CN101741669B - 一种链式无线网络的组建方法及网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种链式无线网络的组建方法及网络节点，用于多个网络节点的无线组网中，方法包括：选择一个可用信道作为当前第一网卡的工作信道；测量当前第一网卡之外的所有第一网卡的信号强度，获得测量结果，根据所述测量结果确定所述当前网络节点的所有邻居节点；所述当前网络节点的邻居列表发送给所述所有邻居节点，获得所述无线网络中所有网络节点的邻居列表；根据邻居列表进行路径计算，获得连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径；所述当前网络节点根据所述连接路径连入所述无线网络。本发明实施例在“邻居”节点之间无线信号强度无法准确反应出物理上的邻接关系的情况下，能组成一条高效率传输的链式网络。

Description

一种链式无线网络的组建方法及网络节点

技术领域

本发明涉及多接口无线网络自动信道分配和链路组建方法，特别是涉及一种链式无线网络的组建方法及网络节点。

背景技术

在日常生活中，存在着一种长条形的链状环境，例如隧道、列车、长廊等，随着宽带无线网络的普及，人们经常会在所述链状环境中使用无线网络，因此，建立一个适应所述链状环境的高效宽带无线链式接入网络，将对于在所述链式环境下活动的人们享受宽带服务显得极为重要。

另外随着无线接入设备成本的逐渐降低以及人们对于宽带化需求的激增，过去的每个接入点仅含有一个无线接口的模式已成为无线网络的瓶颈所在，因此含有多个无线接口的接入点已经得到工业界的认可。

基于以上这两个方面的考虑，本发明实施例着重针对由多个含有两个无线接口的接入点组成的链式网络的自组织信道分配的问题，以实现该链式网络在无任何手动设置的情况下自动建立一条链状的通信链路。

在现有的方案中，很多都是解决无线Mesh拓扑结构的网络中信道的分配问题，而考虑的网络中的节点或只有一个无线接口或含有多个无线接口，这样的网络环境(mesh拓扑结构)不具有本发明考虑的网络的特殊性(链式拓扑结构)，因此这些方案所用方法会显得比较复杂，或者不适用。

在实现本发明技术方案的过程中，发现：根据“邻居”节点之间的信号强度关系，从而推断出物理上的“左右”邻居，然后建立链式网络的算法，在理论上可行，同时在无线网络环境较好的情况下也适用，但是当空间比较复杂，电波反射、折射、衍射较多的空间里，“邻居”节点之间无线信号强度往往无法准确反应出物理上的邻接关系。在这种情况下，如何找出一条通路，连接所有的无线节点，组成一条高效率传输的链式网络，正是本发明实施例要解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种链式无线网络的组建方法及网络节点，能组成一条高效率传输的链式网络，解决现有技术在“邻居”节点之间无线信号强度无法准确反应出物理上的邻接关系的情况下，无法组建高效传输的链式网络的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种链式无线网络的组建方法，用于多个网络节点的无线组网中，每个网络节点都具有第一网卡和第二网卡，正在运行的网络节点称为当前网络节点，所述当前网络节点的第一网卡称为当前第一网卡，所述当前网络节点的第二网卡称为当前第二网卡，所述方法包括如下步骤：

选择一个可用信道作为所述当前第一网卡的工作信道；

测量所述当前第一网卡之外的所有第一网卡的信号强度，获得测量结果，根据所述测量结果确定所述当前网络节点的所有邻居节点；

将所述所有邻居节点的信号强度信息加入到所述当前网络节点的邻居列表中，并将所述当前网络节点的邻居列表发送给所述所有邻居节点；

接收所述当前网络节点之外的网络节点的邻居列表，存储后再转发至所述所有邻居节点从而获得所述无线网络中所有网络节点的邻居列表；

根据所述无线网络中所有网络节点的邻居列表进行路径计算，获得连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径；

所述当前网络节点根据所述连接路径连入所述无线网络。

优选地，所述根据所述测量结果确定所述当前网络节点的所有邻居节点的步骤，具体包括：

将所述测量结果中信号强度大于预定门限的第一网卡所在的网络节点作为所述当前网络节点的邻居节点。

优选地，所述路径计算具体包括：

初始化：任意两个网络节点之间的信号连接作为路径的一条信号边，选择信号强度大于预定门限的信号边作为可选信号边；

路径搜索：从所述可选信号边中选择连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径。

优选地，所述路径搜索具体包括：

从所述可选信号边中选择信号强度最大的信号边，作为已选路径；

从剩下的可选信号边中，选择符合预定条件并且信号强度最大的信号边加入所述已选路径，所述预定条件为：与所述已选路径的端点相连接并且不与所述已选路径构成回路；

判断是否构成连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径，是则输出所述连接路径，否则判断剩余可选信号边中是否有符合所述预定条件的信号边，有符合所述预定条件的信号边则继续选择所述已选路径的下一个信号边，没有符合所述预定条件的信号边则删除最新加入所述已选路径的信号边，并在排除所述删除的信号边的情况下选择符合所述预定条件并且信号强度最大的信号边加入所述已选路径。

优选地，所述路径计算具体包括：通过穷举法，获得连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的所有路径。

优选地，在每条路径中，任意两个网络节点之间的信号连接作为路径的一条信号边，每条路径都具有一条信号强度最弱的最弱信号边，所述连接路径为所述所有路径中最弱信号边最大的路径。

优选地，在选择一个可用信道作为所述当前第一网卡的工作信道的步骤之前还包括：

所述当前第一网卡等待一个随机的时间段；

判断是否存在未被使用的信道，是则将所述未被使用的信道作为可用信道，否则，将信号强度最弱且信号强度小于预定强度值的信道作为可用信道。

优选地，选择一个可用信道作为所述当前第一网卡的工作信道的步骤具体包括：

从所述可用信道中随机选择一个信道作为选出信道，在预定时间段内，如果没有所述当前第一网卡之外的第一网卡使用所述选出信道，则将所述选出信道作为工作信道；

或者，在预定时间段内，所述选出信道的信号强度小于所述预定强度值，则将所述选出信道作为工作信道。

优选地，所述网络节点包括：

第一网卡，用于选择一个可用信道作为工作信道；

第二网卡，用于确定所述网络节点的所有邻居节点；将所述所有邻居节点的信号强度信息加入到所述网络节点的邻居列表中，并将所述网络节点的邻居列表发送给所述所有邻居节点；

计算模块，根据所述无线网络中所有网络节点的邻居列表进行路径计算，获得连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径，使所述第二网卡根据所述连接路径连入所述无线网络。

优选地，所述计算模块具体包括：

初始化单元，用于：将所述无线网络中任意两个网络节点之间的信号连接作为路径的一条信号边，选择信号强度大于预定门限的信号边作为可选信号边；

路径搜索单元，用于：

从所述可选信号边中选择信号强度最大的信号边，作为已选路径；

从剩下的可选信号边中，选择符合预定条件并且信号强度最大的信号边加入所述已选路径，所述预定条件为：与所述已选路径的端点相连接并且不与所述已选路径构成回路；

判断是否构成连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径，是则输出所述连接路径，否则判断剩余可选信号边中是否有符合所述预定条件的信号边，有符合所述预定条件的信号边则继续选择所述已选路径的下一个信号边，没有符合所述预定条件的信号边则删除最新加入所述已选路径的信号边，并在排除所述删除的信号边的情况下选择符合所述预定条件并且信号强度最大的信号边加入所述已选路径。

本发明实施例至少存在以下技术效果：

1)根据邻居列表在每个网络节点都进行路径计算，对于空间复杂、无线信号强度与距离之间的关系不是很确定的情况下，也能够正常工作，找出一条链式通路。

2)不需要对网络中的节点进行任何手动配置，链路的建立完全是自组织的方式完成；

3)每个网络节点能与信号接收相对较好的两个网络节点建立连接，这样有利于保证节点间通信链路的质量；

4)由于连成的链路仅通过每个节点一次，传递的信息效率高，与一般连接方法相比损耗较小；

5)计算生成链路的算法效率很高，相比一般算法大大减少了运算时间，使连接算法在现实工程中可行；

6)络节点出现故障后，整个网络能够自动修复，保证网络链路的连通性；

7)网络节点加入网络时，可以自动的与网络中其他节点建立连接。

附图说明

图1为本发明实施例提供的链式网络的网络结构图；

图2为本发明实施例提供的方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的SPHM算法的初始化流程图；

图4为本发明实施例提供的SPHM算法的搜索流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的链式网络的网络结构图，如图1所示，每个网络节点(Tbox)包含有两个无线网卡(Mi，Si)。

图2为本发明实施例提供的方法的步骤流程图，如图2所示，本发明实施例定义了下面的步骤来保证该网络能够在没有任何手动操作的情况下建立通信链路：

步骤101，每个网络节点将网卡分为主网卡Mi(第一网卡)和辅网卡Si(第二网卡)；网络节点任意选定一个网卡为主网卡，另一个为辅网卡。

步骤102，每个网络节点的主网卡按照随机接入随机探测的方式从可用信道(未被网络中其他节点的网卡所使用的信道或信号最弱且强度小于门限值的信道)中选择一个信号条件足够好的信道作为其工作信道；

具体过程为：主网卡等待随机的一段时间后，从可用信道中随机选择一个信道，并在该信道上测量一段时间，如果在测量的这段时间内没有其他网络节点的网卡在使用该信道或该信道上的信号强度小于门限值，就将这个信道作为该节点的主网卡的信道。

步骤103，每个网络节点的辅网卡确定邻居节点列表；

每个网络节点的辅网卡会测量网络中所有主网卡(除其所在节点的主网卡)的信号强度，并将信号强度位于接听门限之上的主网卡所在的网络节点作为其邻居之一，插入到自己的邻居列表中(如表1)。

 

MAC Address	SNR(RSSI)
		00:EF:A3:23:B8:34	48
C0:3F:B2:23:31:FE	40
		15:23:BA:11:66:07	20
35:26:B4:EF:F2:30	10
		45:23:BA:EF:F1:01	8

表1

步骤104，每个网络节点将自己的邻居节点列表信息发给自己的邻居(如表2)，接收到其它节点的邻居列表也进行转发(根据时间戳或序列号判断只转发最新的)，最终使得每个节点都掌握了整个链式网络的信号接听情况.

表2

步骤105，对于每个网络节点，运用SPHM(A SNR Prior Heuristic Methodsfor Wireless Chain Network)方法算出较优的可行解，得到自己应该连接的目标邻居。

对于实际的链式网络中，往往符合要求的解很多.由于链路仅通过每个节点一次，因而链路中信号强度最小的边成了整个链路通信量的瓶颈.因而，当链路中信号强度最小边的信号较大时，链路较好.为了评价各通路的通信质量，本发明实施例设定current_min参数，含义为已形成通路中信号质量最差的边；当获得的解中current_min尽可能大时，表示通路中相对最差的边信号强度尽可能大，也就是较优的解。

SPHM算法的流程如下：

(一)初始化流程。流程图如图3所示：

设网络中节点数为N，各节点间接收信号的信号强度大于门限值的路径数为M，将图中的路径按照信号强度从大到小的顺序放入数组edges[M+1]中，数组每个元素的信息中包含开始节点号e1，终止节点号e2，信号强度snr，是否选中tag(1/0，初始化为0)(为方便描述，此处以节点编号代替MAC地址，下同).其中edges[0]＝{-1，-1，MAX_SNR，1}，假设为默认的最大信号边，方便运算。

(二)搜索流程。如图4所示，搜索流程包括：

401，建立数组path[N]记录已选中的边号，初始化为全0.变量current_min记录可用通路中信号强度最小的边，初始化为edges[]中信号强度最小的一条边，即最后一条边M。

402，在数组edges中按顺序搜索未选中的剩下各边，寻找信号强度最大的并已选路径端点相连接的边(若新选边与已选边形成环则不选，新选边信号强度小于current_min边信号强度，则不选)。

403，将符合条件的边记入path[]，并将edges[]中对应的tag设为1，修改端点。判断是否已形成满足条件的通路(且过所有节点)，若成功，则输出正确结果(计算新的current_min用于比较各通路)；若不成功，则转402继续搜索下一边；

404，若剩余边中没有满足条件的边，则删掉前一加入的边，回转402搜索剩余的边；

405，结束，输出最佳路径。

步骤106，每个网络节点的辅网卡与目标邻居的主网卡建立连接，使整个链式网络连通且不存在回路。

在整个链式网络(图1)中，网络两端的节点只有一个邻居。

按照以上几步，整个链式网络能够完成连接的建立，但是在网络工作的过程中会出现网络节点的断开的情况。当Tbox检测到一个网卡出现故障，则该Tbox就需要与整个网络断开。网络中的其他Tbox的辅网卡发现已经建立的连接断开后，就需要按照第103-106步中的方法重新建立连接。

在整个网络链路建立成功后，如果有一个新节点需要接入网络，那么该节点的主网卡按照上述步骤102的方法确定信道，辅网卡按照上述步骤103的方法确定了邻居关系后，就会向信号强度大于门限值的邻居发送消息，再由各节点依次转发，形成新的网络邻居列表，再由步骤105、106重新建立连接。

对应以上方法实施例，本发明装置实施例还提供了链式无线网络的网络节点，每个网络节点包含两个无线网卡(也可以称作无线接口，本发明实施例用网卡称呼，下同)，每个网络节点还包括计算模块。

整个网络中的各网络节点通过下面几个步骤自组织地完成链路的建立：

1)每个网络节点将网卡分为主网卡(第一网卡)和辅网卡(第二网卡)，每个节点的主网卡从可用信道(未被网络中其他节点的网卡所使用的信道或信号最弱且强度小于门限值的信道)中随机选择一个信道；

2)每个网络节点的辅网卡根据信号测量确定其邻居节点，并将自己与所有可检测邻居的信号强度值以“邻居列表”的形式发至各邻居，同时转发收到的别的节点的”邻居列表”；

3)每个网络节点的辅网卡均重复以上过程，使得最终每个节点均可得到整个链式网络的节点间的信号分布情况；

4)每个网络节点的计算模块(包括初始化单元和路径搜索单元)利用“信号强度优先的启发式搜索”(SPHM：A SNR Prior Heuristic Methods for WirelessChain Network)方法计算出网络节点链式通路。

计算链式通路的过程在模型上可以抽象成：在一个连通图上寻找到一条通路，该通路经过所有的节点一次且仅一次。该问题在数学上是经典的哈密尔顿通路(Hamilton Path)问题，目前没有证明有解的条件，也没有好的通用算法。如果采用穷举的方法，计算量随着节点和连接边的增加成指数爆炸性增长，算法时间耗费大，不具备现实工程意义。

具体搜索过程中，本发明实施例定义的算法采用信号强度较大者优先的原则，并在搜索过程中通过邻接边关系和信号强度的比较关系来舍弃一些不可能的解，最后在解集中运用类蒙特卡罗(Monte Carlo)的思想，在较优解出现概率较大的域中求解，降低了运算量，大大减少了运算时间，使连接算法在现实工程中可行。算法中的优化目标是：让“瓶颈”链路信号最大化。

5)每个网络节点根据算出的合适解连接目标邻居的主网卡，使整个链式网络连通且不存在回路，通过每个节点一次且仅一次(其中每个网络节点的辅网卡与其中一个邻居的主网卡建立连接)；

此外，当网络节点出现故障时，网络中与该故障节点相邻的节点重新确定其邻居，并与新邻居建立连接。当有新的网络节点加入时，该新节点会将其附近邻居间的链路断开，重新计算建立连接。

由上可知，本发明实施例至少存在以下优势：

1)根据邻居列表在每个网络节点都进行路径计算，对于空间复杂、无线信号强度与距离之间的关系不是很确定的情况下，也能够正常工作，找出一条链式通路。

2)不需要对网络中的节点进行任何手动配置，链路的建立完全是自组织的方式完成；

3)每个网络节点能与信号接收相对较好的两个网络节点建立连接，这样有利于保证节点间通信链路的质量；

4)由于连成的链路仅通过每个节点一次，传递的信息效率高，与一般连接方法相比损耗较小；

5)计算生成链路的算法效率很高，相比一般算法大大减少了运算时间，使连接算法在现实工程中可行；

6)络节点出现故障后，整个网络能够自动修复，保证网络链路的连通性；

7)网络节点加入网络时，可以自动的与网络中其他节点建立连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种链式无线网络的组建方法，用于多个网络节点的无线组网中，每个网络节点都具有第一网卡和第二网卡，正在运行的网络节点称为当前网络节点，所述当前网络节点的第一网卡称为当前第一网卡，所述当前网络节点的第二网卡称为当前第二网卡，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

所述当前第一网卡选择一个可用信道作为所述当前第一网卡的工作信道；

所述当前第二网卡测量所述当前第一网卡之外的所有第一网卡的信号强度，获得测量结果，根据所述测量结果确定所述当前网络节点的所有邻居节点；

所述当前第二网卡将所述所有邻居节点的信号强度信息加入到所述当前网络节点的邻居列表中，并将所述当前网络节点的邻居列表发送给所述所有邻居节点；

所述当前第二网卡接收所述当前网络节点之外的网络节点的邻居列表，存储后再转发至所述所有邻居节点从而获得所述无线网络中所有网络节点的邻居列表；

根据所述无线网络中所有网络节点的邻居列表进行路径计算，获得连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径；

所述当前网络节点根据所述连接路径连入所述无线网络。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述测量结果确定所述当前网络节点的所有邻居节点的步骤，具体包括：

将所述测量结果中信号强度大于预定门限的第一网卡所在的网络节点作为所述当前网络节点的邻居节点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路径计算具体包括：

初始化：任意两个网络节点之间的信号连接作为路径的一条信号边，选择信号强度大于预定门限的信号边作为可选信号边；

路径搜索：从所述可选信号边中选择连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述路径搜索具体包括：

从所述可选信号边中选择信号强度最大的信号边，作为已选路径；

从剩下的可选信号边中，选择符合预定条件并且信号强度最大的信号边加入所述已选路径，所述预定条件为：与所述已选路径的端点相连接并且不与所述已选路径构成回路；

判断是否构成连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径，是则输出所述连接路径，否则判断剩余可选信号边中是否有符合所述预定条件的信号边，有符合所述预定条件的信号边则继续选择所述已选路径的下一个信号边，没有符合所述预定条件的信号边则删除最新加入所述已选路径的信号边，并在排除所述删除的信号边的情况下选择符合所述预定条件并且信号强度最大的信号边加入所述已选路径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路径计算具体包括：通过穷举法，获得连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的所有路径。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在每条路径中，任意两个网络节点之间的信号连接作为路径的一条信号边，每条路径的信号边中都具有一条信号强度最弱的最弱信号边，所有路径中信号强度最大的所述最弱信号边所在的路径为所述连接路径。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在选择一个可用信道作为所述当前第一网卡的工作信道的步骤之前还包括：

所述当前第一网卡等待一个随机的时间段；

判断是否存在未被使用的信道，是则将所述未被使用的信道作为可用信道，否则，将信号强度最弱且信号强度小于预定强度值的信道作为可用信道。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，选择一个可用信道作为所述当前第一网卡的工作信道的步骤具体包括：

从所述可用信道中随机选择一个信道作为选出信道，在预定时间段内，如果没有所述当前第一网卡之外的第一网卡使用所述选出信道，则将所述选出信道作为工作信道；

或者，在预定时间段内，所述选出信道的信号强度小于所述预定强度值，则将所述选出信道作为工作信道。

9.一种链式无线网络的网络节点，其特征在于，所述网络节点包括：

第一网卡，用于选择一个可用信道作为工作信道；

第二网卡，用于确定所述网络节点的所有邻居节点；将所述所有邻居节点的信号强度信息加入到所述网络节点的邻居列表中，并将所述网络节点的邻居列表发送给所述所有邻居节点；

计算模块，根据所述无线网络中所有网络节点的邻居列表进行路径计算，获得连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径，使所述第二网卡根据所述连接路径连入所述无线网络。

10.根据权利要求9所述的网络节点，其特征在于，所述计算模块具体包括：

初始化单元，用于：将所述无线网络中任意两个网络节点之间的信号连接作为路径的一条信号边，选择信号强度大于预定门限的信号边作为可选信号边；

路径搜索单元，用于：

从所述可选信号边中选择信号强度最大的信号边，作为已选路径；

从剩下的可选信号边中，选择符合预定条件并且信号强度最大的信号边加入所述已选路径，所述预定条件为：与所述已选路径的端点相连接并且不与所述已选路径构成回路；

判断是否构成连接所述无线网络中所有网络节点并且无回路的连接路径，是则输出所述连接路径，否则判断剩余可选信号边中是否有符合所述预定条件的信号边，有符合所述预定条件的信号边则继续选择所述已选路径的下一个信号边，没有符合所述预定条件的信号边则删除最新加入所述已选路径的信号边，并在排除所述删除的信号边的情况下选择符合所述预定条件并且信号强度最大的信号边加入所述已选路径。

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