CN101600216B - 一种无线接入网络的分布式自愈方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线接入网络的分布式自愈方法和系统，包括：读取广播信息中携带的相邻基站的覆盖信息，覆盖信息至少包括如下之一：基站当前传输功率、基站所处地理位置、终端辅助转发控制字段；根据相邻基站的覆盖信息和原有信息，判断是否出现网络故障，如果是，执行下一步；计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊；将基站自身的功率调整至p^＊。本发明不仅实现对网络覆盖空白的及时恢复，还能有效控制网络中由填补覆盖空白而造成的相邻小区重叠覆盖面积的增加，以同时兼顾无线网络的可靠性与系统容量。

Description

一种无线接入网络的分布式自愈方法和系统

技术领域

本发明涉及各种高数据率、可被灵活部署的无线接入网络，较具体地说，涉及应用于由多个被高密度部署的访问节点(Access Point，AP)所组成的WLAN网络，由多个home-nodeb所组成的高密度毫微微蜂窝(Femtocell)网络等。

背景技术

近年来，随着无线通信网络和技术的不断发展，人们对高速率、高质量的业务需求显著增长。为了给用户提供无所不在的智能化、个性化的高质量网络服务，出现了无需集中管理即可被灵活部署的无线接入技术，如WLAN等。

采取上述可灵活组网的无线接入技术所组成的无线网络通常被认为具有高密度、无组织、难管理等特点。随着这样的网络部署密集程度越来越高，单个基站失效或是突然撤离的可能性也将大大增长，这将造成无线网络的故障，如覆盖空白等，大大降低无线接入网络的性能。

通常来说，网络故障可通过调整网络中其它基站的传输功率来解决。此方法被称为网络的自愈。然而，前面已经介绍过，由于可灵活组网的无线网络的无约束及灵活部署特性，在这样的网路中的自愈必然是通过各基站以分布式和异步的形式来完成的。单纯地通过提高某个基站的传输功率，会增加无线网络中相邻小区重叠覆盖面积，导致网络中邻区干扰、资源浪费等新问题的出现，进而影响无线网络的系统容量。

发明内容

针对网络自愈的需求，本发明提出了一种无线接入网络的分布式自愈方法和系统，支持网络基站具有实时感知网络故障并主动调整自身传输功率以恢复网络故障的能力。

根据本发明的一方面，提出一种无线接入网络的分布式自愈方法，包括以下步骤：读取广播信息中携带的相邻基站的覆盖信息，覆盖信息至少包括如下之一：基站当前传输功率、基站所处地理位置、终端辅助转发控制字段；根据相邻基站的覆盖信息和原有信息，判断是否出现网络故障，如果是，执行下一步；计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊；将基站自身的功率调整至p^＊。

进一步，读取广播信息中携带的覆盖信息的操作，包括以下步骤：基站直接监听并解析其他小区基站的广播信息来读取覆盖信息；或者通过同时感知到两个以上基站广播信息的终端接收覆盖信息，当覆盖信息中还包括终端辅助控制字段，且终端辅助控制字段表明要转发覆盖信息时，终端向自身接入的基站转发相邻基站的覆盖信息。

进一步，判断是否出现网络故障的操作，包括以下步骤：判断是否所有相邻基站的覆盖信息中传输功率的变动大于最大更新阈值，如果是，网络中已出现网络故障；或者判断覆盖信息中信息的更新是否超过时间阈值，如果是，网络中已出现网络故障。

进一步，计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊的操作，包括以下步骤： $p^{*}=\arg \mathrm{Max}({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}}),$ A_OL表示基站在功率取值p时，基站与其相邻基站之间的重叠覆盖面积，A_GAP是基站与其相邻基站之间的覆盖空白，a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白与重叠覆盖之间关系的权重系数。

进一步，当判断未出现网络故障时，还包括维持相邻基站覆盖信息列表的操作，具体包括以下步骤：判断是否到达终端辅助转发周期，如果是，将终端辅助转发字段设置为需要转发的状态，否则，设置为不需要转发的状态；判断是否到达发送广播信息的周期，如果是，将传输功率以及终端辅助转发字段信息广播至全网。

根据本发明的另一方面，还提出一种无线接入网络的分布式自愈系统，包括：读取模块，用于读取广播信息中携带的相邻基站的覆盖信息，覆盖信息至少包括如下之一：基站当前传输功率、基站所处地理位置、终端辅助转发控制字段；判断模块，用于根据相邻基站的覆盖信息和原有信息，判断是否出现网络故障，当出现网络故障时，通知计算模块计算传输功率p^＊；计算模块，用于根据读取模块读取到的覆盖信息，计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及自身与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊；调整模块，用于根据计算模块的计算结果，将基站自身的功率调整至p^＊。

进一步，读取模块设置在基站中，通过直接监听并解析其他小区的广播信息来读取覆盖信息；或者读取模块从同时感知到两个以上基站广播信息的终端接收覆盖信息，在覆盖信息中还包括终端辅助控制字段，且终端辅助控制字段表明要转发覆盖信息，终端向自身接入的基站转发相邻基站的覆盖信息。

进一步，判断模块在所有相邻基站的覆盖信息中传输功率的变动大于最大更新阈值时，判断为网络中已出现网络故障；或判断模块在覆盖信息中信息的更新超过时间阈值时，判断为网络中已出现网络故障。

进一步，计算模块根据如下公式计算传输功率p^＊： $p^{*}=\arg \mathrm{Max}({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}}),$ A_OL表示基站在功率取值p时，基站与其相邻基站之间的重叠覆盖面积，A_GAP是基站与其相邻基站之间的覆盖空白，a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白与重叠覆盖之间关系的权重系数。

进一步，判断模块判断已到达辅助转发周期时，将基站覆盖信息中终端辅助转发字段设置为需要转发的状态，在未到达终端辅助转发周期时，在基站覆盖信息中终端辅助转发字段设置为不需要转发的状态；在设置辅助转发的状态后，判断已到达发送广播信息的周期时，发送将传输功率以及终端辅助转发字段信息广播至全网的通知。

本发明提出了能支持可灵活组网的网络基站进行自愈的有效方法，既能实现对网络覆盖空白的及时恢复，还能有效控制网络中由填补覆盖空白而造成的相邻小区重叠覆盖面积的增加，以同时兼顾无线网络的可靠性与系统容量。

附图说明

图1为本发明中无线接入网络的分布式自愈方法流程图；

图2为本发明为支持网络信息交互以WLAN网络为例对Beacon帧进行扩展的示意图；

图3为本发明为支持网络信息交互以WLAN网络为例实现AP间直接信息交互示意图；

图4为本发明为支持网络信息交互以WLAN网络为例实现AP间通过终端转发间接信息交互示意图；

图5为本发明为支持网络信息交互以WLAN网络为例实现AP间通过终端转发间接信息交互流程图；

图6为本发明实施例基站根据直接与间接两种方式所交互得来的信息进行的相邻小区覆盖信息列表示意图；

图7为本发明实施例基站根据覆盖信息自动调整传输功率实现网络自愈流程图；

图8为本发明中无线接入网络的分布式自愈系统结构图。

具体实施方式

本发明提出了一种针对可灵活部署的高密度无线接入网络的分布式网络自愈方法，该方法可由组成无线网络的基站以分布式的方式异步自动执行。该方法主要针对高密度、可灵活部署的无线接入网络中某基站突然失效而后产生的网络故障进行有效处理。在此方法中，主要包括利用网络自身的广播信息对网络中其它节点传送自身的覆盖信息，以支持网络基站及时获取网络的覆盖信息并根据此信息做出相应的传输功率调整，以同时保证无线网络的覆盖和容量。

本发明以无线局域网络为示意实例，对其广播的信标帧进行了扩展，并提出了以该扩展帧为信息载体的相邻节点覆盖信息交互方法以及针对相邻节点覆盖信息的传输功率调整方法。通过上述方法，无线网络中的由基站失效而造成的网络故障可自动得到有效的恢复，网络的可靠性与系统容量也能得到有效的保障，并且得益于该方法的自动执行，无线网络的运营维护成本也能得到显著的降低。

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

图1为本发明中无线接入网络的分布式自愈方法流程，包括以下步骤：

步骤110，读取广播信息中携带的相邻基站的覆盖信息，覆盖信息至少包括如下之一：基站当前传输功率、基站所处地理位置、终端辅助转发控制字段。

图2所示为本发明以WLAN网络为例，为支持WLAN网络通过在AP上分布执行自愈算法所做出的对802.11Beacon帧体的扩展实例。如图2所示，本方法为Beacon帧体添加了“Station-Assisted Beacon-Transmitting”(SABT)即终端辅助转发控制字段201、“TransmittingPower”即AP当前传输功率字段202、以及“Geographic Position”即AP基站所处地理位置字段203，其对应的长度分别为1字节、2字节和2字节。上述字段添加在Beacon帧体中的必要信息字段如时间戳、信标间隔、SSID以及支持速率之后。其中，当前传输功率字段202与所处地理位置字段203字段的值涵盖了关于AP覆盖的主要信息，分别对应此AP当前的传输功率以及所处的地理位置(地理位置信息可由WLAN定位技术获取)，取值都在0-65535之间的某个具体数值。

由于在网络正常运作时，大规模并且频繁的传递AP覆盖信息是没有必要的，所以为减少网络正常运行使用时的信令开销，还增加了终端辅助转发控制字段201。该字段是为控制终端进行辅助转发而设置的，取值则在0-N之间变化，其值取0表示该Beacon信息不需要被转发，其值大于0时表示需要被转发。为减少不必要的信令开销，STAB的默认值为0，当AP开始正常工作后，SABT值的具体变化也是随着AP对动态网络环境的变化而变化的。当AP感知到当前网络环境稳定时，SABT每隔设置值L个Beacon周期被置为1，从而在到达L个Beacon周期时，控制与其进行通信的终端转发自身信息。当AP感知到相邻AP的覆盖变化过大或者相邻AP失效时，AP自身启动相应功率调整，与此同时，SABT被立即置为N，以控制终端立即向网络传递环境变动的信息，网络间的信令开销也随之增多。而当AP感知到网络逐渐恢复平静时，SABT也将自动减1，直至重新恢复为默认值0，以逐渐减少信令开销，直至恢复稳定状态。

本发明利用对网络的广播信息进行相应的扩展，并使用上述特定字段来承载网络覆盖信息，以支持网络中各基站进行信息交互。网络覆盖信息包含基站当前的传输功率、当前所处的地理位置信息。其中地理位置信息可通过相关的定位技术获取。在具备了上述两个具体网络覆盖信息后，网络中的基站可通过基站间直接交互或间接交互两种方式来完成对网络覆盖情况的获取。

直接交互是通过基站直接监听并解析其他小区基站的广播信息来实现。基站之间直接交互覆盖信息的一个WLAN网络的例子，如图3所示。能直接收到彼此Beacon帧的两个AP，如图3中的AP1、AP2，可通过互相监听对方广播的Beacon消息来实现信息交互。

间接交互则通过能同时感知到两个以上基站广播信息的终端来间接交互覆盖信息，终端接收来自其他基站的信息并转发至其实际接入的基站。为了终端辅助的信息交互的高效完成，基站用于传递自身覆盖信息的内容中，还包括终端辅助控制字段。当终端辅助控制字段表明要转发覆盖信息时，终端向自身接入的基站转发。终端辅助控制字段针对不同网络情况有不同的取值，以便在及时传递网络覆盖信息的同时不过多的增加网络的信令开销。如网络情况稳定时如何控制终端辅助转发以维持信息交互，以及在网络故障被确定后如何控制终端辅助信息以支持网络进行尽快调整等。

基站之间通过终端辅助间接交互覆盖信息的一个WLAN网络的例子，如图4所示。在图4中存在两个AP，分别记为AP1和AP2，有5个终端，分别记为STA1、STA2、......STA5，其中STA1与STA4通过AP1来展开数据通信，其他三个终端则通过AP2展开数据通信，并且STA5处在AP1与AP2的重叠覆盖区域之中。由于STA5的特殊位置，STA5在与AP2连接进行通信的同时，还能接收到来自AP1的Beacon。因此，AP1的Beacon信息经过STA5辅助转发至AP2的过程如图5中所示，包括以下步骤：。

步骤501，STA5对来自AP1与AP2的信息都保持实时监听；

步骤502，STA5解析收到的Beacon信息；

步骤503，STA5判断收到Beacon中的SA(源地址)值是否与收到数据帧的SA一致，如果是，表明此Beacon信息来自AP2，则不需对其进行进一步处理，返回步骤501。否则，表明此Beacon信息来自AP1，需要对其进行进一步处理，进入步骤504；

步骤504，STA5判断收到的来自AP1的Beacon信息中STAB值是否为0，如果是，表明AP1的Beacon信息此时不需要转发，直接返回步骤501。否则，执行步骤505；

步骤505，表明AP1的Beacon信息需要立即转发，STA5将此Beacon信息立即转发给AP2，并返回步骤501。

通过利用上述方法，WLAN网络中的AP可以及时获取相邻AP节点的相关信息。现有技术是通过特定的有线网络协议来实现基站间的网络信息，如ICMP(Internet Control Message Protocol，Internet控制消息协议)或是以太网协议(IEEE 802.3)。而本发明利用网络本身的广播信息来交互覆盖信息，不需要依靠其他网络，特别是有线网络。

步骤120，根据相邻基站的覆盖信息和原有信息，判断是否出现网络故障，如果是，执行步骤130，否则，执行步骤140。

判断是否所有相邻中传输功率的变动大于最大更新阈值，如果是，网络中已出现网络故障；或者判断覆盖信息中信息的更新是否超过时间阈值，如果是，网络中已出现网络故障。

步骤130，计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊，执行步骤150。

计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊的公式为：

$p^{*}=\arg \mathrm{Max}({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}})$

A_OL表示基站在功率取值p时，基站与其相邻基站之间的重叠覆盖面积，A_GAP是基站与其相邻基站之间的覆盖空白，a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白与重叠覆盖之间关系的权重系数。

基站与其他相邻基站的重叠覆盖为：基站分别与其相邻的每个基站两两之间覆盖交叠覆盖面积。基站与其他相邻基站的覆盖空白为：在以该基站的相邻基站为顶点组成的多边形区域内，扣除该基站和该基站相邻基站覆盖的所有面积后，还剩下的没有任何覆盖的空白区域。以WLAN网络为例，AP1周围有AP2、AP3、......APm，一共(m-1)个相邻节点，其分别对应的功率为p1、p2、......pm。相对应的，通过信号衰减公式，可得到覆盖半径为：

$r={10}^{\frac{p-\mathrm{RR}{S}_{\mathrm{th}}-46}{10n}}$ (公式1)

RRSth是AP以WLAN的最小工作速率1Mbps时所对应的信号敏感度，本实施例中取值-80dBm，n为信号衰落因子，本实施例取值2.5。AP1～APm的覆盖半径分别为 $r_1={10}^{\frac{p_1-\mathrm{RR}{S}_{\mathrm{th}}-46}{10n}},$ ... $r_m={10}^{\frac{p_m-\mathrm{RR}{S}_{\mathrm{th}}-46}{10n}}.$

令A_OL ¹表示AP1在功率取值p1时，AP1与其相邻AP之间的重叠覆盖面积，A_GAP ¹则是AP1与其相邻AP之间的覆盖空白，覆盖空白即以AP2、AP3、......APm为顶点组成的多边形区域中，扣除AP1、AP2、AP3、......APm的覆盖后，没有任何覆盖的空白区域。A_OL ^1，m表示AP1、APm之间的重复面积。则有

$A_{\mathrm{OL}}^{1,m}={r_1}^2(\arccos \left(\frac{{r_1}^2+{d_{1,m}}^2-{r_m}^2}{2r_1{d}_{1,m}}\right)-\frac{\sin \left(2\arccos \left(\frac{{r_1}^2+{d_{1,m}}^2-{r_m}^2}{2r_1{d}_{1,m}}\right)\right)}{2})$

$+{r_m}^2(\arccos \left(\frac{{r_m}^2+{d_{1,m}}^2-{r_1}^2}{2r_j{d}_{1,m}}\right)-\frac{\sin \left(2\arccos \left(\frac{{r_m}^2+{d_{1,m}}^2-{r_1}^2}{2r_m{d}_{1,m}}\right)\right)}{2})$ (公式2)

$A_{\mathrm{OL}}^1=\underset{i=2}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{OL}}^{1,i}$ (公式3)

其中，d_1，m表示AP1与APm之间的地理距离，可通过AP1和APm的地理位置信息来获得。

通过公式1和公式3，A_OL ¹可以表达为与功率p有关的函数：

(公式4)

同理还可有

$A_{\mathrm{GAP}}^1=I-\underset{i=2}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{OL}}^{1,i,I}+\underset{i=2}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=2,j\≠i}{\overset{j=m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{OL}}^{1,j,I}-...+{(-1)}^{m-1}{A}_{\mathrm{OL}}^{\mathrm{1,2},...,m,I}$ (公式5)

在公式5中，I表示由AP2、AP3...APm组成的多边形，因为对AP1来说，AP2、...APm的地理信息已知，加上通过公式1，公式5也可表达为与功率p有关的函数：

(公式6)

因此，可通过对最小化AP1与邻节点的重复覆盖与最小化AP1与邻节点的覆盖空白之间进行加权，以求取同时实现两个最小化的功率p1^＊，表示为：

$p_1^{*}=\arg \mathrm{Max}({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}^1}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}^1})$ (公式7)

a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白面积与重叠覆盖面积之间关系的权重系数。在本例中，a＝b＝1，ε＝1、η＝5.5。

步骤140，判断是否要转发覆盖信息，如果是，执行步骤230，否则，执行步骤160。

步骤150，将基站自身的功率调整至p^＊。执行步骤170。

步骤160，判断是否到达终端辅助转发周期L，如果是，执行步骤190，否则，执行步骤180。

判断辅助转发周期是为了在网络的正常期间，即没有基站进行功率调整时，网络中的基站仍然可以通过由终端辅助转发来获取相邻基站的相关信息，以维持如图6所示的邻节点列表。

步骤170，计算p^＊与原有功率p之间的差值。

步骤180，将覆盖信息中终端辅助转发字段设置为不需要转发的状态，执行步骤230。

步骤190，在覆盖信息中终端辅助转发字段设置为需要转发的状态，执行步骤230。

步骤200，判断差值是否小于最小更新阈值，如果是，执行步骤210，否则，执行步骤220。

步骤210，将终端辅助转发字段设置为传输功率为p^＊的基站已重新恢复稳定状态，执行步骤230。

步骤220，将终端辅助转发字段设置为需要转发的状态，执行步骤230。

步骤230，判断是否到达发送广播信息的周期，如果是，执行步骤240，否则，继续执行本步骤。

步骤240，将传输功率以及终端辅助转发字段信息广播至全网，返回步骤110。

现有的自愈方法包括通过集中式的控制来调整功率、或通过基站与终端之间的交互来调整功率、或以自身最近的基站为参考来调整功率。而本发明是通过分布式的方式，各基站独立调整功率来实现的，在调整过程中无需与终端进行交互，也不需要锁定某个特定基站进行参考。

在整个网络运行期间，网络中的基站都能根据自身获得的相邻节点信息分布独立地对自身功率的调整做出有效控制，并且通过SABT字段的转变，整个网络的基站的功率调整经过一定的收敛重新进入稳定，网络得以恢复正常工作。

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细说明。

图7以WLAN网络为例，给出了拥有三个相邻AP节点AP2、AP3及AP4的AP1通过对其所拥有的相邻节点信息列表的实时检测来实现网络自愈的例子。具体来说，该网络自愈方法执行在AP1的每个发送Beacon周期内，包括以下步骤：

步骤701，AP1对由直接或间接两种方式获取的Beacon信息进行解析，形成如图6所示的相邻AP节点信息列表并按照得到的信息实时更新；

图6以WLAN网络为例，给出了经过网络正常运行一段时间后，WLAN中AP1通过汇集并处理由直接交互或间接交互两种方法得来的Beacon信息所掌握的相邻节点信息列表。可以看出，AP1此时共有3个相邻节点AP2、AP3、AP4，相对应的，其邻节点信息列表共有3个，每个列表均包括四个必要选项，相邻AP节点所对应的MACAddress即Mac地址字段601、Transmitting Power即当前传输功率字段602、GeoPosition即地理位置字段603以及Update即计时器字段604。其中，601、602、603字段的值都从最新收到的Beacon帧中获取，604字段的初始值为0，每隔AP自身的Beacon周期时间即自动加1，直至收到新的来自对应相邻AP节点的Beacon，一旦收到，即把此字段的值重新恢复为0。

步骤702，一旦有新的更新发生，即开始针对此次更新的信息与上次的Beacon进行比较；

步骤703，判断此次所有相邻AP传输功率的变动是否大于最大更新阈值P_Max_TH(本发明中的实例为0.5倍现有功率)，或者计时器超过时间阈值U_TH(本发明中的实例为200Beacon周期)，若该两个条件都不满足，则进入步骤704；若其中有一条件满足，说明网络中已出现网络故障，则进入步骤708；

步骤704，判断AP1的当前SABT值是否大于0，若是则进入步骤713，否则进入步骤705；

步骤705，判断是否到达AP1的终端辅助转发周期L(本发明中的实例为L＝50倍Beacon周期)，若是，进入步骤706；否则进入步骤707；

判断辅助转发周期是为了在网络的正常期间，即没有AP进行功率调整时，网络中的AP仍然可以通过由终端辅助转发来获取相邻AP的相关信息，以维持如图6所示的邻节点列表。

步骤706，将AP1的SABT置为1，进入步骤713；

步骤707，将AP1的SABT值为0，进入步骤713；

步骤708，AP1针对最新获取的相邻节点信息，在自身的可调整范围内，通过设定步长a来找出能最小化自身能力范围之内的覆盖空白，同时还能最小化自身与相邻AP之间重叠覆盖面积的传输功率p^＊，并将自身的功率调整至p^＊；

在设定步长a后，AP1从最小功率开始，逐渐以p＝p+a，在其可以取值的范围内计算f(p₁)，其中 $f\left(p_1\right)=({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}^1}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}^1}),$ 并寻求使f(p₁)取最大的功率值p^＊。A_OL ¹是AP1在功率取值p₁时，AP1与其相邻AP之间的重叠覆盖区域的面积，A_GAP ¹是AP1与其相邻AP之间的覆盖空白区域的面积。a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白与重叠覆盖之间关系的权重系数。在本例中，a＝b＝1，ε＝1、η＝5.5。

步骤709，AP1判断计算得到的p^＊与原有功率p之间的差值。若该差值小于最小更新阈值P_Min_TH(本发明中的实例为0.1倍现有功率)，进入步骤710，否则进入步骤712；

步骤710，AP1判断自身Beacon的SABT字段是否为0，如果是，直接进入步骤713，否则进入步骤711；

步骤711，AP1将自身Beacon的SABT值减1，进入步骤713；

步骤712，AP1自身Beacon的SABT值置为N；

通过对SABT字段的修改来控制终端辅助转发。如AP1进行了功率调整，当此次的调整值小于最小更新阈值P_Min_TH，则AP1的SABT值自减1。在AP1的下一个Beacon周期中，如果AP的调整值继续小于最小更新阈值P_Min_TH，则继续自减1，直至SABT减为0。在SABT被减为0之前，收到此AP1Beacon消息的节点将继续向其他AP转发AP1的信息，帮助其他AP尽快得知AP1已重新恢复稳定状态，以有助于整个网络的AP重新进入稳定。若在AP1的SABT值自减的过程中，AP1的功率变化又出现大于最小更新阈值P_Min_TH的情况，SABT则重新以N为值进入下一Beacon周期。

步骤713，AP1判断是否已到自身的Beacon发送周期，若是，则进入步骤714，否则停留在此步骤，直至Beacon发送周期到达；

步骤714，AP1将包含由上述步骤得到的SABT值以及传输功率值的Beacon帧按照自身发送Beacon周期向网络广播，返回步骤701。

图8为本发明中无线接入网络的分布式自愈系统，包括：读取模块、判断模块、计算模块、以及调整模块。

读取模块，用于读取广播信息中携带的覆盖信息，覆盖信息至少包括如下之一：当前传输功率、基站所处地理位置、终端辅助转发控制字段。

本发明利用对网络的广播信息进行相应的扩展，并使用上述特定字段来承载网络覆盖信息，以支持网络中各基站进行信息交互。网络覆盖信息包含基站当前的传输功率、当前所处的地理位置信息。其中地理位置信息可通过相关的定位技术获取。在具备了上述两个具体网络覆盖信息后，网络中的基站可通过基站间直接交互或间接交互两种方式来完成对网络覆盖情况的探测与判定。

读取模块设置在基站中，通过直接监听并解析其他小区的广播信息读取覆盖信息；或者读取模块从同时感知到两个以上基站广播信息的终端接收覆盖信息，在覆盖信息中还包括终端辅助控制字段，且终端辅助控制字段表明要转发覆盖信息。

直接交互是通过基站直接监听并解析其他小区的广播信息来实现。基站之间直接交互覆盖信息的一个WLAN网络的例子，如图3所示。能直接收到彼此Beacon帧的两个AP，如图3中的AP1、AP2，可通过互相监听对方广播的Beacon消息来实现信息交互。

间接交互则通过能同时感知到两个以上基站广播信息的终端接收覆盖信息，为了终端辅助的信息交互的高效完成，基站用于传递自身覆盖信息的内容中，还包括终端辅助控制字段。当终端辅助控制字段表明要转发覆盖信息时，终端将相邻基站信息转发给自身接入的基站并进行读取。终端辅助控制字段针对不同网络情况有不同的取值，以便在及时传递网络覆盖信息的同时不过多的增加网络的信令开销。如网络情况稳定时如何控制终端辅助转发以维持信息交互，以及在网络故障被确定后如何控制终端辅助信息以支持网络进行尽快调整等。

判断模块，用于根据读取的覆盖信息与原有信息，判断是否出现网络故障，当出现网络故障时，通知计算模块计算传输功率p^＊。

判断模块在所有相邻基站的覆盖信息中传输功率的变动大于最大更新阈值时，判断为网络中已出现网络故障；或判断模块在判断相邻基站信息的更新超过时间阈值时，判断为网络中已出现网络故障。

计算模块，用于根据读取模块读取到的覆盖信息，计算基站自身能力范围之内的网络覆盖空白面积以及自身与相邻基站之间重叠覆盖面积均为最小对应的传输功率p^＊。

基站与其他相邻基站的重叠覆盖为：基站分别与其相邻的每个基站两两之间覆盖交叠覆盖面积。基站与其他相邻基站的覆盖空白为：在以该基站的相邻基站为顶点组成的多边形区域内，扣除该基站和该基站相邻基站覆盖的所有面积后，还剩下的没有任何覆盖的空白区域。

计算模块根据如下公式计算传输功率p^＊：

$p^{*}=\arg \mathrm{Max}({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}})$

A_OL是基站在功率取值P时，基站与其相邻基站之间的重叠覆盖区域的面积，A_GAP是基站与其相邻基站之间的覆盖空白区域的面积。a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白与重叠覆盖之间关系的权重系数。

下面以WLAN网络为例，说明计算模块计算传输功率的过程。

AP1周围有AP2、AP3、......APm，一共(m-1)个相邻接节点，其分别对应的功率为p1、p2、......pm。相对应的，通过信号衰减公式，可得到覆盖半径为：

$r={10}^{\frac{p-\mathrm{RR}{S}_{\mathrm{th}}-46}{10n}}$ (公式1)

RRSth是AP以WLAN的最小工作速率1Mbps时所对应的信号敏感度，本实施例中取值-80dBm，n为信号衰落因子，本实施例取值2.5。AP1～APm的覆盖半径分别为 $r_1={10}^{\frac{p_1-\mathrm{RR}{S}_{\mathrm{th}}-46}{10n}},$ ...... $r_m={10}^{\frac{p_m-\mathrm{RR}{S}_{\mathrm{th}}-46}{10n}}.$

令A_OL ¹表示AP1在功率取值p1时，AP1与其相邻AP之间的重叠覆盖面积，A_GAP ¹则是AP1与其相邻AP之间的覆盖空白。

A_OL ^1，m表示AP1、APm之间的重复面积，则有

$A_{\mathrm{OL}}^{1,m}={r_1}^2(\arccos \left(\frac{{r_1}^2+{d_{1,m}}^2-{r_m}^2}{2r_1{d}_{1,m}}\right)-\frac{\sin \left(2\arccos \left(\frac{{r_1}^2+{d_{1,m}}^2-{r_m}^2}{2r_1{d}_{1,m}}\right)\right)}{2})$

$+{r_m}^2(\arccos \left(\frac{{r_m}^2+{d_{1,m}}^2-{r_1}^2}{2r_j{d}_{1,m}}\right)-\frac{\sin \left(2\arccos \left(\frac{{r_m}^2+{d_{1,m}}^2-{r_1}^2}{2r_m{d}_{1,m}}\right)\right)}{2})$ (公式2)

$A_{\mathrm{OL}}^1=\underset{i=2}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{OL}}^{1,i}$ (公式3)

其中，d_1，m表示AP1与APm之间的地理距离，可通过AP1和APm的地理位置信息来获得。

通过公式1和公式3，A_OL ¹可以表达为与功率p有关的函数：

(公式4)

同理还可有

$A_{\mathrm{GAP}}^1=I-\underset{i=2}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{OL}}^{1,i,I}+\underset{i=2}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=2,j\≠i}{\overset{j=m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{OL}}^{1,j,I}-...+{(-1)}^{m-1}{A}_{\mathrm{OL}}^{\mathrm{1,2},...,m,I}$ (公式5)

在公式5中，I表示由AP2、AP3...APm为顶点组成的多边形，因为对AP1来说，AP2、...APm的地理信息已知，加上通过公式1，公式5也可表达为与功率p有关的函数：

(公式6)

因此，同时最小化AP1的网络覆盖空白面积以及重叠覆盖面积的功率p1可表示为：

${p_1}^{*}=\arg \mathrm{Max}({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}^1}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}^1})$ (公式7)

a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白面积与重叠覆盖面积之间关系的权重系数。

调整模块，用于根据计算模块的计算结果，将基站自身的功率调整至p^＊。

网络中基站根据覆盖信息自动决定是否调整发送功率，以减少网络覆盖空白同时保障系统容量。

进一步，本发明中无线接入网络的分布式自愈系统在调整传输功率p^＊后，还计算传输功率p^＊与原有功率p的差值，并将差值与设定的最小更新阈值进行比较，以将当前网络状态通知给其他节点。

判断模块还判断p^＊与原有功率p之间的差值是否小于最小更新阈值，如果是，将终端辅助转发字段设置为传输功率为p^＊的基站已重新恢复稳定状态，否则，将终端辅助转发字段设置为需要转发的状态。

由于在网络正常运作时，大规模并且频繁的传递基站覆盖信息是没有必要的，所以为减少网络正常运行使用时的信令开销，还增加了终端辅助转发控制字段201。该字段是为控制终端进行辅助转发而设置的，取值则在0-N之间变化，其值取0表示该覆盖信息不需要被转发，其值大于0时表示需要被转发。为减少不必要的信令开销，STAB的默认值为0，当基站开始正常工作后，SABT值的具体变化也是随着基站对动态网络环境的变化而变化的。当基站感知到当前网络环境稳定时，SABT每隔设置值L个广播周期被置为1，从而在到达L个广播周期时，控制与其进行通信的终端转发自身信息。当基站感知到相邻基站的覆盖变化过大或者相邻基站失效时，基站自身启动相应功率调整，与此同时，SABT被立即置为N，以控制终端立即向网络传递环境变动的信息，网络间的信令开销也随之增多。而当基站感知到网络逐渐恢复平静时，SABT也将自动减1，直至重新恢复为默认值0，以逐渐减少信令开销，直至恢复稳定状态。

进一步，判断模块还需要判断是否到达辅助转发周期，以便在网络的正常期间，即没有基站进行功率调整时，网络中的基站仍然可以通过由终端辅助转发来获取相邻基站的相关信息，以维持如图6所示的邻节点列表。

判断模块判断已到达终端辅助转发周期时，在覆盖信息中设置为需要转发的状态，在未到达辅助转发周期时，在覆盖信息中设置为不需要转发的状态。在设置辅助转发的状态后，判断已到达广播周期，发送将传输功率p^＊以及终端辅助转发字段信息广播至全网的通知。

进一步，本发明还可以包括发送模块，用于在接收到判断模块的通知时，即到达广播周期时，将传输功率以及终端辅助转发字段信息广播至全网。

本发明旨在支持可灵活部署的无线网络具备应对基站失效的能力，通过信息交互的方法来实现对网络故障的探测，进而通过自发的功率调整方法来实现对网络故障的恢复。

在整个网络运行期间，网络中的基站都能根据自身获得的相邻节点信息分布独立地对自身功率的调整做出有效控制，并且通过SABT字段的转变，整个网络的基站功率调整经过一定的收敛重新进入稳定，网络得以恢复正常工作。

Claims (10)

1.一种无线接入网络的分布式自愈方法，包括以下步骤：

读取广播信息中携带的相邻基站的覆盖信息，覆盖信息至少包括如下之一：基站当前传输功率、基站所处地理位置、终端辅助转发控制字段；

根据相邻基站的覆盖信息和原有信息，判断是否出现网络故障，如果是，执行下一步；

计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊；

将基站自身的功率调整至p^＊。

2.根据权利要求1所述分布式自愈方法，其中，读取广播信息中携带的覆盖信息的操作，包括以下步骤：

基站直接监听并解析其他小区基站的广播信息来读取覆盖信息；或者

通过同时感知到两个以上基站广播信息的终端接收覆盖信息，当覆盖信息中还包括终端辅助控制字段，且终端辅助控制字段表明要转发覆盖信息时，终端向自身接入的基站转发相邻基站的覆盖信息。

3.根据权利要求1所述分布式自愈方法，其中，判断是否出现网络故障的操作，包括以下步骤：

判断是否所有相邻基站的覆盖信息中传输功率的变动大于最大更新阈值，如果是，网络中已出现网络故障；或者

判断覆盖信息中信息的更新是否超过时间阈值，如果是，网络中已出现网络故障。

4.根据权利要求1所述分布式自愈方法，其中，计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊的操作，包括以下步骤：

$p^{*}=\arg \mathrm{Max}({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}})$

A_OL表示基站功率取值p时，基站与其相邻基站之间的重叠覆盖面积，A_GAP是基站与其相邻基站之间的覆盖空白面积，a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白面积与重叠覆盖面积之间关系的权重系数。

5.根据权利要求1所述分布式自愈方法，其中，当判断未出现网络故障时，还包括维持相邻基站覆盖交互信息列表的操作，具体包括以下步骤：

判断是否到达终端辅助转发周期，如果是，将终端辅助转发字段设置为需要转发的状态，否则，设置为不需要转发的状态；

判断是否到达发送广播信息的周期，如果是，将传输功率以及终端辅助转发字段信息广播至全网。

6.一种无线接入网络的分布式自愈系统，包括：

读取模块，用于读取广播信息中携带的相邻基站的覆盖信息，覆盖信息至少包括如下之一：基站当前传输功率、基站所处地理位置、终端辅助转发控制字段；

判断模块，用于根据相邻基站的覆盖信息和原有信息，判断是否出现网络故障，当出现网络故障时，通知计算模块计算传输功率p^＊；

计算模块，用于根据读取模块读取到的覆盖信息，计算使基站在其自身能力范围之内的网络覆盖空白面积最小以及自身与相邻基站之间重叠覆盖面积最小的传输功率p^＊；

调整模块，用于根据计算模块的计算结果，将基站自身的功率调整至p^＊。

7.根据权利要求6所述分布式自愈系统，其中，读取模块设置在基站中，通过直接监听并解析其他小区的广播信息来读取覆盖信息；或者

读取模块从同时感知到两个以上基站广播信息的终端接收覆盖信息，在覆盖信息中还包括终端辅助控制字段，且终端辅助控制字段表明要转发覆盖信息，终端向自身接入的基站转发相邻基站的覆盖信息。

8.根据权利要求6所述分布式自愈系统，其中，判断模块在所有相邻基站的覆盖信息中传输功率的变动大于最大更新阈值时，判断为网络中已出现网络故障；或

判断模块在覆盖信息中信息的更新超过时间阈值时，判断为网络中已出现网络故障。

9.根据权利要求6所述分布式自愈系统，其中，计算模块根据如下公式计算传输功率p^＊：

$p^{*}=\arg \mathrm{Max}({\mathrm{ae}}^{-\mathrm{\ϵ}{A}_{\mathrm{OL}}}+{\mathrm{be}}^{-\mathrm{\η}{A}_{\mathrm{GAP}}})$

A_OL表示基站在功率取值p时，基站与其相邻基站之间的重叠覆盖面积，A_GAP是基站与其相邻基站之间的覆盖空白面积，a、b、ε、η都为常数，是用来调节覆盖空白面积与重叠覆盖面积之间关系的权重系数。

10.根据权利要求6所述分布式自愈系统，其中，判断模块判断已到达终端辅助转发周期时，将基站覆盖信息中终端辅助转发字段设置为需要转发的状态，在未到达辅助转发周期时，在基站覆盖信息中终端辅助转发字段设置为不需要转发的状态；在设置辅助转发的状态后，判断已到达发送广播信息的周期时，发送将传输功率以及终端辅助转发字段信息广播至全网的通知。

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