CN103096509A - 一种用于形成无线网状网络的中继设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无线网状网络的中继设备，比如路由器，此中继设备包括第一无线前端和第二无线前端，第一无线前端与第二无线前端互相通信以实现第一外部设备与第二外部设备之间的数据通信，其中第一无线前端与第一外部设备无线通信，第二无线前端与第二外部设备无线通信，均采用IEEE802.11基础建设模式传输协议。与传统观念相反，这种中继设备通过使用基础建设模式协议达至符合成本效益的高速无线网状网络（WMN）建设。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于数据通信的中继设备，特别是关于一种无线中继设备，比如路由器。本发明还涉及无线网状网络的一种无线主干网络。
背景技术
无线网状网络（WMN）因为其较低的前期成本，灵活的增量部署和易于维护而被广泛使用。比如，WMN广泛应用于社区网络，企业网络，视频监视，语音通信和本地化服务。无线网状网络架构通常被视作为对覆盖区域提供兼具成本效益和动态高宽带网络的第一选择。无线网状网络可被看作是一种特殊基于使用IEEE 802.11ad-hoc协议的无线ad-hoc网络的主干基础架构。无线网状网络通常具有更多的计划配置信息，而且可在一定的地理区域内提供动态的兼具成本效益的网络。相反，ad-hoc网络随意形成于当各无线设备进入彼此的通信范围之内。
众所周知，现有无线网状网络中的所有节点几乎都运行于802.11标准中定义的独立基本服务组模式，即IBSS（也被称为ad-hoc）。因为IBSS的发展总是远远落后于相同802.11版本的基础建设模式，所以现有的无线网状网络的性能远远落后于最新的802.11技术。
当需要扩展一个现有的无线网状网络，扩展需运行于可兼容现有无线网状网络设定特征的IBBS模式中（IBSS模式甚至被设置为不能使用新的技术特征比如HT40）。因此，新技术完全不能应用于现有无线网状网络。
此外，因为现有多数无线网状主干网络采用IEEE802.11a/g/n标准并采用ad-hoc协议使用54Mbps传输速率，所以网络的吞吐量将被降低至低于54Mbps。因此，无线网络ad hoc路由协议的工作专注于可扩展的耦合，或在出现有损无线链接时寻找高质量路径。
虽然802.11n标准的基础建设模式已经使用多年，但市场上并无真正的基于802.11n的无线网状网络出现，这也导致了无线网状网络性能上的不必要的降低。
因此，如能提供一种可减少上述已知缺点的中继设备用于WMN将非常有利。
发明内容
本发明提供一种用于形成无线网状网络的中继设备，此中继设备包括第一无线前端和第二无线前段，第一无线前端与第二无线前端互相通信以实现第一外部设备与第二外部设备之间的数据通信，其中第一无线前端与第一外部设备间之无线通信及第二无线前端与第二外部设备间的无线通信，均采用IEEE802.11基础建设模式传输协议。
无线中继设备具有用于与外部设备通过基础建设模式进行无线通信的第一和第二无线前端是有利的，因为这有利于采用基础建设模式的无线网状网络主干的建设。也就是说，主干上的无线路由器将采用基础建设模式协议进行路由间通信。用于路由间通信的基础建设模式协议的使用与无线网状网络中使用的标准或建立的常规相反，但具有很大的优势，因为任何时候只要基础建设协议标准升级，采用基础建设模式协议的网络即可即时响应，因此，无需等待相应的‘ad hoc’协议。而且现时基础建设模式协议下的传输速度6倍于当前市场上采用‘ad hoc’协议的无线网状网络。
在一个例子中，一个WMN主干网络包括多个无线中继设备，并采用最新IEEE802.11n基础建设模式传输协议作为路由间传输协议，因此此WMN主干网络可支持由IEEE802.11n设定的传输速度，即300Mbps。相对于使用传统技术由受限于最新“ad hoc”模式传输速度（目前为54Mbps）的无线中继设备所组建的无线主干网络具有极大的优势。使用基础建设模式传输协议作为路由或中继设备间传输协议的无线中继设备的进一步优势是：当一个新的标准发布而且此标准通常远远领先于“ad hoc”模式的最新标准，基础建设模式即可使用此新的标准。这也意味着只要新的协议标准公布，本发明所公开的无线中继设备的速度即可提高并运行于新的基础建设模式协议所支持的速度。
将基础建设模式协议作为WMN中无线路由器的协议使用与传统认知相反，因为基础建设模式协议并不被考虑用于一般的“多跳”比如WMN。一般地，802.11定义的基础建设模式用于容许一个或多个Wi-Fi工作站（STA）以单跳的方式接入一个Wi-Fi接入点（AP），接着接入点顺次接入LAN主干，或者最终通过以太电缆接入Internet。基础建设模式协议的这种确定应用明显不兼容于支持多跳的WMN运作。
附图说明
下面将结合附图对WMN中运行的无线路由器实施例进行具体描述，其中：
图1是适用于WMN网络的路由器示意图；
图2是多个图1所示路由器运行的示意图；
图3，3A和3B分别是结合OSI模型包括多个无线路由器的第一，第二和第三WMN网络的架构示意图；
图4和4A分别是第一、第二WMN网络拓扑结构实施例示意图；
图5是本发明所公开WMN应用实施例示意图；以及
图6是一6-跳WMN的数据流示意图。
具体实施方式
图1中的无线路由器800包括第一无线前端810和第二无线前端820。第一无线前端810包括第一WiFi无线模块812，其与第一天线814相连且由微处理器830控制。第二无线前端820包括第二WiFi无线模块822，其与第二天线824相连且也由微处理器830控制以增加成本效益。
第一无线前端810与第二无线前端820通过路由器板以背靠背的形式彼此连接以使得数据可以在第一和第二无线前端之间传输。当微处理器执行存储于内存中的指令时，在微处理器的控制下由一个天线接收到的数据可经由另一个天线传输至周围。
作为第一无线接口的一个具体实施例，第一无线前端810用于与一外部无线设备通过基础建设模式路由协议进行通信。类似地，作为第二无线接口的一个具体实施例，第二无线前端820适用于与一外部无线设备也通过基础建设模式路由协议进行通信。在路由器的一个实施例860中，第一无线前端被配置为接入点，第二无线前端被配置为客户端。在路由器的另一个实施例870中，第一无线前端和第二无线前端都被配置为接入点。而在路由器的另一个实施例880中，第一无线前端和第二无线前端都被配置为客户端。此处所涉及的名称“客户端”，“接入点”和“基础建设模式”对本领域技术人员而言都是熟知的名称且在IEEE802.11标准中已定义，被纳入本发明而不失一般性。
如图1所示，无线路由器800包括：第一WiFi无线模块812，其被配置为作为第一无线前端运行，第二WiFi无线模块822，其被配置为作为第二无线前端运行，以及一微处理器830，其以背靠背的方式连接第一和第二无线前端以实现第一和第二无线前端之间的内部数据通信。第一WiFi无线模块812和第二WiFi无线模块822分别与第一天线814和第二天线824连接以实现无线数据传输。具体地，在微处理器830的控制下，第一天线814用于与第一WiFi无线模块812配合使用且第二天线824用于与第二WiFi无线模块822配合使用，以实现与外部设备通过基础建设模式协议进行无线数据通信。为了降低射频干扰，第一WiFi无线模块812和第二WiFi无线模块822运行于不同的频段。
微处理器830，或简称为CPU，包括基于印刷电路板（PCB）的外围电路形成的本领域内技术人员公知的CPU模块或路由器板。通常情况下，WiFi模块，CPU和外围电路以及第一和第二天线都安装于刚性外壳840上以方便布置。在图2所示的应用实施例中，无线路由器860（图2中所示为网状节点）以级联的方式部署。
因为第一和第二WiFi无线模块以背靠背的方式部署，因此也将这种路由器称为Back-N路由器。
图3所示无线网状网络的实施例包括置于Sender和Receiver之间以级联方式相连的多个无线路由器860（WMR-1和WMR-2）。在此级联网络中，各级联无线路由器860包括一个接入点（AP）接口和一个客户端（Client）接口。具体地，WMR-1的接入点（AP）接口与发送端Sender的客户端（Client）接口连接，WMR-1的客户端（Client）接口与WMR-2的接入点（AP）接口连接，且WMR-2的客户端（Client）接口与接收端Receiver的接入点（AP）接口连接以形成一个级联网状网络。
当用户打算通过无线网状网络从发送端Sender发送数据至接收端Receiver时，发送端Sender将成为802.11基础建设模式中的客户端（Client）,而且发送端Sender将使用802.11协议与路由器WMR-1的接入点（AP）接口建立数据连接。当发送端Sender接入路由器WMR-1的接入点（AP）接口，即在发送端Sender和接收端Receiver之间建立了一个多跳的Wi-Fi连接。
在以本发明所描述的这种方式（Back-N）建立的无线网状网络中，各个Wi-Fi接口均与一个IP地址关联。图3所示的实施例中，作为一个简单示例，将以下示范性的IP地址分配给Wi-Fi接口：
| a | Sender: | 101.101.101.2 |
| b | AP of WMR-1 | 101.101.101.1 |
| c | Client of WMR-1 | 102.102.102.2 |
| d | AP of WMR-2: | 102.102.102.1 |
| e | Client of WMR-2: | 103.103.103.2 |
| f | Receiver: | 103.103.103.1 |
假设发送端Sender（a）发送一个IP数据包至接收端Receiver（f），此IP数据包的目的地址将是103.103.103.1。当数据包按照OSI分层定义从发送端Sender的应用层向下传输至Wi-Fi层（或者是OSI中的MAC层），此数据包将通过基础建设模式协议被直接发送至路由器WMR-1的接入点（AP）接口（更确切地说，此数据包还将通过接收端Sender的物理层。但为了简单起见，我们忽略了物理层，而将Wi-Fi层作为OSI模型的底层）。在802.11基础建设模式中，离开发送端Sender的客户端接口的数据包将进入路由器WMR-1的接入点接口。
接着，数据包将沿WMR-1的OSI模型向上传输至AP侧的IP层。注意到数据包的目的地址并非自己，WMR-1将根据预先设置的路由表将数据包转发到WMR-1内部的适当接口，预先设置的路由表采用以下伪代码：
If(IP==101.101.101.1)
Send it to Application
Else
Send it to Client of WMR-1
因此，数据包将被转发到WMR-1的客户端接口。当数据包达到WMR-1的客户端Wi-Fi接口，此数据包又一次只能通过基础建设模式协议被发送至WMR-2的接入点Wi-Fi接口。类似地，数据包将沿WMR-2的OSI模型向上传输至接入端侧的IP层。注意到数据包的目的地址并非自己，WMR-2将根据下述示例性路由表将数据包转发至WMR-2内部的适当接口：
If(IP==102.102.102.1)
Send it to Application
Else
Send it to Client of WMR-2
此实施例中，数据包将被转发到WMR-2的客户端接口。当数据包达到WMR-2的客户端Wi-Fi接口，此数据包又一次别无选择也只能通过基础建设模式协议被发送至接收端Receiver的接入点Wi-Fi接口。因为接收端Receiver正是此数据包的目的地址，根据以下路由信息，接受端的IP层将接受此数据
包并按照OSI模型将数据包向上传输至其应用层。
If(IP==103.103.103.1)
Send it to Application
Else
Send it to the Internet
如果数据包的目的地址并非103.103.103.1，数据包将被转发到连接至Internet的接口。
图4所示的无线网状网络是图3所示级联WMN的一个二维概括，其包括多个WMR-1，即无线路由器860，呈网状网络互联。在这个二维网状网络连接部署中，数据传输机制与图3所述大致相同且上述描述经适当修改即适用于此处。尤其是，以虚线表示路由器互连的所有路由间，即WMR-1间，也即是无线网状路由器860间的数据传输使用基础建设模式协议。
图3A所示的级联网络与图3所示大致相同，除了路由器WMR-1被替换为AP-AP型无线网状路由器870，路由器WMR-2被替换为Client-Client型无线网状路由器880。此级联部署中的数据传输机制与图3所述大致相同且上述描述经适当修改即适用于此处。
图4A所示的二维无线网状网络为包括有无线网状路由器860，870和880。此级联部署中的数据传输机制与图3所述大致相同且上述描述经适当修改即适用于此处。尤其是，以虚线表示路由器互连的所有路由间，即无线网状路由器860，870，880间的数据传输使用基础建设模式协议。
图3B所示的级联网络与图3所示大致相同，除了具有2个Wi-Fi无线接口的路由器WMR-1和WMR-2被替换为具有2个虚拟Wi-Fi无线接口的无线网状路由器890。虽然无线网状路由器890只有一个Wi-Fi无线接口，但是通过运用一些软件技术比如多线程技术，无线路由器890的单一Wi-Fi无线接口可同时工作为一个接入点和一个客户端。此虚拟的接入点和客户端还具有各自的IP地址。此级联部署中的数据传输机制与图3所述大致相同且上述描述经适当修改即适用于此处。
应当理解，无线网状路由器接口的配置非常灵活。具体地，所有Back-N兼容的无线网状路由器具有2个或更多的无线接口（物理或虚拟），且所有的接口都必须配置为接入点或者是客户端。
为了与现有的“多跳”MWN兼容，本发明提供了一种如图5所示的网状网络适配器。网状网络适配器860为无线路由器，其能够作为现有WMN和运行不同802.11标准的新WMN中界路由器。因此，现有WMN可采用最新的802.11标准进行扩展而不替换任何旧装置。
图6所示的无线网状网络与图3所示类似，只是在发送端Sender和接收端Receiver之间多了2个无线网状路由器。图6所示的从发送端Sender到接收端Receiver的数据流也与图3所示的数据流类似。作为一个简单示例，将以下示范性IP地址分配给Wi-Fi接口：
| a | Sender: | 1.1.1.2 |
| b | AP of MN1 | 1.1.1.1 |
| c | Client of MN1 | 1.1.2.2 |
| d | AP of MN2 | 1.1.2.1 |
| e | Client of MN2 | 1.1.3.2 |
| f | AP of MN3 | 1.1.3.1 |
| g | Client of MN3 | 1.1.4.2 |
| h | AP of MN4 | 1.1.4.1 |
| i | Client of MN4 | 1.1.5.2 |
| j | Receiver | 1.1.5.1 |
因为无线网状路由器（WMR）的客户端接口在通过802.11发送任何数据之前必须与另一个无线网状路由器（WMR）的接入点接口无线连接，因此发送端Sender的客户端接口与网状节点MN1的接入点接口连接。当数据由发送端Sender的客户端接口出发时，数据将直接通过基础建设模式WiFi发送至MN1的接入点接口。数据将沿MN1的OSI模型向上传输至接入点接口侧的IP层。注意到此数据的目的地址并非自己，MN1将根据预先设置的路由表通过MN1内部的有线连接将数据转发至适当接口，预先设置的路由表采用以下伪代码：
If(IP==1.1.1.1)
Send it to Application
Else
Send it to Client of MN1
因此，数据通过使用MN1内部的IP路由将被转发至MN1的客户端接口。MN1的客户端接口与MN2的接入点接口无线连接。当数据到达MN1的客户端接口，其将通过基础建设模式WiFi被传输至MN2的接入点接口。类似地，数据将沿MN2的OSI模型向上传输至接入点接口侧的IP层。注意到此数据的目的地址并非自己，MN2将根据下述示例性路由表通过MN2内部的有线连接将数据转发至适当接口：
If(IP==1.1.2.1)
Send it to Application
Else
Send it to Client of MN2
此实施例中，通过使用MN2内部的IP路由，数据将被转发至MN2的客户端接口。MN2的客户端接口与MN3的接入点接口无线连接。当数据到达MN2的客户端接口，其将通过基础建设模式WiFi被传输至MN3的接入点接口。数据将沿MN3的OSI模型向上传输至接入点接口侧的IP层。注意到此数据的目的地址并非自己，MN3将根据下述示例性路由表通过MN3内部的有线连接将数据转发至适当接口：
If(IP==1.1.3.1)
Send it to Application
Else
Send it to Client of MN3
相应地，通过使用MN3内部的IP路由，数据将被转发至MN3的客户端接口。MN3的客户端接口与MN4的接入点接口无线连接。当数据到达MN3的客户端接口，其将通过基础建设模式WiFi被传输至MN4的接入点接口。数据将沿MN4的OSI层向上传输至接入点接口侧的IP层。注意到此数据的目的地址并非自己，MN4将根据下述示例性路由表通过MN4内部的有线连接将数据转发至适当接口：
If(IP==1.1.4.1)
Send it to Application
Else
Send it to Client of MN4
此实施例中，通过使用MN4内部的IP路由，数据将被转发至MN4的客户端接口。MN4的客户端接口与Receiver的接入点接口无线连接。当数据到达MN4的客户端接口，其将通过基础建设模式WiFi被传输至Receiver的接入点接口。数据将沿Receiver的OSI模型向上传输至接入点接口侧的IP层。因为接收端Receiver正是此数据的目的地址，根据以下路由信息，Receiver的IP层将接受此数据并按照OSI模型将数据向上传输至其应用层。
If(IP==1.1.5.1)
Send it to Application
Else
Send it to the Internet
如果此数据的目的地址并非1.1.5.1，数据将被转发到连接至Internet的接口。
当数据由Receiver发送至Sender，数据将以类似的方式传输。具体地，数据在不同的路由器之间以基础建设模式WiFi传输，而在同一路由器内部通过IP路由转发。
上述实施例选用300Mbps的数据传输速度，因为这是最新的WiFi标准所提供的最高传输速度。应当理解，实际的数据传输速度可为介于54Mbps和300Mbps之间的任意值而不失一般性。比如，路由器间的数据传输速度可设置为60Mbps，80Mbps，100Mbps，120Mbps，150Mbps，200Mbps，250Mbps，300Mbps或其它。另外，应当理解，最大数据传输速度取决于最新WiFi标准所设定的数据传输速度且在将来将远超过300Mbps。
虽然本发明以上述实施例进行说明，但本领域技术人员应理解，以上实施例仅用以帮助理解本发明，而并非用于限定本发明的保护范围。比如，无线网状路由器的各个接口可灵活地被设置为接入点或客户端，只要路由器的客户端能与另一路由器的接入点无线连接且路由器的所有接口可通过IP路由互连。另外，一个无线网状路由器内可有任意个接口。此外，此处虽以路由器为例，本发明也适用于其它的中继设备比如转发设备和交换机而不失一般性。
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 (16)
1.一种用于形成无线网状网络的中继设备，其特征在于，所述中继设备包括第一无线前端和第二无线前端，所述第一无线前端与所述第二无线前端互相通信以实现第一外部设备与第二外部设备之间的数据通信，其中，所述第一无线前端与所述第一外部设备间的无线通信及所述第二无线前端与所述第二外部设备间的无线通信，均使用IEEE802.11基础建设模式传输协议。
2.根据权利要求1所述的中继设备，其特征在于，所述第一无线前端配置运行为接入点且所述第二无线前端配置运行为客户端。
3.根据权利要求1所述的中继设备，其特征在于，所述第一无线前端和所述第二无线前端都配置运行为接入点。
4.根据权利要求1所述的中继设备，其特征在于，所述无线前端配置为以150Mbps或以上的速度无线传输。
5.根据权利要求1所述的中继设备，其特征在于，所述无线前段配置为以300Mbps或以上的速度无线传输。
6.根据权利要求4或5所述的中继设备，其特征在于，所述第一无线前端和所述第二无线前端以背靠背的方式进行通信以实现所述第一无线前端和所述第二无线前端之间的数据传输。
7.根据权利要求1所述的中继设备，其特征在于，所述第一无线前端和所述第二无线前端以背靠背的方式进行通信以实现所述第一无线前端和所述第二无线前端之间的数据传输。
8.根据权利要求1所述的中继设备，其特征在于，所述中继设备配置为以基础建设模式中的路由器。
9.一种无线网状网络，其特征在于，所述无线网状网络包括无线网络主干，所述无线网络主干包括多个权利要求1所述的中继设备，用作数据连接。
10.根据权利要求9所述的无线网状网络，其特征在于，所述无线网络主干还包括至少1个权利要求2所述的中继设备。
11.根据权利要求10所述的无线网状网络，其特征在于，所述无线网络主干还包括至少一个权利要求3所述的中继设备。
12.一种包括多个无线中继设备的无线网状网络，其特征在于，所述无线中继设备共同形成无线网状网络主干，其中，邻接的无线中继设备使用IEEE802.11基础建设传输协议进行相互通信。
13.根据权利要求12所述的无线网状网络，其特征在于，至少一个所述无线中继设备包括第一无线前端和第二无线前端，所述第一无线前端与所述第二无线前端互相通信以实现第一外部设备与第二外部设备之间的数据通信，其中，所述第一无线前端与所述第一外部设备间的无线通信及所述第二无线前端与所述第二外部设备间的无线通信，均使用IEEE802.11基础建设模式传输协议。
14.根据权利要求13所述的无线网状网络，其特征在于，所述至少一个无线中继设备的第一无线前端配置为客户端且第二无线前端配置为接入点。
15.根据权利要求13所述的无线网状网络，其特征在于，所述至少一个无线中继设备的第一无线前端和第二无线前端都配置为客户端。
16.根据权利要求13所述的无线网状网络，其特征在于，所述至少一个无线中继设备的第一无线前端和第二无线前端都配置为接入点。
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