

当新增站点或站点移动时，采用无线测距或结合卫星定位方式测量出与该站点相邻拓扑节点的距离；根据其与步骤1所述的首台站点或者其他已经成功通信的相邻站点的距离，并且获得按照步骤2所述的无线信道参数；进而依照地理位置确定其在该无线网格网中的拓扑位置，获得相应的二维拓扑节点编号，即簇号，如簇号(1，1)；判断该拓扑节点是否已经有其他站点，即是否有节点簇存在，从而获得节点簇序列号，如拓扑编号(0，1，0)的站点移动到拓扑编号(1，1，0)站点位置，则可以获得(1，1，1)的拓扑编号。

第五，动态调整网格网：当无线网络中出现站点增加、减少或则站点移动时，使网络容量与通信覆盖范围关系发生变化，需要动态调整网格网拓扑，即以网络容量和通信覆盖范围为准则，动态调整网络的拓扑形状，以及网格网拓扑节点之间距离；

采用与移动网格网相适应的维序路由原则和节点簇负荷分担，动态划分网络状态更新的广播域，降低路由维护量；

如图5所示：拓扑形状可以为四边形网格网、六边形网格网或三角形网格网之间的互换，也可以为网格网大小范围的调整，由各无线站点的发射功率确定，所述无线移动站点同时具备业务处理的无线终端功能和业务转发的路由器功能。

如图10所示：定时获取各相邻节点间的距离，计算各相邻拓扑节点的平均距离，使所设置的网格网拓扑成为节点簇平均距离和网络容量的函数，从而实时维护网格网拓扑；再判断实际节点簇拓扑是否正确映射到预设的网格网拓中，如果正确映射则复位定时器周期性重复该调整过程，如果没有正确映射则调整相应节点簇拓扑节点编号；复位到定时器，周期性重复上述调整过程。

周期性获得网络容量和网络拓扑节点距离信息，从而实现网络拓扑的动态调整。首先需要计算各相邻拓扑节点的平均距离D：

$D=\frac{1}{N\×M}\underset{i=1,j=1}{\overset{N,M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{(i,j,k)}\right],$

其中：节点簇(X，Y)内有K个站点，d_(i，j，k)为簇内站点设备编号(X，Y，Z)与相邻拓扑节点簇之间的距离值；M×N为网络内拓扑节点簇数目。再通过优化获得相邻拓扑节点的更新平均距离D_opt：

D_opt＝{D|T_max}，

上式中：T_max表示网络通信量最大作为优化条件。

上述拓扑调整完成后，再判断实际节点簇拓扑是否正确映射到新的网格网拓中；如果没有正确映射，则调整相应节点簇拓扑节点编号；上述调整完成后，重新启动定时器以实现周期性调整。

如图6、7所示：第六，路由使用：节点簇内部实现站点对站点之间的直接通信，而不同节点簇的节点之间通信，则采用X-Y维序路由为基础的节点簇寻址方案，即维序寻址和自适应寻址方式；在多跳路径中，节点簇内部多个节点具有不同的Z维坐标，仅作为负荷分担站点；

如图8所示：第七，路由发现和维护：临近站点之间通过广播和侦听获得初始的路由信息。路由维护采用动态两级分区管理机制，根据区域内部拓扑形状和节点数量确定该区域的子网络规模，一个子网络内部节点能够获得其子网络内部各个节点的连接状态，并且有其他子网络的边界状态信息。由于移动网络拓扑的时变性，根据拓扑形状的变化划分子网络。

通过划分拓扑限制更新信息的广播区域，从而实现分级式拓扑管理机制。其路由更新广播区域的划分不仅需要考虑区域内节点簇数量，同时也需要考虑其拓扑形状。考虑实际站点存在性和工作状态，图8中例出了移动网格网某些拓扑节点没有无线移动站的实际拓扑，这些拓扑节点的空缺影响了实际路由。其中拓扑形状为图8实线所示的区域包含了一个拓扑凸集而图8虚线所示的区域是包含了一个拓扑凹集。结合网络实际拓扑形状划分广播区域可以避免区域内部“无效”的迂回路由。

本发明采用动态拓扑更新广播区域，区域内部的站点状态信息限制在本区域内广播。从而抑制连接状态更新产生的广播风暴以及无效的路由寻址。

Claims (3)

1、一种支持大容量移动网格网的无线移动站，组网工作时需要设置有至少二个无线移动站点，其特征在于：

A、所述无线移动站点支持移动网格网拓扑结构，通过节点分簇方式和实时拓扑维护来实现稳定的移动网格网；

B、所述无线移动站点采用与移动网格网相适应的维序路由原则和节点簇负荷分担，动态划分网络状态更新的广播域；

C、所述无线移动站点采用适应网格网拓扑和业务服务质量要求的多信道技术和频点资源空间复用技术；

所述网格网实现多信道技术和频点资源空间复用技术为：

C1、将无线频点资源划分为多个信道资源，该信道分类为：预分配信道、竞争信道和簇内预留信道；

C2、通过预分配信道实现节点簇之间的多跳通信，由可用的信道小区组成区群实现蜂窝状的频点资源空间复用；

C3、通过竞争信道实现节点簇之间的多跳通信，采用分布式调度算法方式竞争使用该信道资源；

C4、使用预留的簇内信道实现节点簇内部站点之间通信，通过分布式或者集中式调度算法竞争使用该信道资源。

2、根据权利要求1所述的一种支持大容量移动网格网的无线移动站，其特征在于：所述节点分簇方式和实时拓扑维护的原则为；

A、所述无线移动站点支持分簇的移动网格网，网格网的“节点簇”由相近地理位置的站点组成，同一簇的站点归属于虚拟的移动网格网的相同拓扑节点，各个簇的站点映射到网格网的相应拓扑节点；

B、所述无线移动站点通过拓扑控制维护了稳定的网格网拓扑，该网格网拓扑是相邻“节点簇”之间的平均距离以及网络通信容量的函数，拓扑控制实时计算“节点簇距离”并完成网格网拓扑映射；

C、所述无线移动站点的拓扑控制是由发射功率控制和方位角调整实现，网络管理平面支持拓扑控制过程。

3、根据权利要求1所述的一种支持大容量移动网格网的无线移动站，其特征在于：采用维序路由原则、节点簇负荷分担策略和动态划分网络状态更新广播域：

A、所述无线移动站点采用X-Y维序路由为基础的节点簇的寻址方案，节点簇内部具有不同Z维的站点在路径中作为负荷分担节点，维序路由与网络拓扑变化相适应；

B、所述无线移动站点动态划分网络状态更新的广播域，该划分的区域范围由该区域内部的节点数目和拓扑结构所确定，拓扑结构考虑实际网络中站点之间连接所组成区域形状，区域边界节点状态需要向全网广播，而区域内部的节点状态信息在本区域内广播。

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