CN101198167B - 融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统及其构建方法，包含：具有基站的蜂窝通信系统及分层Ad hoc网络组，所述基站包含全局信息数据库，实时的记录蜂窝中的频率使用情况和负载分布情况，基站根据全局信息数据库中的信息实时的计算阻塞概率，当阻塞概率超过一定阈值时，基站允许成组信令告知给蜂窝内的移动节点；所述分层Ad hoc网络组，包含：组头、组成员、网关、组代理。本发明的优点在于：更加合理的利用蜂窝网路以及Ad hoc网络各自的优势，最大限度地利用网络带宽和频率资源，有效地解决热点区域的拥塞问题。

Description

融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统及其构建方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统，尤其涉及一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统及其构建方法。

背景技术

移动通信的发展从最早的第一代模拟通信，到目前运营的2G、2.5G移动网络，再到正在建设的3G网络，通信速率不断提升。但相比之下，以蜂窝网络拓扑为核心的移动网络结构一直没有发生变化，不能灵活适应移动网络的发展。随着其他无线网络技术的发展，特别是WLAN技术的成熟和Ad Hoc网络技术在一些特色领域的应用优势逐步体现，使人们考虑通过设计融合多种技术的异构网络来实现各种技术的优势互补。通过改变移动网络的结构有可能为移动网络的发展开辟一条新的思路。

传统的蜂窝移动网是有基础设施的无线网络，其优点是技术成熟，能保证QoS，易于管理，其缺陷在于对基础设施依赖性强，当小区内移动用户密集，负荷很大时，作为接入点的基站将成为瓶颈。与有基础设施无线网络对应的是，以Ad hoc网络为代表的无基础设施网络。这类网络的特点是移动终端间能对等通信，无需基础设施，因此拓扑及组网方式灵活，加上链路层多采用已日趋成熟的WLAN技术，使得这类网络在传输数据业务时效率更高，广泛应用在军事、勘探、救灾等特殊领域。但其缺陷也很明显，由于采用竞争的分布式随机接入方式，网络拓扑的维护，节点管理、路由算法等问题用现有技术都不能完美解决。

由于蜂窝网与Ad hoc网在覆盖面、移动性、数据率、网络管理、性价比等方面有很强的优势互补性，因而成为研究网络互通和融合的主要焦点。现有的体系结构主要有以iCAR，UCAN为代表的多跳蜂窝网，即借助于Ad hoc进行连接扩展，已解决盲区覆盖和起到负载均衡的作用。但是在这类混合网络结构中，一方面需要辅助的基础设施，另一方面没有形成“组”的概念，每次通信都可能是选择不同的中继节点和Ad hoc链路，这对中继的选择以及链路的维护都带来很大的困难，同时也将造成很大的传输延时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统及其构建方法，更加合理的利用蜂窝网路以及Ad hoc网络各自的优势，最大限度地利用网络带宽和频率资源，有效地解决热点区域的拥塞问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统，包含：具有基站的蜂窝通信系统及分层Ad hoc网络组，所述基站包含全局信息数据库，实时的记录蜂窝中的频率使用情况和负载分布情况，基站根据全局信息数据库中的信息实时的计算阻塞概率，当阻塞概率超过一定阈值时，基站允许成组信令告知给蜂窝内的移动节点；

所述分层Ad hoc网络组，包含：组头：为至少具有两种无线接口的移动节点，用于维护整个ad hoc网络组的成员信息及拓扑信息，能够分别与所述基站和ad hoc网络组中的其他移动节点进行通信；组成员：为至少具有两种无线接口的移动节点，能够分别与所述基站和Ad hoc网络组中的其他移动节点进行通信；网关：为Ad hoc网络组中同时处于其他接入网的移动节点，能够与Ad hoc网络组中其他移动节点通信，不能与所述基站通信；组代理：处于多个Ad hoc网络组中，作为组间通信的中继节点。

一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统的构建方法，包含：蜂窝通信系统中的基站划分分层ad hoc网络组；分层ad hoc网络组内确定组头、网关及组代理。

一种混合网络系统的构建方法，其特征在于，所述基站划分分层adhoc网络组的过程，包含：a)当蜂窝内的阻塞概率达到一定阈值时，基站向蜂窝内的移动节点发送允许成组信息；b)具有相近的位置和共同运动特性的移动节点以单跳或多跳方式自组织成所述Ad hoc网络组。

一种混合网络系统的构建方法，分层ad hoc网络组内确定组头、网关及组代理的过程，包含：将具有高的功率电平，距离基站近，与基站的链路质量好，且在Ad hoc组内与其他节点具有较大连接度的移动节点选举为组头；将Ad hoc网络组中同时处于其他接入网的移动节点设置为网关；将处于多个Ad hoc网络组中的节点设置为组代理。

本发明的优点在于：更加合理的利用蜂窝网路以及Ad hoc网络各自的优势，最大限度地利用网络带宽和频率资源，有效地解决热点区域的拥塞问题。

附图说明

图1为本发明的一种混合网络系统的应用示意图；

图2为本发明的Ad hoc网络组的组网过程示意图；

图3为本发明的Ad hoc网络组位置更新过程示意图。

具体实施方式

有关本发明的技术内容及详细说明，现配合附图说明如下：

本发明提供一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统，包含：蜂窝通信系统及分层Ad hoc网络组，其中，

蜂窝通信系统，包含基站，在本发明中基站具有更多“智能”的特性，基站可以实时的检测蜂窝内的频率使用和负载分布情况，以决定蜂窝内ad hoc网络组的数目和规模。基站包括一个全局信息数据库的功能实体，实时的记录了蜂窝中的频率使用情况和负载分布情况，基站可以根据全局信息数据库中的信息实时的计算出阻塞概率，当阻塞概率超过一定阈值时，基站将允许成组信令告知给蜂窝内的移动节点。

分层Ad hoc网络组：由一组具有相近的位置和共同运动特性的移动节点自组织而成，其中定义的网络实体包含：

a)组头：为至少具有两种无线接口的移动节点，能够分别与蜂窝无线通信系统中的基站和ad hoc网络组中的其他移动节点进行通信。组头负责维护整个ad hoc网络组的成员信息及拓扑信息。组头是按照一组准则在基站的协调下选举出来的，准则包括移动节点的功率电平，位置坐标，连接度，以及与基站的链路质量，具有高的功率电平，距离基站较近，与基站的链路质量较好，且在Ad hoc组内与其他节点具有较大连接度的移动节点将优先被选举为组头，在所形成的Ad hoc网络组的生命周期内，组头并不是固定不变的，所有的组成员都能以公平的方式选举为组头。

b)组成员：为至少具有两种无线接口的移动节点，能够分别与蜂窝通信系统中的基站和Ad hoc网络组中的其他移动节点进行通信。

c)网关：为Ad hoc网络组中同时处于其他接入网的移动节点，可以与Ad hoc网络组中其他移动节点通信，但不能与蜂窝通信系统中的基站通信。

d)组代理：是特殊的组成员，它处于多个Ad hoc网络组中，可以作为组间通信的中继节点。

本发明还提供一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统的构建方法，包含：

步骤1：蜂窝通信系统中的基站划分分层ad hoc网络组。

根据当前蜂窝内的频率资源使用情况，通知一定数量，具有相近位置和共同运动特征的移动节点自动配置成分层ad hoc网络组，所述系统中的基站还可以根据当前蜂窝内的频率使用情况以及负载情况，计算出蜂窝内最优的分层ad hoc网络组的数目。

a)当蜂窝内的阻塞概率达到一定阈值时，基站将向蜂窝内的移动节点发送允许成组信息；

b)当节点允许成组时，一组具有相近的位置和共同运动特性的移动节点将以单跳或多跳方式自组织成所述Ad hoc网络组。

步骤2：分层ad hoc网络组内确定组头、网关及组代理。

组头是按照一组准则在基站的协调下选择出来的，所述的准则包括移动节点与基站的链路质量，功率电平，位置坐标，连接度，在所形成的ad hoc网络组的生命周期内，组头并不是固定不变的，所有的组成员都以公平的方式选举为组头。

组头是按照一组准则在基站的协调下选举出来的，准则包括移动节点的功率电平，位置坐标，连结度，以及与基站的链路质量，具有高的功率电平，距离基站较近，与基站的链路质量较好，且在Ad hoc组内与其他节点具有较大连接度的移动节点将优先被选举为组头；在所形成的Ad hoc网络组的生命周期内，组头并不是固定不变的，所有的组成员都能以公平的方式选举为组头；

将Ad hoc网络组中同时处于其他接入网的移动节点设置为网关。将处于多个Ad hoc网络组中节点设置为组代理。

根据本发明的一个方面，所述的组头不需要很大的发射功率，组内其它移动节点到组头可以是单跳连接也可以是多跳连接。组内的通信不再占用基站的频率资源，对于组内的非实时业务，可以在对等节点之间建立直接通信或者通过组内的其它节点作为中继以多跳方式进行通信。由于组成员仍具有与基站通信的无线接口，因此对于组成员与组外移动节点的实时业务仍可以采用传统的通信方式。由于组代理节点的存在，邻近组之间的非实时业务也可以通过组代理作为中继而在组之间以对等方式进行通信。由于网关节点的存在，Ad hoc网络组中的节点还可以通过网关节点与其它网络中的节点进行通信，实现异构网络间的资源共享。

基站与移动节点之间有着大量彼此相类似的控制信令，只是参数不同，  因此可以由组头通过组内对等通信收集位置更新等控制信令，并对信令进行压缩，由组头作为组代表向基站报告全组的位置信息，相当于分担了基站与移动节点之间的控制信令开销。

对于蜂窝通信系统中的下行组播业务，如流媒体，视频会议等，可以由基站单播到组头，然后由组头在组内进行组播，因为组内往往是高速率链路，通过把低速率蜂窝通信系统中的负载转移到高速率的Ad hoc网络中，可以有效地解决基站的瓶颈效应。

图1为本发明的一种混合网络系统的应用示意图。蜂窝小区100由基站101覆盖，在100中通过自组织的方式形成了两个分层Ad hoc网络组120和130，组头分别为121和131。在蜂窝小区100内，另有一WLAN150由AP151接入Internet。在蜂窝小区中还有一些不在任何Adhoc网络组中的普通移动节点103，104。分层Ad hoc网络组120的组成员包括122，123，124，其中124同时又为Ad hoc网络组130中的组成员，因此124为组代理。152为WLAN中的节点，如PDA，它与Ad hoc网络组120中的移动节点有共同的接口，并且有相近的位置和运动特征，因此152为Ad hoc网络组120的网关，通过152可以实现Ad hoc网络组和WLAN的互联。

图2为本发明的Ad hoc网络组的组网过程示意图。其中201，202，203，204，205为WCDMA基站200所覆盖小区中的移动节点，它们都有两个无线接口，分别为与基站通信的C接口和WLAN接口。206为WLAN中的节点，具有WLAN无线接口。201，202，203，204，205，206在基站的协调下自组织成Ad hoc网络组，由于201的连接度最大以及与基站之间的链路质量较好，因此201被选举为组头，所形成的Ad hoc网络组的其它节点都有到组头的单跳连接，因此该Ad hoc网内最多为2跳。并且203与204，205与206，206与204之间能直接对等通信。组内通信采用单信道的基于CSMA/CA的竞争接入方式。203和205向基站200定制了相同的视频业务，200先将视频业务流以单播方式传给组头201，然后由组头201在组内进行组播将业务转发给203和205。

图3为本发明的Ad hoc网络组位置更新过程示意图。当移动节点302，303，304，305，306从位置区边界小区350移动到另一位置区边界小区300时，不需要每个移动节点单独向300报告位置更新，而是由组头302在组内收集位置更新信息，然后由组头302代表组301中的其它节点向基站300报告位置更新信息。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施范围。即凡依照本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (2)

1.一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统，包含，具有基站的蜂窝通信系统及分层Ad hoc网络组，其特征在于：

所述基站包含全局信息数据库，实时的记录蜂窝中的频率使用情况和负载分布情况，基站根据全局信息数据库中的信息实时的计算阻塞概率，当阻塞概率超过一定阈值时，基站允许成组信令告知给蜂窝内的移动节点；

所述分层Ad hoc网络组，包含：

组头：为至少具有两种无线接口的移动节点，用于维护整个Ad hoc网络组的成员信息及拓扑信息，能够分别与所述基站和Ad hoc网络组中的其他移动节点进行通信；

组成员：为至少具有两种无线接口的移动节点，能够分别与所述基站和Ad hoc网络组中的其他移动节点进行通信；

网关：为Ad hoc网络组中同时处于其他接入网的移动节点，能够与Ad hoc网络组中其他移动节点通信，不能与所述基站通信；

组代理：处于多个Adhoc网络组中，作为组间通信的中继节点。

2.一种融合蜂窝式网络与自组织网络的混合网络系统的构建方法，其特征在于，包含：

蜂窝通信系统中的基站划分分层Ad hoc网络组；所述基站划分分层Ad hoc网络组的过程，包含：

a)当蜂窝内的阻塞概率达到一定阈值时，基站向蜂窝内的移动节点发送允许成组信息；

b)具有相近的位置和共同运动特性的移动节点以单跳或多跳方式自组织成所述Ad hoc网络组；

分层Ad hoc网络组内确定组头、网关及组代理；所述分层Ad hoc网络组内确定组头、网关及组代理的过程，包含：

将具有高的功率电平，距离基站近，与基站的链路质量好，且在Adhoc组内与其他节点具有较大连接度的移动节点选举为组头；

将Ad hoc网络组中同时处于其他接入网的移动节点设置为网关；

将处于多个Ad hoc网络组中的节点设置为组代理。

Images