CN101883367A - 具有星形拓扑结构的无线网络及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有星形拓扑结构的无线网络及其工作方法。一种具有星形拓扑结构的无线网络包括：第一中心节点；第二中心节点，其中，所述第一节点和所述第二节点在功能上等效；一组叶节点，被配置为根据所述中心节点是处于活动模式还是备用模式，而经由无线链路与所述第一中心节点或所述第二中心节点通信。

Description

具有星形拓扑结构的无线网络及其工作方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络，更具体地说，涉及具有高可靠性和系统可用性的无线通信网络。

背景技术

常规的星形网络包括一个中心节点(例如，接入点、基站、交换机或集线器(hub))和多个叶节点。叶节点仅直接与中心节点通信。因此，该网络形成了具有星形拓扑结构的图。

许多无线网络采用星形拓扑结构。例如，在IEEE 802.11标准无线局域网中，各接入点形成了节点连接到该接入点的星形网络。这种网络能够使用正交频分多址(OFDMA)和时分多址(TDMA)符号。移动台与接入点直接通信，但移动台彼此不通信。

类似地，在蜂窝网络(cellular network)中，各基站与小区内的移动终端通信。各小区可以被看作一个星形网络。

以下是星形网络的优点。该拓扑结构使得分组不经过不必要的节点。在该网络内的任何两个节点之间的任何通信都只涉及最多三个节点和两条链路(信道)。因此，性能是可预测的并得到增强。

各叶节点在本质上由将节点连接到集线器的链路来隔离开。这直接地将各节点隔离开，并且相当于断开节点与中心集线器的连接。这种隔离特性还防止了影响网络的任何非集中式故障。该隔离和集中简化了故障检测，因为可以单独探测各链路或节点。

中心节点对接入和资源进行总的控制。中心节点协调网络中所有叶节点的工作，因此能够减小或者消除叶节点之间的任何冲突和矛盾。

可以通过仅增加中心节点的容量来扩大网络的容量。

集中特性还使得能够对经过网络的流量进行监视以确定异常的行为。

简单星形拓扑结构消除了对复杂路由或消息传递协议的需要。

星形拓扑结构的一个缺点是对中心节点的依赖性。中心节点成了性能瓶颈并且还可能是单点故障的原因。中心节点的故障使得整个网络不能工作，因此显著降低了网络可用性性能。此外，网络的性能和可扩展性取决于中心节点的容量。

星形拓扑结构的另一个缺点是各叶节点仅通过到中心节点的链路而连接到网络。如果叶节点和中心节点之间的单个链路变得不可靠，则叶节点未能与网络中其他节点正确地通信。中心节点和叶节点之间的单个链路的故障导致叶节点被隔离。

因此，常规的星形拓扑结构造成的限制使得难以利用能够实现许多应用所要求的高业务可用性和性能可靠性的星形拓扑结构来设计有线或无线网络。

在通信网络中，经常使用自动重发请求(ARQ：automaticretransmission request)来提高通信可靠性。在ARQ中，如果接收节点没有正确地接收到消息，则该节点请求发送节点重发该消息。

在无线(或有线)通信网络中，空间分集也提供了改善的可靠性。可以将网络设计成使得数据分组经由两个或者更多个不相关的链路从发送节点发送到接收节点。

图1A示出了常规的无线星形网络100。该网络包括中心节点M 101和叶节点Sn 102，其中，n∈{1，2，...，N}，例如N为网络中叶节点的最大数量。通过无线链路120直接连接中心节点和各叶节点。叶节点彼此不直接通信。叶节点之间的通信经由中心节点进行。例如，S1-M-S5是数据从S1发送到S5的路径。

在中心节点101与一个特定叶节点(例如S3)之间的链路不能发挥功能(non-functional)或者不可靠的(X)情况下，该叶节点与网络隔离。其他叶节点仍然能够正常工作。在中心节点不能工作的情况下，整个网络100不能发挥功能。

图1B示出了双向无线链路的部件。该链路包括上行链路(UL)1202和下行链路(DL)1201。下行链路从中心节点向叶节点传递数据。上行链路从叶节点向中心节点传递数据。下行链路包括中心节点1011的发射机、无线链路1201、以及叶节点1021的接收机。上行链路包括中心节点1012的接收机、无线链路1202、以及叶节点1022的发射机。上行和下行无线链路可以相同或者不同。

可以由在传送数据时涉及的节点来表示路径。例如，{S1，M，S3}表示数据从S1传递到M，然后从M传递到S3。

如果发射机1011或者接收机1021发生故障，或者该链路不可用或不可靠，则下行链路发生故障。下行链路发生故障的结果是导致叶节点完全不能接收下行链路数据或者接收到有错误的下行链路数据。类似地，如果叶节点1022的发射机1011、中心节点1012的接收机发生故障，或者链路1202不可用或者不可靠，则上行链路发生故障。然后，中心节点不能正确地接收由叶节点发送的数据。

MAC超帧结构

图3示出了现有技术星形网络的MAC超帧结构300。超帧300包括6个时间段。在第一下行链路时段DL1301中，中心节点进行发送而所有叶节点进行接收。在第一上行链路时段UL1302，所有叶节点进行发送(顺序地或并行地)，而中心节点进行接收。所发送的上行链路数据包括DL1数据的确认(acknowledgement)以及实际上行链路数据。

时段DL2303使得中心节点能够确认从叶节点接收到UL1数据，并在特定叶节点不能作出响应或者发送了否定确认(NACK)时重发全部或者部分DL1数据。该时段还包括如果需要时使叶节点在时段UL2304中重发上行链路数据的请求。时段DL3305使得中心节点能够再重发一次，并且在第一次重发失败的情况下，时段UL3306用于叶节点的第二次重发。采用了ARQ的MAC帧结构能够显著提高上行链路和下行链路发送的成功率。

发明内容

本发明描述了一种具有星形拓扑结构的高可靠性无线网络结构及其工作。本发明的网络拓扑结构除了包括现有的活动中心节点和叶节点之外还包括一个(或更多个)备用中心节点。本发明的星形网络提供了非常高的可靠性和可用性。本发明描述了该网络拓扑结构和媒体接入控制(MAC)帧结构。本发明还描述了用于使活动节点和备用节点对其工作模式进行切换的协议。

附图说明

图1A是具有单个中心节点和多个叶节点的现有技术星形网络的示意图；

图1B是中心节点和叶节点之间无线链路的框图；

图2是根据本发明的实施方式的星形网络示意图，其具有一个活动中心节点、一个备用中心节点和多个叶节点；

图3是图1A的常规星形网络的MAC超帧结构的框图；

图4是根据本发明的实施方式的星形网络的MAC超帧结构的框图；

图5是本发明的实施方式的星形网络的工作定时图；

图6是根据本发明的实施方式的发送和重发处理的流程图；

图7是根据本发明的实施方式的备用节点辅助下行链路重发的定时图；

图8是根据本发明的实施方式的备用节点辅助上行链路重发的定时图；

图9是根据本发明的实施方式的对备用节点的活动节点辅助上行链路重发的定时图；

图10是根据本发明的实施方式的由来自活动节点的请求触发中心节点模式切换时的定时图；以及

图11是根据本发明的实施方式的由来自备用节点的请求触发中心节点模式切换时的定时图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的实施方式的星形网络200。该网络包括活动中心节点Ma 101、备用中心节点Mb 201和叶节点Sn 102。中心节点Ma和Mb除工作模式外在功能上是相同的。各叶节点102通过两个无线链路120和220连接到网络。这些链路形成了具有预定子载波频率的信道。网络中的叶节点仅在被轮询时进行发送，并且加入网络的新节点首先监视这些信道。

可以通过提供冗余来提高星形网络的可靠性和可用性。可以将冗余应用于节点和链路。冗余的备用节点能够防止由于单个节点的故障而中断网络的工作。冗余的链路使得在原始链路变得不可用或者可靠性低时能够将数据经由不同链路传递到目的地。

为了提供不间断的服务，备用节点在正常工作期间工作在“热”备用模式下。在热备用模式下，备用节点与相应的活动节点保持同步，但有限参与到该网络中。在同步时，两个中心节点复制使网络工作的所有必要信息，并立即从一个节点切换到另一个节点来工作。

在活动节点发生故障的情况下，备用节点从备用模式切换到活动模式，并且恢复发生故障的活动节点的工作，以提供间断很少或者无间断的服务。该切换可以在一个扫描周期内进行，即，一个扫描周期是信标之间的时段，例如，Tscan＜150ms或300ms。

在两个中心节点101、201同处一地时通过另一无线链路204(可以是无线或者有线的)将这两个中心节点彼此连接起来。该链路在这里称为并行链路(PL)。类似于网络100，叶节点仅与中心节点进行通信。叶节点仅经由中心节点而彼此通信。

活动中心节点Ma 101执行必要的功能，诸如形成和管理网络、与叶节点进行通信。此外，节点Ma随后与备用中心节点Mb 201进行通信，并监视其状态。

备用中心节点Mb并不执行与活动中心节点Ma相同的全部功能。备用中心节点Mb与活动中心节点Ma的状态同步。因此，备用中心节点101对活动中心节点以及全部叶节点的发送进行监视。此外，备用中心节点周期性地向活动节点发送其状态，以使活动中心节点和叶节点能够验证(verify)备用中心节点与其他节点之间的无线链路状态。

备用中心节点还能够用来辅助在正常工作期间活动中心节点与叶节点之间的数据传递。在该结构中，备用节点Mb提供了活动节点与叶节点之间的备选链路。当节点Ma和Mb同处一地时，备选链路还提供了在Ma与叶节点之间衰落的情况下的空间分集。在这种情况下，节点Mb能够将消息中继至Sn。利用备用中心节点，即使在叶节点与活动节点之间的直接链路变得不可用或不可靠时，叶节点仍能够保持连接到网络。

例如，如果活动中心节点101与叶节点Sn之间的上行无线链路不可用或不可靠，路径{Sn，Ma}变得不可用，则叶节点Sn仍然能够通过路径{Sn，Mb，Ma}和{Ma，Mb，Sn}经由备用节点201与节点Ma通信。类似地，{Ma，Mb，Sn}是路径{Ma，Sn}的备选路径。还可以使用{Ma，Sn，Mb}作为{Ma，Mb}的备选路径。这里，Sn可以是叶节点中的任何一个。

图4示出了用于图2中所示的具有备用中心节点的星形网络200的MAC超帧结构400。该超帧包括一个初始发送片段410和一个或多个可选的重发片段420。

初始发送片段和重发片段均可被划分为三个时段：下行链路发送时段DL1或DL2、上行链路发送时段UL1或UL2、以及并行链路发送时段PL1或PL2。初始发送片段410包括一个下行链路时段DL1301、一个上行链路时段UL1302和一个并行链路时段PL1401。

各重发时段420包括下行链路时段DL2303、上行链路时段UL2304和并行链路时段PL2402。

图4中的示例示出了一个初始发送片段和两个重发片段。重发片段的数量可以与性能和其他要求相适应。超帧的时长可以是固定的或者可变的。

图5和图6示出了沿下行方向在超帧400内在网络中传送数据的定时细节。在下行链路时段DL1、DL2期间，活动中心节点进行发送而备用中心节点和叶节点进行接收。在并行链路时段PL1、PL2期间，备用中心节点进行发送而活动中心节点和叶节点进行接收。在上行链路时段UL1、UL2期间，叶节点进行发送(顺序地或并行地)而活动中心节点Ma和备用中心节点Mb 201进行接收。

在该超帧中，活动中心节点Ma向叶节点Sn发送下行链路数据，以及其他广播消息，例如DL1中的网络管理和资源分配。信标可以是DL1时段期间的发送的一部分。信标用于对工作进行同步，并确定各种时段的结构。

叶节点可以仅在该节点在DL1时段期间从节点Ma接收到数据之后，在第一上行链路时段UL1302中进行发送(顺序地或并行地)。在时段UL1期间发送的数据包括但不限于：DL1分组的确认、到节点Ma的上行链路数据、以及来自前一超帧的PL分组的确认。

在并行链路时段PL1401期间，备用节点Mb向活动节点Ma发送数据。活动节点的接收机确定下行链路是否发挥作用以及性能是否可接受。该时段中发送的数据包括：对DL1数据接收的ACK、对来自叶节点的UL1数据接收的ACK。该数据还可以包括叶节点没有正确接收到的全部或部分DL1数据的任务以及从节点Mb到节点Ma的其他数据。它还可以包括对在UL1时段中从某些或全部叶节点接收的数据的重发。步骤601和602分别对错误和最大重发次数进行检查。

在一个实施方式中，节点Ma能够将来自叶节点Sn并由节点Mb间接中继的数据与从同一叶节点直接接收到的数据组合起来以改善错误率。如果目标接收方成功接收到全部DL1、UL1和PL1发送，则不需要重发。

下面是可能要求重发的一些情形。某些或全部叶节点不能正确接收DL1数据。在叶节点的UL1分组中指示了这种情形，或者由缺少叶节点的UL1发送来指示这种情形。节点Ma接收有到错误的UL1数据，或者，节点Mb接收到有错误的DL1数据或有错误的UL1数据中的一个。在PL1分组中指示了该情形。节点Ma接收有错误的PL1分组。

在重发片段中，活动中心节点Ma 101在下行时段DL2中进行发送，叶节点仅在活动中心节点Ma或备用中心节点Mb 102请求时才在UL2时段中进行发送，而备用中心节点在PL2时段中进行发送。

为了实现高性能，备用节点可以被配置成辅助重发。

图7示出了备用节点辅助下行链路重发的一种实现。如果特定叶节点在DL1时段中没有接收到数据DL_Sn，或者接收到有错误的DL_Sn，则叶节点或者通过在UL1分组中发送NACK或者不发送UL1分组来指示这种情形。

备用中心节点Mb 201在PL1分组中立即重发DL_Sn数据。活动中心节点Ma 101还在DL2时隙中重发这些数据。

图7示出了即使在DL2中对DL_Sn的重发再次失败的情况下，叶节点Sn也成功地接收到由Mb中继的DL_Sn数据。叶节点Sn还能够将在PL1中从节点Mb接收的数据与在DL2中从Ma接收的数据组合起来以进一步改善成功率。

这种发送方案通过重发和路径空间分集二者而改善了下行链路发送可靠性。

图8示出了上行链路数据的备用节点辅助重发的定时。如果节点Ma有错误地接收到但节点Mb正确地接收到(例如，由PL1中ACK指示)来自某些叶节点的UL1中的数据UL_Sn，则节点Ma可以在DL2中发送对上行链路数据重发的请求。相应的叶节点在UL2中重发数据UL_Sn。备用节点Mb还在PL2中发送同一数据UL_Sn。

图9示出了对备用节点进行的上行链路数据的活动节点辅助重发的定时。如果节点Ma正确地但节点Mb不正确地(例如，由PL1中NACK指示)接收到来自某些叶节点的上行链路数据UL_Sn，则节点Ma在DL2时段中重发UL_Sn，并且还请求相应的叶节点在UL2时段中重发UL_Sn。

通常，并行链路204更可靠。还可以将网络配置成如果节点Mb没有正确地接收到DL1中的数据，则节点Ma可以请求一个或更多个叶节点将DL消息中继给Mb。类似地，可以由叶节点将Ma没有正确接收到的PL数据中继给Ma。

中心节点工作模式切换

为提高可靠性和可用性，中心节点能够在如下不同工作模式之间切换：非活动、备用和活动。

活动中心节点Ma 101能够在其停止工作时切换到备用模式或者非活动模式，并且与网络隔离开。

活动中心节点能够在其执行如下工作时切换到备用模式：

a、从网络接收命令或者其他外部输入(例如来自网络运营商的命令)，以及

b、确定备用节点具有更好的性能，例如与叶节点的更好链路质量，即，备用中心节点的总错误率远低于活动节点的总错误率。

在下列情况下活动中心节点变成非活动的并将其自身从网络中移除：

a、活动中心节点接收到运营商的请求或者外部命令，

b、某些或全部叶节点不能接收DL数据，

c、中心节点不能从某些或全部叶节点正确地接收数据，或者

d、备用中心节点通过在传送到活动节点的PL数据中宣告其成为活动中心节点而变成活动中心节点。

在下列情况下备用中心节点变成活动的：

a、备用节点从活动备用上级节点(active standby master)接收到用于切换到非活动模式的命令，

b、备用节点未能在DL时段或者UL时段中接收到任何数据，或者

c、活动中心节点和全部叶节点没有接收到(和确认)由备用节点发送的PL数据。

仅在以下情况下备用中心节点才变成活动中心节点：

a、备用节点从当前活动中心节点接收到请求，或者

b、备用节点检测到活动中心节点的故障。

活动中心节点在其停止发送或正确接收时发生了故障。该故障可能是由于硬件故障、软件故障、或者天线的物理损坏或阻断(blockage)而导致。如果活动节点不能检测到这些情况，则备用中心节点可以检测到这些检测情形并宣告其为活动节点。

图10示出了在DL2中由活动中心节点请求1010触发的切换处理的实现的定时。活动中心节点在初始发送片段期间检测到其故障。备用中心节点通过在PL2时段中发送的DL1数据而宣告其成为活动节点。因此，超帧在原始PL2时段777的起点处开始。所有叶节点在新超帧700中指派的时段中开发发送1020。

图11示出了由备用节点检测(1110)到活动中心节点故障触发的切换处理的定时。例如，如果活动节点的发射机发生故障，则备用节点在DL1和UL1中没有接收到数据。活动节点在PL1时段中发送消息以请求活动节点以及一些或全部叶节点分别在DL2和UL2中进行发送。

响应于接收到该消息，叶节点在UL2中进行发送。如果备用节点在UL2时段中从叶节点接收(1120)到数据，则它确认活动中心节点没有正确地发挥作用。备用节点切换(1130)到活动模式，然后在PL2被调度以在原始超帧中进行发送的时段中发送DL1分组。PL2时段的起点变成这里定义的新超帧700的超帧起点399。所有叶节点在新时隙中开始发送UL分组。

如果先前的活动节点从先前的备用节点Mb接收到消息，则它切换到备用或非活动模式。

从非活动模式中恢复的中心节点可以通过在PL1时段中发送加入请求而作为备用中心节点重新加入网络。该过程与新的中心节点作为备用节点加入网络相同。

发明效果

本发明的一个优点是，工作在热备用模式下的中心节点提供了冗余的中心节点，因此去除了星形网络中的单点故障并且能够显著改善网络可用性。

备用中心节点引入了叶节点与网络之间的冗余链路，因此改善了通信可靠性。

介质访问控制(MAC)超帧被定义为启用网络中的备用中心节点，并使得两个中心节点在与叶节点通信时协同工作。

切换过程使得中心节点能够在不中断网络的工作的情况下在非活动、活动和备用模式之间切换。

Claims (20)

1.一种具有星形拓扑结构的无线网络，该网络包括：

第一中心节点；

第二中心节点，其中，所述第一中心节点和所述第二中心节点在功能上等效；

一组叶节点，被配置为根据所述中心节点是处于活动模式还是备用模式，而经由无线链路与所述第一中心节点或所述第二中心节点通信。

2.根据权利要求1所述的网络，其中，所述中心节点是基站，而所述叶节点是移动台。

3.根据权利要求1所述的网络，其中，所述第一中心节点处于所述活动模式而所述第二中心节点处于所述备用模式，并且所述第一中心节点和所述第二中心节点经由并行链路同步以复制使所述网络进行工作的所有必要信息，并且立即将工作从一个中心节点切换到另一个中心节点。

4.根据权利要求3所述的网络，其中，所述切换在一个扫描周期中进行。

5.根据权利要求3所述的网络，其中，所述备用中心节点监视所述活动中心节点和该组叶节点的发送，并周期性地向所述活动中心节点发送状态，以使所述活动中心节点和该组叶节点能够对所述备用中心节点与该组叶节点之间的无线链路的状态进行验证。

6.根据权利要求1所述的网络，其中，所述叶节点经由所述第二中心节点与所述第一中心节点通信。

7.根据权利要求3所述的网络，其中，所述节点使用超帧来彼此通信，并且各超帧包括初始发送片段和可选的重发片段，并且各片段被划分为用于从所述活动中心节点向所述叶节点进行通信的下行链路发送时段、用于从所述叶节点向所述活动中心节点进行通信的上行链路发送时段、以及用于在所述节点之间进行通信的并行链路发送时段。

8.根据权利要求7所述的网络，其中，所述超帧包括规定所述片段和所述时段的信标。

9.根据权利要求1所述的网络，其中，各中心节点能够工作在非活动模式、备用模式和活动模式下，并能够在这些模式之间进行切换。

10.根据权利要求1所述的网络，其中，所述中心节点彼此辅助上行链路和下行链路发送及重发。

11.根据权利要求10所示的网络，该网络进一步包括以下操作：

在该组叶节点处对从所述中心节点接收到的数据进行组合。

12.一种具有星形拓扑结构的无线网络的工作方法，该方法包括以下步骤：

当第一中心节点处于活动模式时在该第一中心节点与一组叶节点之间进行通信；

检测所述通信中的故障；

响应于检测到所述故障而激活在功能上与所述第一中心节点等效的第二中心节点，并使所述第一中心节点去激活；以及

在进行所述激活和所述去激活之后在所述第二中心节点与该组叶节点之间进行通信。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述中心节点是基站，而所述叶节点是移动台。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一中心节点处于活动模式而所述第二中心节点处于备用模式，并且所述方法进一步包括以下步骤：

经由并行链路使所述第一中心节点和所述第二中心节点同步以复制使所述网络进行工作的所有必要信息，并且立即将工作从一个中心节点切换到另一个中心节点。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述切换在一个扫描周期中进行。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述备用中心节点对所述活动中心节点和该组叶节点的发送进行监视，并周期性地向所述活动中心节点发送状态，以使所述活动中心节点和该组叶节点能够对所述备用中心节点与该组叶节点之间的无线链路的状态进行验证。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述叶节点经由所述第二中心节点与所述第一中心节点通信。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述节点使用超帧来彼此通信，并且各超帧包括初始发送片段和可选的重发片段，并且其中，各片段被划分为用于从所述活动中心节点向所述叶节点进行通信的下行链路发送时段、用于从所述叶节点向所述活动中心节点进行通信的上行链路发送时段、以及用于在所述节点之间进行通信的并行链路发送时段。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述各中心节点能够工作在非活动模式、备用模式和所述活动模式下，并能够在这些模式之间进行切换。

20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述中心节点在上行链路和下行链路发送及重发期间彼此辅助。

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