CN103096513A - 一种无线网状网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线网状网络，其包括第一分支和第二分支，其中每一个所述分支包括多个接入点，所述第一和第二分支共享一个公共接入点而且各接入点用于实现设备和网络的无线连接；其中，第一分支上的一个接入点与第二分支上的一个接入点之间的最小距离(d1)大于K1/αd0，其中，d0是第一分支上发射点与接收点之间的距离，K是信号干扰比(SIR)，α是路径损耗指数。一种部署为上述网络拓扑结构的无线网状网络可以缓解多跳吞吐量损失的问题，并因此提供了一种具有大范围无线覆盖和高速数据传输的可能。

Description

一种无线网状网络
技术领域
本发明涉及无线通讯网络，特别是关于无线网状网络。
背景技术
无线网状网络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一定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的ad-hoc网络，其主干基础架构使用IEEE 802.11ad-hoc协议。网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。
然而，无线网状网络因为其多跳属性易有吞吐量损失，而且这种吞吐量损失主要缘于单射频网络中的争用或半双工通讯。因为一个具有单无线接口的接入点不能同时收发数据包-其必须首先接收之后再发送以转发一个数据包。因此，转发一个数据包所需的时间至少是两倍于直接将数据包从源地址发送至目的地址所需的时间。另外，IEEE802.11MAC中的载波侦察机制也不容许同一信道内的同时传输。而且，即使载波侦察不能阻止干扰链路的同时传输，无线电干扰(或冲突)也可能发生。这些都将影响多跳的吞吐量性能并因此限制无线网状网络的覆盖范围。
发明内容
因此，本发明提供一种无线网状网络，其包括第一分支和第二分支，其中每一个所述分支包括多个接入点，所述第一和第二分支共享一个公共接入点；其中，第一分支上的一个接入点与第二分支上的一个接入点之间的最小距离(d1)大于K1/αd0，其中，d0是第一分支上发射点与接收点之间的距离，K是信号干扰比(SIR)，α是路径损耗指数。
在Y-型网络的一个实例中，d0是公共接入点与第一分支上的第一节点之间的距离，第一节点最接近公共接入点。
当此网络应用于室内时，d1大于1.7d0。
一个Y-型网络拓扑结构中包括第三接入点分支，所述的第三分支包括多个接入点，且所述的第三分支也共享公共接入点；其中，所述第一、第二和第三分支上最接近所述公共接入点的接入点分布于一等边三角形的顶点且公共接入点位于此等边三角形的中心。
另一个Y-型网络拓扑结构实施例中，还包括第三分支，所述的第三分支包括多个接入点，且所述的第三分支也共享公共接入点；其中，所述第一、第二和第三分支各包括多个呈直线分布的接入点，且第一、第二和第三分支各相隔120度角。
在又一个Y-型网络拓扑结构实施例中，还包括第三分支，所述的第三分支包括多个接入点，且所述的第三分支也共享公共接入点；其中接入点呈Y型分布。
在一个实例中，所述第一、第二和第三分支上最接近所述公共接入点的接入点使用非重叠的信道通信。
所述的无线网状网络可工作在2.4GHz和5GHz频段。
另一方面，本发明还提供了一种无线网状网络，其包括共享一个公共接入点的第一分支、第二分支和第三分支，其中每一个所述分支包括多个路由器节点；其中，公共接入点用于使用不同且互不重叠的无线信道与第一、第二和第三分支通信。
在这种网络中，各分支包括第一路由器节点，其与公共接入点之间无线通信形成第一腿节，第二路由器节点，其与同分支上第一路由器节点之间无线通信形成第二腿节；其中，同一分支上的第一和第二腿节所使用的无线信道不同且互不重叠，而且，第二腿节所使用的无线信道与第一、第二和第三分支上的第一腿节所使用的无线信道均不相同且互不重叠。
一种部署为上述网络拓扑结构的无线网状网络可以缓解多跳吞吐量损失的问题，并因此提供了一种具有大范围无线覆盖和高速数据传输的可能。
附图说明
下面将结合附图对本发明所公开的Y-型网络拓扑结构和采用这种Y-型网络拓扑结构的无线网状网络的实例进行说明，其中：
图1为Y-型无线网状网络拓扑结构示意图；
图2为图1所示无线网状网络中各接入点的空间关系示意图；
图3为由多个图1所示Y-型无线网状网络组成的蜂窝网络示意图；
图4为由多个图1所示Y-型无线网状网络互联组成的另一个蜂窝网络示意图；
图5为另一个Y-型无线网状网络的实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合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。
图1所示的无线网络100是无线网状网络的一个实施例，包括多个按照无线协议互联的路由设备。无线主干网络主要被用于提供接入点以使得无线用户设备通过有线主干和接入点可接入互联网或企业计算资源。路由器作为路由设备的一个实施例，同时，其它的设备比如数据转发设备包括交换机或者集线器在本发明中可等同使用。
图1所示的10-接入点无线网状网络包括10个无线路由器节点，各包括一个多射频路由器。10个路由器节点，指定为节点112，114，116，122，124，126，132，134，136，140，分布于三个分支，即分支110，120，130，各分支与指定为节点140的公共无线路由器节点数据通信连接。
各无线路由器设置有多个无线电前端以便于在多个非重叠信道内进行无线通信。各无线电前端为一个独立的无线电接收器或无线电发送器，或者是一个包括多个无线设备的无线模块，各无线设备被配置为一个选自多个非重叠信道的无线电接收器或无线电发送器。比如，无线路由器140作为图1所示无线网状网络100的中心接入点包括四个无线电前端，各无线电前端选择性地通信于四个指定信道即信道a，b，c和d中的一个，以利于多跳吞吐量的提高。多个无线信道a，b，c和d选择自例如IEEE802.11a和IEEE802.11n标准中定义的5GHz频段的23个非重叠信道。另一方面，分支130上的无线路由器132，分支120上的无线路由器122和分支110上的无线路由器112各自包括两个无线电前端并且每一个无线电前端使用4个指定信道中的任一个信道进行通信。例如，分支130上的无线路由器132配置为使用信道c与中心路由器140通信并使用信道d与分支路由器134通信；分支120上的无线路由器122配置为使用信道b与中心路由器140通信并使用信道d与分支路由器124通信。
当一个路由器配置有多个射频或无线接口，此路由器节点可以同时接收和发射以实现全双工通信。此外，无线电干扰和冲突可通过为相邻路由器分配不重叠的信道而大致消除，而且使用不重叠信道的链路可同时传输以提高总的吞吐量。
如图1所示，无线网状网络100中的公共路由器标识为路由器节点140使用无线信道a与第一分支110上的第一路由器节点112无线连接，使用无线信道b与第二分支210上的第一路由器节点122无线连接；使用无线信道c与第三分支310上的第一路由器节点132无线连接。因为信道a，b，c是不重叠的无线信道，因此包括多个无线路由器的分支110，120，130上的第一腿节连接着的无线路由器包括公共接入点140和第一路由器112，122，132之间的无线电干扰的风险降低。
为了进一步降低无线路由器链路之间的无线电干扰，一个不同的无线信道，即信道d，其与任一个已在第一腿节中使用的无线信道均不重叠，被用于第二腿节包括第一分支110上的路由器112，114；第二分支120上的路由器122，124；和第三分支130上的路由器132，134。此外，用于各分支第三腿节的无线信道与同分支第一和第二腿节中所使用的信道不同。比如，信道b用于第一分支110的第三腿节于无线路由器114和116之间，而信道a和d分别用于第一分支110的第一和第二腿节。类似地，信道c用于第二分支210的第三腿节于无线路由器124和126之间，而信道b和d分别用于第二分支210的第一和第二腿节。最后，信道a用于第三分支310的第三腿节于无线路由器134和136之间，而信道c和d分别用于第三分支310的第一和第二腿节。
可理解，除了公共接入点路由器140需要3个无线信道，其它位于各分支上的路由器只需要2个无线信道。因此，具有4个可选信道的无线路由器即可为此网络的实施提供足够的无线信道数。
为了在三个各包括多个路由器的分支之间提供更好的射频隔离，三个分支实施为三个分支的第一腿节互成120度角分开。也就是说，三个分支上的第一路由器节点112，122，132置于一等边三角形的顶点处，公共接入点位于等边三角形的中心。
如图2所示，三个第一路由器节点112，122，132形成了等边三角形的三个顶点(即，θ＝2π/3)，而且，三个第一路由器节点112，122，132中的每一个节点等距地与公共接入点140以距离d0隔开。相邻的第一路由器节点比如节点112和122之间的距离(d1)为d1＝2d0*cos(π/6)＝1.731d0.。
在选择较佳的分隔距离时，使用以下的功率传递关系式：P(a，b)＝k*Pa/rα，其中，P(a，b)为节点b从节点a处接收到的功率；Pa为节点a的发送功率；r是两个节点之间的距离；α＞2是路径损耗指数；另外k是常数。以Ti和Ri表示链路i的发送端和接收端。为简化起见，仍采用Ti和Ri表示它们的位置。因此，|a-b|表示节点a和b之间的距离。还考虑到信号干扰比(SIR)需求，K，即当KP(T2，R1)＞P(T1，R1)时，T2将在接收端R1处产生干扰。
以2条链路为例，链路1和链路2。如果它们使用相同的发射功率同时传输，那么链路2将与链路1的数据或者ACK数据包产生干扰，只要满足以下之一：
|T2-R1|＜K1/α|T1-R1|                (1)
|T2-T1|＜K1/α|T1-R1|                (2)
|R2-R1|＜K1/α|T1-R1|                (3)
|R2-T1|＜K1/α|T1-R1|                (4)
也就是说，为了减少干扰，链路1和链路2上的任意两个节点之间的最短距离必须大于或者等于K1/α|T1-R1|，即等于Y-型拓扑结构中的K1/αd0。将此作为干扰区表示为IR。假设K＝10，此为ns-2(http://www.isi.edu/nsnam/ns/)中使用的缺省值，另外室内环境中α＝5。因此，IR＝1.58d0＜1.731 d0＝d1.。户外应用中，α为2。
因为图1所示Y-型网络拓扑结构中的任意两条使用相同信道的链路之间相隔d1或更远，因此，两条链路能够同时传输而不会有明显或实质上的干扰。可见，图1所示的Y-型网络拓扑结构使用无线路由器虽仅有4个可选信道却可减少冲突。
此外，多个上述的Y-型网络拓扑结构可连接起来以提供更大范围的网络覆盖如图3所示。图3所示的多Y-型网络20包括具有中心路由器节点140的第一Y-型网络100，具有中心路由器节点240的第二Y-型网络200，和具有中心路由器节点340的第三Y-型网络300，其中，三个Y-型网络联网通信互连。三个Y-型网络以首尾或尾首方式连接以使得一个Y-型网络的一个分支上的最远节点连接于另一个Y-型网络的一个分支上的最远节点。
如图3所示，互连的分支120，210分别属于第一Y-型网络100和第二Y-型网络200，设置为互相距离或相隔120度以提供更好的射频隔离。因为信道b，c是非重叠的无线信道分别用于路由器126与第二Y-型网络中的路由器214和第一Y-型网络中的路由器124无线互联，因此接于分支120和分支210上的无线路由器之间的无线电干扰被抑制。此多Y-型网络包括一个正六边形和其它分支，正六边形的边由分支120，130，210，230，320和310构成，分支210可被认为是分支120的第三分支或腿节，且第一Y-型网络的末端路由器126成为分支120和210的公共接入点。类似地，分支310可被认为是分支130的第三分支或腿节，且第一Y-型网络的末端路由器136成为分支130和310的公共接入点。
为了最大化包括多个路由器的各分支之间的射频隔离，上述示例中各分支之间的角度是120度。虽然120度是Y-型网络拓扑结构的首选角度，但可理解各分支之间的角度根据具体地理实施调整而不同。比如，在‘+’型网络中，相邻分支之间的角度是90度，在直线型网络中为180度，在星(‘*’)型网络中为72度。
在上述例子中，示例性无线信道a，b，c被用于公共接入点140，240，340且示例性无线信道d被用于与公共接入点无线连接的接入点以与一距离公共接入点更远的非公共接入点无线通信从而降低无线电干扰。应理解，a，b，c，d仅为符号标识，其它有助于无线信道隔离的信道分配方案均可用于本发明而不失一般性。
图4所示的多Y-型网络30包括6个Y-型网络共同形成了3个正六边形32，34和36，正六边形的各边均由包括多个路由器的分支形成。与图3中的多Y-型网络20相似，连接同一公共接入点的分支设置为互相以120度角分离或分隔以提供更好的射频隔离。
图5所示的Y-型网络为本发明的另一实施例，其包含实际信道分配以供参考。
本发明中，节点若无特别说明则指无线接入点。虽然本发明以上述实施例进行描述，但对本领域技术人员而言，不难理解以上实施例仅用于说明以帮助理解本发明而并非用于限制本发明。例如，虽然各分支只包括以线型方式配置的无线路由器，但路由器可以选择性地以有线或无线方式连接而不失一般性。
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 (14)

1.一种无线网状网络，其特征在于，其包括第一分支和第二分支，其中每一个所述分支包括多个接入点，所述第一和第二分支共享一个公共接入点，而且所述各接入点用于实现设备和网络的无线连接；其中，所述第一分支上的一个接入点与所述第二分支上的一个接入点之间的最小距离(d1)大于K1/αd0，其中，d0是所述第一分支上发射点与接收点之间的距离，K是信号干扰比(SIR)，α是路径损耗指数。
2.根据权利要求1所述的无线网状网络，其特征在于，d0是所述公共接入点与所述第一分支上的第一节点之间的距离，所述第一节点最接近所述公共接入点。
3.根据权利要求1或2所述的无线网状网络，其特征在于，所述的无线网状网络适用于室内应用，而且d1大于1.7d0。
4.根据权利要求1-3任一项所述的无线网状网络，其特征在于，还包括第三分支，所述第三分支包括多个接入点，且所述第三分支也共享所述公共接入点；其中，所述第一、第二和第三分支上最接近所述公共接入点的接入点分布于一等边三角形的顶点且所述公共接入点位于此等边三角形的中心。
5.根据权利要求1-3任一项所述的无线网状网络，其特征在于，还包括第三分支，所述第三分支包括多个接入点，且所述第三分支也共享所述公共接入点；其中，所述第一、第二和第三分支各包括多个呈直线分布的接入点，且所述第一、第二和第三分支各相隔120度角。
6.根据权利要求1-3任一项所述的无线网状网络，其特征在于，还包括第三分支，所述第三分支包括多个接入点，且所述第三分支也共享所述公共接入点；其中接入点呈Y型分布。
7.根据前述任一项权利要求所述的无线网状网络，其特征在于，其中所述第一、第二和第三分支上最接近所述公共接入点的接入点使用非重叠的信道传输。
8.根据前述任一项权利要求所述的无线网状网络，其特征在于，所述的无线网状网络适用于工作在5GHz频段。
9.根据前述任一项权利要求所述的无线网状网络，其特征在于，所述的无线网状网络适用于工作产生超过20Mbps的多跳TCP吞吐量。
10.一种蜂窝网络，其特征在于，包括多个前述任一项权利要求所述的无线网状网络。
11.一种无线网状网络，其特征在于，其包括共享一个公共接入点的第一分支、第二分支和第三分支，其中每一个所述分支包括多个路由器节点；其中，所述公共接入点用于使用不同且互不重叠的无线信道与所述第一、第二和第三分支通信。
12.根据权利要求11所述的无线网状网络，其特征在于，所述各分支包括第一路由器节点，其与所述公共接入点之间无线通信形成第一腿节，第二路由器节点，其与同分支上第一路由器节点之间无线通信形成第二腿节；其中，同一分支上所述第一和第二腿节所使用的无线信道不同且互不重叠，而且，所述第二腿节所使用的无线信道与所述第一、第二和第三分支上的第一腿节所使用的无线信道均不相同且互不重叠。
13.一种无线网状网络，其特征在于，其包括多个分支，所述各分支包括多个接入点以便于无线数据互联，其中相邻的所述分支接入一个公共接入点；且其中第一分支上的一个接入点与第二分支上的一个接入点之间的最短距离(d1)大于K1/αd0，其中，d0是所述第一分支上发射点与接收点之间的距离，K是信号干扰比(SIR)，α是路径损耗指数。
14.根据权利要求13所述的无线网状网络，其特征在于，所述多个分支实现为正多边形的边。
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