CN102271342B - 无线自组织网络的快速部署方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线自组织网络的快速部署方法及装置，该方法包括：在网络中指定参考点；在每个节点的邻居信令中扩展设置快速部署信息字段；初始化所述快速部署信息字段；每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息；每个节点更新到邻居的cost值，所述cost值为数据从发起节点到达邻居节点所需的时间参数；填充最新的快速部署信息并发送邻居信令；周期性进行至参考点的连通性评价及指示。本发明提供一种有效的节点快速部署的方法及装置，包括对多次中继的无线链路进行量化评估，节点间量化信息的传递，使得无线自组织网络中的节点都具有实时的连通性指示，方便使用者据此进行节点的快速部署。

Description

无线自组织网络的快速部署方法及装置

技术领域

本发明涉及无线网络快速部署技术，尤其涉及一种无线自组织网络的快速部署方法及装置。

背景技术

近年来，地震，火灾，海啸等重大灾难性突发事件时有发生，常常会导致通信基站瞬间瘫痪，而复杂的地势又使得卫星通信车无法接近现场，传统的通信手段和组网技术已经无法满足快速有效应对突发事件的需要。无线自组织网络以其独立性，多跳性，自组织性，自愈性，移动性等特点在应急通信保障中异军突起，得到了越来越广泛的应用。

无线自组织网络的拓扑通常为无线链路的多次中继，并且节点的位置可能会随机变化(图7)，节点间的无线信号质量会因节点位置的变化，无线干扰以及地形等因素的影响而发生快速且无法预测的变化(图8)。

无线自组织网络的实际使用者(如武警，消防官兵等)通常都没有足够的无线经验，往往花费很长时间也无法进行节点的有效部署，即使部署成功，后续也可能出现由于节点的移动，导致之前部署失效的情况。因此迫切需要发展一种无线自组织网络的快速部署的方法，从而在突发事件应急通信保障中发挥重要的作用。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种无线自组织网络的快速部署方法及装置，以解决现有技术中无线自组织网络中节点位置变化快、无线信号变化快且无法预测、部署困难的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种无线自组织网络的快速部署方法及装置，该方法包括：在网络中指定参考点；在每个节点的邻居信令中扩展设置快速部署信息字段，所述快速部署信息包括：到达参考点的中继次数htd_total；cost序列，所述cost序列是从当前节点到参考点最佳数据传输路径上每一次中继的cost值组成的序列(X₁,X₂,...,X_n)；初始化所述快速部署信息字段；每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息；每个节点更新到邻居的cost值，所述cost值为数据从发起节点到达邻居节点所需的时间参数；按如下规则填充最新的快速部署信息并发送邻居信令：在邻居信令中，htd_total域＝最优邻居的htd_total+1；cost序列：使用最优邻居的cost序列，并在序列头部添加自己到最优邻居的cost值；其中，设节点到邻居的cost值为Cn，且记录有邻居发送的有效的至参考点的cost序列(X₁,X₂,...,X_n)，分别计算每一个邻居的总和最小的邻居称之为最优邻居；周期性进行至参考点的连通性评价及指示。

其中，所述参考点是唯一的。

其中，初始化所述快速信息部署字段包括：设置参考点的中继次数为0，cost序列字段为空；设置非参考点的中继次数为255，cost序列字段为空。

其中，每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息具体包括：每个节点不断接收邻居节点发送的邻居信令，对于其中包含的快速部署信息进行保存。

其中，周期性进行至参考点的连通性评价及指示具体包括：根据到达参考点的中继次数判断是否存在最佳路径，如果存在最佳路径，则将cost序列转换为一标量数值予以显示；如果不存在最佳路径，则显示到达参考点的路径不通。若节点到参考点的中继次数为255，则判定为不存在最佳路径。

本发明还提供一种无线自组织网络的快速部署装置，该装置包括：控制单元，包括中央处理器，设置于主电路板上；无线通信单元，通过主电路板的PCI总线与所述控制单元相连接，用于接收和/或发射无线信号；接口单元，与所述主电路板上的控制单元相连接，用于提供与外部设备进行连接；无线链路质量指示单元，与所述主电路板上的控制单元相连接，用于指示多次中继无线链路的连通性状况；

其中所述控制单元还包括：

参考点确定模块，与所述中央处理器相连接，用于在网络中指定参考点；

快速部署信息字段设置模块，与所述中央处理器相连接，用于在每个节点的邻居信令中扩展设置快速部署信息字段，所述快速部署信息包括：到达参考点的中继次数htd_total；cost序列，所述cost序列是从当前节点到参考点最佳数据传输路径上每一次中继的cost值组成的序列(X₁,X₂,...,X_n)；

初始化模块，与所述中央处理器相连接，用于初始化所述快速部署信息字段；

快速部署信息更新模块，与所述中央处理器相连接，用于每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息；

cost值更新模块，与所述中央处理器相连接，用于每个节点更新到邻居的cost值，所述cost值为数据从发起节点到达邻居节点所需的时间参数；

快速部署信息填充模块，与所述中央处理器相连接，按如下规则填充填充最新的快速部署信息并发送邻居信令：在邻居信令中，htd_total域＝最优邻居的htd_total+1；cost序列：使用最优邻居的cost序列，并在序列头部添加自己到最优邻居的cost值；其中，设节点到邻居的cost值为Cn，且记录有邻居发送的有效的至参考点的cost序列(X₁,X₂,...,X_n)，分别计算每一个邻居的总和最小的邻居称之为最优邻居；

评价及指示模块，分别与所述中央处理器和所述无线链路质量指示单元相连接，用于周期性进行至参考点的连通性评价及指示，并将处理结果通过所述无线链路质量指示单元显示出来。

其中，所述无线通信单元为无线射频网卡，所述无线链路质量指示单元为多个LED。

本发明的一种无线自组织网络的快速部署方法及装置，填补目前无线自组织网络中快速部署手段的空白，提供一种有效的节点快速部署的方法，包括对多次中继的无线链路进行量化评估，节点间量化信息的传递，使得无线自组织网络中的节点都具有实时的连通性指示，方便使用者据此进行节点的快速部署。该方法具有指示精准，实时性高及较低的额外开销的优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明无线自组织网络的快速部署方法一实施例的流程图；

图2是本发明节点位置及最佳传输路径变化示意图；

图3是本发明仅判断到邻居节点的连通性导致的误判示意图；

图4是本发明初始化阶段各个节点快速部署信息示意图；

图5是离参考点最近的节点最先获得有效更新示意图；

图6是离参考点次近的节点获得更新示意图；

图7是无线自组织网络的节点位置随机变化示意图；

图8是无线信号快而无序的变化态势示意图；

图9是本发明无线自组织网络的快速部署装置结构示意图；

图10是本发明无线自组织网络的快速部署装置中控制单元结构示意图；

图11是本发明无线自组织网络的快速部署方法举例说明cost序列。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

无线自组织网络中的节点到参考点需要通过多次无线链路中继，并且到参考点的最佳传输路径也因位置的变化而变化。图2描述了从时刻1到时刻2的节点位置的变化情况。其中指定的参考点为A，节点E到参考点A的传输路径的变化情况：

在判断无线链路多次中继后的连通性时，如果仅考量到邻居节点的连通性(无中继)，容易出现错误的判断。如图3所示，在时刻1，恰好所有节点都处于互连的状态，节点E通过判断到C的连通性，认为到参考点是可以通信的。由于每个节点仅判断自己到邻居节点的连通性，在移动中很容易发生如时刻2所示的情况，即节点B、D、E与参考点A和节点C已经脱离，而节点E却始终指示可以通信的，因此需要一种有效方法，能够克服现有技术中这种缺陷，达到快速部署的目的，本发明的连通性指示，量化的是节点到参考点经过多次无线中继的链路质量，可靠有效。同时连通性状况量化为多个级别，并以一种直观的方式显示给用户，使用者在进行节点部署的同时，观察连通性状况，以判断自己所处的位置是否能够与参考点获得较好的通信质量，据此来进行节点的快速部署。

实施例一

请参阅图1，图1是本发明无线自组织网络的快速部署方法一实施例的流程图，如图所示，本发明无线自组织网络的快速部署方法包括：

步骤110：在网络中指定参考点；

步骤120：在每个节点的邻居信令中扩展设置快速部署信息字段；

步骤130：初始化所述快速部署信息字段；

步骤140：每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息；

步骤150：每个节点更新到邻居的cost值，所述cost值为数据从发起节点到达邻居节点所需的时间参数；

步骤160：填充最新的快速部署信息并发送邻居信令；

步骤170：周期性进行至参考点的连通性评价及指示。

下面通过具体事例，详细说明以上步骤。

在无线自组织网络节点部署的过程中，要指定一个参考点，每个节点关注的是到该参考点的连通性状况。在应急通信应用中，参考点通常为距离指挥中心最近的节点，这个参考点在网络中是唯一的，即步骤110。

通常无线自组织网络中节点间通过周期性的邻居信令(neighbor beacon)来维护节点间的关系，邻居关系是无线自组织网络的基础。本发明利用既有的邻居信令来扩散到参考点的cost序列，有以下优势：仅增加很小的邻居协议开销——邻居信令较原来略有增长，不会产生不必要的路由协议开销，不会占用数据发送的带宽；通常邻居信令发送的周期都较短，因此量化信息的传递具有很好的实时性，即步骤120。

其中cost序列是从当前节点到参考点最佳数据传输路径上每一次中继的cost值组成的序列，而cost值定义为数据从发送节点发到目的节点所占用的媒质时间，它实际上是链路带宽的反应。与节点可以直接通信的节点，我们称之为邻居。到邻居的cost值是依靠节点周期性的对其邻居节点进行评估而取得，也就是说每一个节点会维护一个邻居列表以及到这些邻居的cost值。

到参考点的最佳路径的cost序列的传递方法描述如下：

在邻居信令中添加如下扩展字段，以发布自己到参考点的cost序列，如下表所示：

htd_total

cost值

……

cost值

在应急场景中，通常节点到参考点需经过多次无线链路的中继，由于实时带宽测试代价高、效率低，这里使用一种快速、高效、网络资源占用低、节点运算量少的方法进行带宽的大体评价。为使评价结果直观、易于理解，并方便量化指示，将节点到参考点的最佳路径的cost序列(X₁,X₂,...,X_n)通过多跳路径综合评价算法转化为单个标量(X_δ)。

以下举例说明，A为参考点，E点到A点的cost序列中(X₁指cost_E-D，X₂指cost_D-C，X₃指cost_C-B，X₄指cost_B-A)，如图11所示。

每一次中继的cost值可定义为数据从发起节点到达目的节点所需要的一时间参数。此时间参数可根据一无线状态、一网络流量、一封包大小、一数据传输率、或任一结合者的影响而有所改变。

考虑到无线自组织网络的通信具有以下特点：

水桶效应：多次中继通信中如果出现任意一次中继的cost值极大时(例如大于1024或2047)，整体带宽会产生极大地降低

两跳减半：多次中继通信的前两次中继必然处于半双工状态，带宽减半多跳路径综合评价算法设计如下：

当cost序列中存在大于等于Cmax的数据时，X_δ趋近于无穷大

当cost序列中的所有数据都小于Cmax时，按如下方法进行计算

cost序列中的前两个数据独立加和(X₁+X₂)，计入X_δ中

其余数据计算平均值与其正偏差调整之和(调整系数D)，计入X_δ中

$X_{\mathrm{\&delta;}}=\left\{\begin{array}{cc}\&infin;,& \&Exists;x_1\&GreaterEqual;C_{\max },1\&Element;[1,n]\\ x_1+x_2+{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_1+\mathrm{D\&Sigma;\&Delta;x},& x_1<C_{\max },1\&Element;[3,n]\end{array}\right.$

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_1=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_g^n{X}_1}{n-2}$

$\mathrm{\&Sigma;\&Delta;x}=\underset{\mathrm{\&delta;}}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_1-{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_1,x_1>{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_1$

其中C_max和D可根据实际情况调整。

要使用多跳路径综合评价算法，每个节点必须实时了解自身到参考点的最佳路径的cost序列，并且根据算法得到一个大略的带宽评价值。

如果使用传输数据的方式来传递cost序列，会占用普通数据的带宽，而且要求信息越实时，则占用的带宽越大；同时每个节点都需要维护到达参考点的路由，由此产生的路由协议开销都是十分可观的，也是不必要的。

接下来，需要对每个节点的快速部署信息字段进行初始化，也就是步骤130。

参考点htd_total域填0，无cost值位，非参考点可通过htd_total＝0来辨识参考点

非参考点htd_total域填255，无cost值位，表示不存在到参考点的路径。

在图4中描述了初始化的阶段，其中参考点的htd_total为0，非参考点的htd_total为255。

然后进行步骤140，每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息。

每个节点都会不断的接收到邻居节点发送的邻居信令，对于其中包含的快速部署信息给予保存。比如某节点A在某个时刻，其邻居节点有B，C，D，那么在A节点即会保存有B，C，D到参考点的快速部署信息，并且不断的更新。如下表所示：

	htd_total	至参考点的cost序列
			邻居B	2	(B1,B2)
邻居C	3	(C1,C2,C3)
			邻居D	4	(D1,D2,D3,D4)

步骤150：每个节点更新到邻居的cost值。

每个节点会周期性的更新到邻居节点的cost值。如某节点A在某个时刻，其邻居节点有B，C，D，那么在A节点会维护一个类似如下内容的表：

	cost(Cn)
		邻居B	Cn(B)

邻居C	Cn(C)
		邻居D	Cn(D)

步骤160：填充最新的快速部署信息并发送邻居信令。

每个节点会周期性的发送邻居信令，在发送邻居信令时，需结合步骤140和步骤150中的信息，按如下规则进行快速部署字段的填充：

节点发送邻居信令时，查看邻居表中的相关信息，快速部署信息中htd_total＝255的邻居不在选择范围内，设该节点到某邻居的cost值为Cn，且记录有该邻居发送的有效的至参考点的cost序列(X₁,X₂,...,X_n)，分别计算每一个邻居的其中总和最小的邻居我们这里称之为最优邻居。在邻居信令中：

htd_total域＝最优邻居的htd_total+1

cost序列：使用最优邻居的cost序列，并在序列头部添加自己到最优邻居的cost值。

如前所述的节点A在这一时刻发送邻居信令时，其快速部署字段中的htd_total＝2+1＝3；cost序列为(Cn(B),B1,B2)。

如果最优邻居的htd_total突然增加至255，则在一段时间内(如1秒)，在发送邻居信令中标识自己到参考点不可达；在过了这段时间后，再重新进行最优邻居的选择。

如果一段时间内(如1秒)内都未收到最优邻居的邻居信令，则按照前一步进行操作。

请参阅图5和图6，假设目前网络内有5个节点，A,B,C,D,E，其中A为参考点，图中有连线表示节点间互相可见，连线上的数值表示节点间的cost值。

图5描述了参考点的邻居(即可以直接通信的节点)B，C收到参考点A发出的邻居信令后，更新的自己的邻居信令中的内容。

图6描述了离参考点次远的节点更新的cost序列内容。对于E点，它可以同时收到B和C发出的邻居信令，通过B：E到A的cost值总和为95；通过C：E到A的cost值总和为50，因此选择C的序列进行更新邻居信令。

以上步骤140至步骤160都是以很小的周期快速进行更新数据，实时反映网络的情况。

最后，步骤170，周期性进行至参考点的连通性评价及指示。

每个节点会周期性的进行至参考点的连通性评价，并对用户进行直观的指示。

每个节点可查询在步骤160中计算出的至参考点的最佳路径，如果存在最佳路径，利用多跳路径综合评价算法对本节点到参考点的连通性情况进行一个量化计算，即从一个cost序列，变为一个标量的值对用户进行指示。比如可以通过节点的设备面板的LED指示灯，进行多级指示，或者如手机信号一样，进行多级指示，或者其他用户易于理解的方式进行指示。比如使用4个LED指示灯进行5级指示。

如果不存在最佳路径，也就是判断节点到参考点的中继次数还是初始化设置的255，则判定为不存在最佳路径，则展示为该节点到参考点的路径不通。

本发明实施例提供的无线自组织网络的快速部署方法，有效的对节点进行快速部署，包括对多次中继的无线链路进行量化评估，节点间量化信息的传递，使得无线自组织网络中的节点都具有实时的连通性指示，方便使用者据此进行节点的快速部署。该方法具有指示精准，实时性高及较低的额外开销的优势。

实施例二

本发明实施例还提供一种无线自组织网络的快速部署装置，如图9所示，该装置900包括：

控制单元910，包括中央处理器911，设置于主电路板上；

无线通信单元920，通过主电路板的PCI总线与所述控制单元相连接，用于接收和/或发射无线信号；

接口单元930，与所述主电路板上的控制单元相连接，用于提供与外部设备进行连接；

无线链路质量指示单元940，与所述主电路板上的控制单元相连接，用于指示多次中继无线链路的连通性状况；

再如图10所示，其中所述控制单元910还包括：

参考点确定模块912，与所述中央处理器911相连接，用于在网络中指定参考点；

快速部署信息字段设置模块913，与所述中央处理器911相连接，用于在每个节点的邻居信令中扩展设置快速部署信息字段；

初始化模块914，与所述中央处理器911相连接，用于初始化所述快速部署信息字段；

快速部署信息更新模块915，与所述中央处理器911相连接，用于每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息；

cost值更新模块916，与所述中央处理器911相连接，用于每个节点更新到邻居的cost值，所述cost值为数据从发起节点到达邻居节点所需的时间参数；

快速部署信息填充模块917，与所述中央处理器911相连接，填充最新的快速部署信息并发送邻居信令；

评价及指示模块918，分别与所述中央处理器911和所述无线链路质量指示单元940相连接，用于周期性进行至参考点的连通性评价及指示，并将处理结果通过所述无线链路质量指示单元显示出来。

其中无线通信单元920可以选择无线射频网卡，所述接口单元930可以是10/100/1000M自适应以太网端口，也可以是其他实现通信连接的端口，所述无线链路质量指示单元940可以为多个LED，或者液晶显示屏等能够表示出多次中继无线链路的连通状况的输出设备。

本实施例的无线自组织网络的快速部署装置具体工作原理和工作过程请参考如前所述无线自组织网络的快速部署方法，在此不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线自组织网络的快速部署方法，其特征在于，该方法包括：

在网络中指定参考点；

在每个节点的邻居信令中扩展设置快速部署信息字段，所述快速部署信息包括：到达参考点的中继次数htd_total；cost序列，所述cost序列是从当前节点到参考点最佳数据传输路径上每一次中继的cost值组成的序列(X₁,X₂,...,X_n)；

初始化所述快速部署信息字段；

每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息；

每个节点更新到邻居的cost值，所述cost值为数据从发起节点到达邻居节点所需的时间参数；

按如下规则填充最新的快速部署信息并发送邻居信令：在邻居信令中，htd_total域＝最优邻居的htd_total+1；cost序列：使用最优邻居的cost序列，并在序列头部添加自己到最优邻居的cost值；其中，设节点到邻居的cost值为Cn，且记录有邻居发送的有效的至参考点的cost序列(X₁,X₂,...,X_n)，分别计算每一个邻居的总和最小的邻居称之为最优邻居；

周期性进行至参考点的连通性评价及指示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述参考点是唯一的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，初始化所述快速信息部署字段包括：

设置参考点到达参考点的中继次数为0，cost序列字段为空；

设置非参考点到达参考点的中继次数为255，cost序列字段为空。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息具体包括：

每个节点不断接收邻居节点发送的邻居信令，对于其中包含的快速部署信息进行保存。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，周期性进行至参考点的连通性评价及指示具体包括：

根据到达参考点的中继次数判断是否存在最佳路径，如果存在最佳路径，则将cost序列转换为一标量数值予以显示；如果不存在最佳路径，则显示到达参考点的路径不通。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

若节点到参考点的中继次数为255，则判定为不存在最佳路径。

7.一种无线自组织网络的快速部署装置，其特征在于，该装置包括：

控制单元，包括中央处理器，设置于主电路板上；

无线通信单元，通过主电路板的PCI总线与所述控制单元相连接，用于接收和/或发射无线信号；

接口单元，与所述主电路板上的控制单元相连接，用于提供与外部设备进行连接；

无线链路质量指示单元，与所述主电路板上的控制单元相连接，用于指示多次中继无线链路的连通性状况；

其中所述控制单元还包括：

参考点确定模块，与所述中央处理器相连接，用于在网络中指定参考点；

快速部署信息字段设置模块，与所述中央处理器相连接，用于在每个节点的邻居信令中扩展设置快速部署信息字段，所述快速部署信息包括：到达参考点的中继次数htd_total；cost序列，所述cost序列是从当前节点到参考点最佳数据传输路径上每一次中继的cost值组成的序列(X₁,X₂,...,X_n)；

初始化模块，与所述中央处理器相连接，用于初始化所述快速部署信息字段；

快速部署信息更新模块，与所述中央处理器相连接，用于每个节点接收邻居信令并更新邻居节点的快速部署信息；

cost值更新模块，与所述中央处理器相连接，用于每个节点更新到邻居的cost值，所述cost值为数据从发起节点到达邻居节点所需的时间参数；

快速部署信息填充模块，与所述中央处理器相连接，按如下规则填充填充最新的快速部署信息并发送邻居信令：在邻居信令中，htd_total域＝最优邻居的htd_total+1；cost序列：使用最优邻居的cost序列，并在序列头部添加自己到最优邻居的cost值；其中，设节点到邻居的cost值为Cn，且记录有邻居发送的有效的至参考点的cost序列(X₁,X₂,...,X_n)，分别计算每一个邻居的总和最小的邻居称之为最优邻居；

评价及指示模块，分别与所述中央处理器和所述无线链路质量指示单元相连接，用于周期性进行至参考点的连通性评价及指示，并将处理结果通过所述无线链路质量指示单元显示出来。

8.根据权利要求7所述的无线自组织网络的快速部署装置，其特征在于：

所述无线通信单元为无线射频网卡。

9.根据权利要求7所述的无线自组织网络的快速部署装置，其特征在于：

所述无线链路质量指示单元为多个LED。