CN103355005B - 无线通信网络中改进的拓扑映射方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种方法，使得基站能够推断其小区中一组移动节点之间的紧凑型拓扑图，移动节点具有辅助无线电装置使得能够进行节点之间的通信。本方法确保在约100ms内收集节点成员信息，通过Wi‑Fi无线电装置在约300ms内从所有移动节点收集附加拓扑信息。在密集网络中，该时间可以进一步缩短至100ms以内。

Description

无线通信网络中改进的拓扑映射方法

技术领域

本发明一般地涉及无线通信系统的节点映射。

背景技术

当代无线通信系统的特征在于运用了多种无线接入技术，其中一些无线接入技术源于蜂窝通信服务连续数代的演进，还有一些则代表了在传统的蜂窝通信方式以外发展起来的无线通信服务。前者的例子包括通用移动电信系统（Universal MobileTelecommunications System，UMTS）和长期演进（Long Term Evolution，LTE），而诸如Wi-Fi的802.11服务则是后者的例子。具有与两种及更多种的无线接入技术兼容的RF能力的多模用户终端（以下通常称为移动节点）在有关时间可以切换到最合适的可用技术。这为用户和在其网络中运行多种技术的网络运营商都带来好处：用户可以在给定时间接入运行给定技术的网络，而不是用户的终端支持的其它技术的网络；网络运营商将通常可以在不同的技术载体之间进行负载分担，提升网络使用率与性能。

至少对于支持使用传统蜂窝系统和使用802.11系统进行接入的用户终端的情况，聚合的可用网络特征在于可以实现混合蜂窝网络架构。混合蜂窝网络架构的优点在于，终端用户设备通过用作内容高速缓存、蜂窝中继、聚合器、移动性预测器等，能在各种功能上协助基站（BS）。在混合架构中，关键区别在于基站知道给定的移动节点（Mobile Node，MN）及其邻居节点的位置。该位置信息支持基站确定由移动节点使用其辅助（secondary）无线电装置（一般指支持接入802.11系统的无线电装置（radio））形成的网络拓扑。该拓扑信息可获取性对于基站充分利用混合架构的潜在优势来说是至关重要的。

尽管通过小区中的移动节点发现拓扑信息的过程在本领域中是广泛知晓的，但是传统的焦点在于各个节点如何发现整个网络的连通图（connectivity graph）。在混合模型中，基站必须知道其所服务的MN之间的底层网络图的拓扑结构。然而，基站并没有必要必须知道它所服务的所有MN之间的链路的全部集合。例如，基站可能仅对它所服务的MN之间的高质量链路感兴趣，或者可能只关注这些MN之间是否存在至少一条路径，等等。这些功能中的许多并不需要知道MN网络的全部拓扑结构。这种根据需要产生的简化拓扑结构在本文中被称为紧凑型拓扑图（Compact Topology Graph，CTG）。

另一个问题是，虽然对于ad-hoc无线网络，拓扑结构发现可以分布式方式发生，在混合网络的情况下，过程实际上主要基于所有移动节点向单一的目的地（即基站）通知其邻居节点。这可能导致过多的传输开销。

在现代蜂窝数据网络中，从MN到基站的通信需要一些信令以获取承载信道，并且一旦获取承载，在承载上传输数据。对于一个典型的具有数百个用户的小区，仅出于拓扑发现的目的而进行以上行为就会导致严重的瓶颈。

一种典型的解决资源限制的方法是采取分簇的手段。多组MN自己组织成多个簇，并推选簇首（Cluster-Head，CH），各个CH发现簇拓扑结构并将此发送给基站。因此，信令开销与CH数量成比例，而发送的数据与以前几乎完全相同。原则上，每个CH执行以下功能的至少一项：（a）识别各个簇的成员信息，或（b）识别簇的拓扑结构。然而，本领域的方法以次优的方式执行这样的功能。

发明内容

本发明提供了一种能实现上述两种CH功能的新方法。具体的，本发明提供了一种以快速有效的方式将由MN的辅助无线电装置形成的底层网络图的紧凑型拓扑图传输至基站的方法。

在本发明的一个实施例中，提供了一种允许基站推测其小区内具有辅助无线电装置的移动节点之间的紧凑拓扑结构的快速算法。本方法确保在大约100ms内收集成员信息，通过Wi-Fi无线电装置在大约300ms内从所有移动节点收集附加拓扑信息。在密集网络中，该时间可以进一步缩短至100ms以内。

在另一实施例中，基站能够在任何移动节点不向任何其他移动节点表明其标识的情况下获取网络的拓扑结构。这对于保护移动节点的隐私具有重大意义。

附图说明

通过考虑以下具体实施方式并结合附图，可以很容易的理解本发明的教导，其中：

图1提供了其中实施了本发明的方法的无线系统布置的示意图。

图2描绘了示例性的给定节点网络的紧凑型拓扑图。

图3提供了根据本发明的方法确定的节点发送时隙的示意图。

图4提供了根据本发明的方法的计算紧凑型拓扑图的节点示意图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释和非限制性的目的，阐述诸如特定的架构、接口、技术等具体细节，以便于透彻理解本发明的示例性实施例。然而，可以在背离这些具体细节的其它示例性实施例中实践本发明，这对本领域的技术人员是显而易见的。在一些实施例中，省略了对公知的设备、电路和方法的详细描述，以免不必要的细节掩盖了所描述的实施例的描述。所有原理、方面和实施例及其具体实施例旨在包含其结构和功能的等同物。此外，还旨在这样的等同物包括目前已知的等同物以及将来研制出来的等同物。

以下以方法的形式描述本发明，以确定移动节点网络的紧凑型拓扑图的方法。虽然以双无线电装置接入蜂窝无线通信系统（诸如LTE或高速分组接入（High Speed PacketAccess，HSPA））和802.11系统（诸如Wi-Fi）的移动节点的方式示例性地描述所公开的发明，但显而易见的，本发明的思想可应用于双无线电装置接入其他无线系统组合的移动节点或仅单无线电装置接入802.11系统的移动节点的网络。

基于本发明的方法的详细描述，考虑如图1所示的蜂窝数据网络，其示例性的可根据LTE或HSPA标准实现。网络中包含多个小区，分别通过基站的等同物接入。在示例性的LTE/HSPA网络情况下，基站的等同物表示为eNodeB（eNB）。eNB通过信令路径连接到移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME），通过数据路径连接到服务网关（ServingGateway，SGW)）。eNB们由MME/SGW对控制，单个MME/SGW组合通常表示包含多个小区的大片地理区域。当移动节点（MN）进入网络时，它自己首先在MME上进行注册（经由一个合适的eNB），并且用其建立控制信道。当MN发送数据时，它必须先发送信号给eNB以获得用于发送数据的承载信道。eNB（或其他网络实体）分配承载信道并将承载信道通知给MN。该过程在LTE网络中耗时约100ms，在HSPA网络中可达到2秒。本文为了便于描述，将MME/SGW对称为Base Station（基站），这是由于它们作为为MN提供控制与数据路径的单个逻辑实体，并且还由于它们为单个诸如无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）小区的802.11小区提供了接入点的功能等同物。

如上所述，MN被配置为具有至少两个无线电装置的多模终端，一个用于与蜂窝网络的基站会话，另一个作为辅助无线电装置用于接入诸如Wi-Fi或WiMAX的802.11网络。本文为了便于描述，假设辅助无线电装置为遵循IEEE802.11系列标准的Wi-Fi无线电装置，但应当理解，本发明的思想并不局限于此。移动节点可以使用该辅助无线电装置与Wi-Fi接入点通信或在移动节点之间通信。由此，移动节点被认为处于对等模式（peer-to-peermode）。

每一个Base Station在任一给定时间控制数百个MN并知道所有MN的标识（identity），这是由于MN必须在网络上注册以接收服务。然而，Base Station只有关于MN相对于其小区内其他节点的相对位置的有限信息。诸如辅助GPS（Assisted GPS，A-GPS)或纯（plain）GPS的技术可以用于将用户定位在地图上的地理位置，但不能保证两个（彼此）相邻的节点可以相互会话。为此，Base Station必须依靠MN收集并提供该信息。

所述术语“链路”在此处指两个MN之间的Wi-Fi链路。还需注意，术语“节点”、“移动台（mobile）”或“MN”在本文的描述中可换用。

两个节点之间的链路是对称的。可以通过由国际移动设备标识（InternationalMobile Equipment Identity，IMEI）和Wi-Fi MAC地址组成的ID唯一地标识每个节点。BaseStation了解所有移动台的Wi-Fi MAC地址，在移动台的注册期间获取它们。Base Station能够通过控制信道（如HSPA和LTE中的BCCCH信道）向所有移动台发送广播消息。BaseStation还提供定时信号以使所有移动台同步，这允许移动台无需经由Wi-Fi接口的显式同步就可进行操作。

在系统中总共有N个节点，节点密度用ρ表示。假设干扰范围为数据范围的至多两倍。本发明方法不要求节点均匀分布，也不要求一给定节点可以监听到其他所有节点，即不存在关于团体的假定。

为了便于描述本发明，在此定义了紧凑型拓扑图的概念。将移动节点的集合表示为网络图G=(V;E)的顶点的集合V。将MN之间链路的集合表示为该图的相应顶点之间的边的集合E。

uv|uv∈E,u,v∈X

将紧凑型拓扑图CTG_i(G)=(V,E_i)，I=1,2,3，定义为G的加权子图。节点集合V被分为两个集合X、Y，其中X表示G的控制集（Dominating Set，DS），Y=V\X。（如果图中所有节点或者属于集合X或者为集合X中的某个节点的邻居节点，则节点集合X是图G的控制集）。集合X被选为G的控制集，这暗示Y是G的非控制节点的集合，即Y中的节点均有控制集节点作为其邻居节点。此外，对于每一个节点，v∈X,定义H₁(v)={u|uv∈E}为v的单跳邻居节点，而换句话说，H₁(v)和H₂(v)表示节点v∈X的单跳邻居节点和两跳邻居节点。

将集合E₁、E₂和E₃定义为：

E₁={uv|uv∈E,u,v∈X}

E₂=E₁∪{uv|uv∈E,u∈X,v∈Y}

E₃=E₂∪{uv|u,v∈X和h_G(u,v)=3}

在集合E₁和E₂中边的权重为1，而在集合E₃\E₂中边的权重为3，表示链路的端点之间的最小跳数。

图2表示图G的CTG₂与CTG₃的示例。请注意CTG₂不是G的弱连接控制集（WeaklyConnected Dominating Set，WCDS）。如果原始图G是不连通的（disconnected），则CTG_i也是不连通的。

控制集X可以分簇算法确定，其中节点在它们的邻居节点中推选出代表性的节点作为他们的簇首（CH），该簇首也是一个控制点（即DS的一个成员），并且离其他控制点的距离为1、2或3跳。如果控制节点的集合可以确定距它们最近的控制点的路径，并且将节点和链路加入这些路径，那么可以构建底层网络图G的紧凑型拓扑图。

如上所述，从MN到Base Station获取承载信道的过程，在每个MN的基础上至少需要100ms延迟。如果G中的每个节点在每个节点的基础上试图通知其拓扑信息，即使不考虑超带宽和Base Station上的资源绑定，仅竞争获取接入控制信道就容易消耗几秒的时间。因此，一个目的是依赖CH向Base Station传递相关信息。由于CH数目通常呈现数量级上的小于网络中的MN数目，因此使用该方法通信开销将有望小得多。其结果是，在Base Station构建CTG_i(G)将快得多。

作为本发明方法的一部分，发明人发展了一种获得网络图的CTG的快速有效的算法。为了便于描述本文记载的示例性的实施例，除非另行明确指出，否则假设通过节点的任何传输都经由Wi-Fi接口。然而应该理解，本发明的方法涉及的范围并不局限于这样的Wi-Fi应用。

本发明的算法分成两部分：（a）拓扑发现及（b）拓扑构建。为了避免Wi-Fi链路上现有业务的中断，有必要保持前者的持续时间（duration）尽可能的小。还需要避免发现过程持续时间的可变性。

本发明的算法按4个阶段进行，其中前3个阶段为拓扑发现过程，最后1个阶段为拓扑构建阶段。所有阶段为由移动台的密度确定的固定持续时间。在所述算法的起始阶段，Base Station向所有节点发送广播消息，所述广播信息包含前3个阶段时长（W、k和k），数值d，随机种子R，以及发现CTG₂或CTG₃的选项。

第一阶段旨在簇首选择（称为阶段Z₀），长W个时隙，每个时隙等于802.11的退避（back-off）时隙。节点按照概率策略自愿作为其邻居节点的CH。在此阶段，每个节点发送至多1条广播消息，无需知道其邻居节点的大小。当以下两个行为之一发生时，节点完成本阶段：（a）节点进行传输；或（b）节点监听到另一传输，所述两个行为以先发生者为准。

请注意，本阶段可能发生传输冲突，只要在各节点的邻居节点中发生第一次传输则在各节点处基本终止过程。进行过传输的各节点起到CH的作用，而监听到传输（成功或失败）的节点将成为非CH节点。CH节点记录其传送信息的时隙号。

算法执行的第二阶段旨在获取单跳邻居节点列表（称为阶段Z₁）。在阶段1结束时，每个非CH节点按照发明人之一（与其他人）在旨在与RFID标签通信的以前工作中开发的方法以唯一的签名发送其标识。该方法详细描述在美国公开的专利申请No.2010/0295659中，但是此处为了便于理解本发明而作了足够详细地概括。根据该方法，每个非CH节点在一个长度为k个时隙的窗口K中发送多达d次，其中k和d由Base Station设置。在每一时隙，非CH节点传输一个包含多个比特（bit）的PHY符号（symbol）。d个时隙的选取基于BS提供的种子值的随机散列（hash）以及节点ID（MAC或IMEI）。思想是确保存在至少一个时隙，在该时隙中每一节点可以在不与邻居节点发生任何冲突的情况下进行传输。选取k和d的值使得在两跳邻居中的所有节点具有至少一个时隙，在该时隙中它们是仅有的进行传输的节点，而具有成功接收的高可能性。如图3所示。

每一CH节点监听其所有的非CH邻居节点的传输。在每一时隙，CH节点检测传输的总能量，基于能量阈值确定此时隙是否存在至少一个传输行为。由于接收到的比特实际上没有被解码，因此来自非邻居节点的干扰不是问题。CH用长度为k的二进制比特向量记录哪个时隙发生传输以及哪个时隙没有发生传输，并将其存储为摘要（digest）ψ₁，其旨在作为CH的所有邻居节点的编码。该思想将在下面作详细说明。

在这一点上，可以从ψ₁信息获得足够的数据以获取CTG₂子图，进一步的拓扑构建方法将就算法的阶段4的描述进行阐述。然而，如果需要CTG₃子图，则需要附加的步骤，如以下所述。

如前文所述，在k个时隙组成的窗口K中，每一非CH节点发送多达d次。为了仅获得CTG₂子图，每一时隙持续与一个PHY符号长度相等的持续时间，且节点仅在其d个时隙中发送一个符号，在其他时隙保持空闲。然而，为了确定CTG₃子图，非CH节点在阶段Z₁在发送与接收模式之间进行切换。因此非CH节点的时隙持续时间为短帧间空间（Short InterframeSpace，SIFS）+1个符号长度（如对于802.11a/g为20μs，对于802.11b为17μs）。在帧的起始，所有非CH节点作为接收端。在一个时隙内，如果非CH节点需要进行发送，则其将在SIFS间隔切换至发送模式，发送一个符号并切换回接收模式。在所有其他时隙，非CH节点以与前述的CH相同的方式监听来自其邻居节点的广播。其将检测传输时隙（包括其本身）和空闲时隙的序列，并将其记录为比特向量，其旨在作为该非CH节点的所有邻居节点的编码。

需要特别注意的是，这整个阶段遍及网络正好持续k个时隙，并以分布式方式发生。

算法执行的第3阶段旨在获得两跳邻居节点列表（称为阶段Z₂）。在阶段Z₁结束时，所有节点启动阶段Z₂，使得CH可以构建其两跳邻居。本阶段同样正好持续k个时隙，除了每一时隙仅为一个数据符号的持续时间（如在802.11a/g中为4μs）。在本阶段，每一非CH节点将它的向量作为单个消息发送。比特向量中的“1”对应一个全部为1的PHY数据符号，比特向量中的“0”对应无传输。CH节点监听其所有邻居节点的协调传输。以与以上相同的方式，它将在各个时隙存在信号记为“1”，将不存在记为“0”。此长度为k的比特向量称为摘要ψ₂。

在每一CH节点接收k个符号结束时，本阶段完成。在本阶段中，每一非CH节点正好广播一次（且为并行）。

阶段4旨在在Base Station构建CTG子图（称为阶段Z₃）。必须指出，到目前为止没有任何MN向Base Station发送过任何信息。拓扑发现过程在针对CTG₂子图的阶段Z₁和针对CTG₃子图的阶段Z₂处结束。现在所需要做的是Base Station使用该信息构建网络图G的CTG。

在前一阶段的结束，每一CH节点向Base Station发送以下信息：（a）它的标识符，（b）它在阶段Z₀进行发送所在的时隙号，（c）在阶段Z₁获得的摘要ψ₁，（d）在需要CTG₃构建的情况下，在阶段Z₂获得的摘要ψ₂。由于Base Station知道网络中所有MN的集合，因此可以提前计算每一个MN i在Z₁阶段进行发送所在的d_i个时隙的确切集合。这在此称为节点签名（signature）。对节点解码的过程仅是以下行为之一：查看在Base Station注册的N个节点的各个签名；对摘要ψ₁(v)与ψ₂(v)逐位进行与（AND）运算操作。如果结果为节点的签名，则标记此节点分别存在于H₁(v)和H₁(v)∪H₂(v)中，其中H₁与H₂已在前文中给出定义。针对所有节点N对ψ₁和ψ₂向量进行解码后，可通过从后一集合中移除H₁(v)计算出H₂(v)。据此，可以计算出CTG₂与CTG₃子图。

关于本发明的方法的其他具体细节如下所述。

簇首的选择-Z₀

在Z₀阶段的起始，Base Station向所有节点发送同步信号以发起CH选择过程。Base Station发送一个随机种子R，其与每个节点的节点ID一同用于初始化随机种子生成器。每一个节点u∈V在长度为W的帧中随机地（从均匀分布中）选择一个时隙。然后，节点监听信道直到它们的时隙到达为止。如果它们的时隙到达，则它们发送一个随机字符串作为一个PHY符号，并且担任CH的角色。进行传输的节点可能与其他在该时隙内进行传输的节点产生冲突，但它们对此忽略，并且所有在该时隙内发生冲突的节点将担任CH的角色。

监听到传输的节点认为它们的单跳邻居中某另一个节点已经成为CH，因此终止其选择算法，而无需知道它们的CH是谁。即使节点监听到冲突也是如此。本发明方法的拓扑发现过程中的一个独特部分是节点不需要知道它的CH，除非CH或Base Station选择让节点获知该信息。这允许非CH节点在其范围内与多个CH相邻。

干扰范围：MN可以监听到来自其范围外的一些节点的累积干扰，并认为在其邻居中存在CH。在本发明的实施例中，通过在节点中设置用于检测有效信号的能量阈值可以解决存在干扰信号的问题。因此，如果在节点处监听到信号的接收信号强度超过特定阈值，则该信号被认为来自于邻居节点。这种测量方法在现有的Wi-Fi芯片组中是可用的，并且可以用于解决来自更远节点的干扰的问题。

CH节点的维护：如果拓扑是基本不变的，那么优选地，Base Station可使用同一组节点作为CH，然后重复拓扑发现过程。使用由Base Station提供的随机种子R来协助这一过程。因此，只要拓扑结构保持不变（例如，没有新的节点到网络中来，现有的节点不离开网络，节点之间没有相对移动），则能够确保相同的节点再次成为CH。如果Base Station想要一组不同的CH，那么它可以仅改变随机种子R来得到一组不同的CH。

单跳邻居节点的发现，Z₁

如上所述，在Z₀阶段结束时，每个非-CH节点将按照先前部分所述的方法以唯一的签名发送其标识，该方法基于由节点在长度为k个时隙的窗口中进行多达d次的传输。在Z₁阶段，Base Station确定是否需要找到CTG₂或CTG₃，并根据其估计的用户密度确定k和d。非CH节点使用Base Station先前提供的随机种子R和自己的ID从大小为k的帧中随机地选择d个时隙。每个非CH节点在其所选择的d个时隙的每一个中，发送包含随机数据的802.11PHY符号。应注意，该符号传输时可以不需要任何前导码，因为它不影响接收器处信号的同步。实际上，由于节点不需要解码接收到的信号，因此同步的问题是不存在的。

CH仅监听每个时隙并记录在该时隙是否至少一个邻居节点进行了传输。其次，CH仅需要使接收到的信号超过阈值以将该时隙标记为被占用。否则，它们将该时隙标记为空。这使得CH如前所述地在比特向量ψ₁中记录单跳邻居。

非CH节点的行为基于Base Station想要发现CTG₂还是CTG₃而不同。对于前者，非CH节点仅仅作为发射端，其允许的时隙长度是1个PHY符号宽度，为了确保比特的完整性，在时隙之间添加附加的1μs的保护持续时间（guard duration）。这给持续时间增加了几乎4ms，但是却避免由于CH处传播延迟引起的比特同步误差。

如果需要CTG₃，那么非CH节点必须在发射模式和接收模式之间进行切换。这是因为，为了获得CTG₃，每个CH节点u需要获得它的两跳邻居H₂(u)。这意味着H₁(u)中的非CH节点需要知道它们的单跳邻居，才能对节点u进行中继。它们还需要监听它们的邻居节点正在选择哪些时隙。因此，每个时隙被分成两部分：（a）SIFS持续时间，其允许处于发射模式的节点切换到接收模式，反之亦然；（b）非CH节点传输/监听的PHY符号持续时间。在非CH节点v处记录的合成比特向量被称为。在该比特向量中，v选择的d个时隙也被标记为1。

发现两跳邻居节点，Z₂

在第二阶段，每个非CH节点v以与它们在阶段Z₁发现CTG₂所作的一样的方式发送中的每个1比特转化为一个数据符号，0比特则标记为未进行传输，摘要中处理的每个比特之间具有1μs的保护持续时间。当CH监听到该信息时，表示它正在从所有广播它们的摘要的单跳邻居节点接收信息。在窗口K的每个时隙中，如果CH节点检测到传输，则在摘要ψ₂中将对应这个时隙的比特标记为1；如果没有传输，则将其标记为0比特。

计算CTG，Z₃

在这一阶段，Base Station获得ψ₁；ψ₂以及在阶段Z₀从各个CH节点发送的时隙数。

构建CTG₁(G)：本方法首先发现那些相邻的CH。这些节点是可能已经在阶段Z₀的第一个传输时隙中发生了冲突的节点。通过查询在Z₀中具有相同的传输时隙标号的成对u,v∈X对它们进行识别，并将它们与其ψ₁向量逐位进行与运算。只要两个节点的邻居不是稀疏的，在由这两个向量表示的集合H₁之间将形成显著的重叠。如果ψ₁(u)不同于ψ₁(v)至多在于远小于d的b个比特位置，则这两个节点被认为是CTG₁中的邻居节点的可能性很高。

构建CTG₂(G)：在CTG₂图的构建中，给CTG₁图增加更多的边。首先，Base Station对节点的签名和CH发送的摘要ψ₁执行逐位的与运算操作以确认此签名是否包含在摘要中。该过程与布鲁姆（Bloom）过滤器非常相似。如果节点识别是肯定的（即，与运算操作是非零的），那么将其添加到CH节点的单跳邻居中，如此重复进行直到所有N个节点的签名都与CH提供的所有摘要匹配。将所有的CH（即，将摘要发送到Base Station的那些CH）表示为集合X，因此将计算出的单跳邻居集合表示为从u∈X到H₁(u)中的所有节点提取边以得到CTG₂。如果两个CH u,v∈X具有H₁(u)∩H₁(v)中的节点，那么它们在CTG₂子图中显示相互连通。

构建CTG₃(G)：为了构建CTG₃，Base Station需要找到在G中所有距离间隔3的CH节点对。通过给CTG₂中的这两个节点加上一个权重为3的边，可生成CTG₃。

CTG₃的构建从设置CTG₃=2开始，Base Station通过解码u发送的摘要ψ₂计算两跳的非CH邻居H₂(u)，已知这些表示H₁(u)∪H₂(u)。用与之前相同的方法将每个MN的签名与摘要进行比较，以确定其是否存在。由此可计算出H₂(u)，

对于任意两个在CTG₂中不连通的节点u,v∈X，Base Station知道H₁(u)和H₂(v)。通过计算H₁(u)∩H₂(v)可以找出离v两跳远但是离u一跳远的那些节点。这例示在图4中。如果至少有一个节点满足这个条件，那么意味着h_G(u,v)=3，因此在CTG子图中添加一个权重为3的边。对CTG₂中所有不连通的节点对重复以上操作以完成构建。

计算三跳路径

对于CTG₃中节点之间的边的权重为3的两个节点u,v∈X，在G中其间存在着一个3跳的最短路径。通过下文的方法，Base Station能够识别出u和v之间至少一条特定路径。

Base Station发现存在节点x∈H₁(u)∩H₂(v)与节点y∈H₂(u)∩H₁(v)，因此在G中存在路径u—x—y—v。Base Station在H₁(u)∩H₂(v)中查找其标识已知的节点x。BaseStation检查节点x的签名以及在ψ₂(v)中表示的所有节点的签名，以找出ψ₂(v)中的哪一个比特唯一地表示x。由于可从ψ₂(v)解码x，因此保证至少一个这样的比特的存在。BaseStation将该时隙号通知节点v。CH节点v然后向其邻居节点广播该时隙号，并询问H₁(v)中是否有节点在它们的向量中设置有与该时隙对应的比特。假设拓扑结构没有改变，则至少存在一个这样的节点y∈H₁(v)。y可以直接通知Base Station或者通过v转发其ID。这使得Base Station能够在CTG₃子图中这样的节点之间计算三跳最小距离路径。

以下描述了本发明方法的一个示例性应用。

在整个网络中给定一组节点N，Base Station可以通过网络的地理分布（即，居住分布）计算出移动台的密度ρ。Base Station可以给这个密度添加一个安全余量，例如，将其乘以一个为3的因子。鉴于此，Base Station计算两跳邻居中期望的用户数量m不多于m₂=π2²*3ρ=37ρ。在单跳邻居中，期望的用户数量会少于m₁=π*3ρ=9.42ρ。

对于Z₀阶段，Base Station设W=3*m₁，而对于Z₁、Z₂阶段，它设k=2:08*m₂ln(N/ε),其中ε=0:001。

阶段Z₀持续W个时隙，其中每个时隙与802.11中的退避时隙长度相同，即20μs。阶段Z₂持续k个数据符号的传输持续时间。对于IEEE802.11a/g，无论使用什么比特率，如果整个帧数据中只有一个符号，则符号时间为10μs。阶段Z₁的长度可以随所需要的子图类型而不同。如果只需要CTG₂，那么Z₁持续k个数据符号，后面没有Z₃阶段。然而，如果需要CTG₃，那么在Z₁阶段每个时隙持续SIFS+数据符号持续时间，其在802.11a/g中为20μs。

因此，使用802.11a/g无线电装置，发现CTG₂花费(20W+10k)μs，发现CTG₃花费(20W+20k+10k)μs。假设N个用户分布范围为10km²，针对各种节点密度的W，k，d的值以及CTG₂和CTG₃的拓扑发现时间如表1所示，其中假设移动台的Wi-Fi范围为100米。在表中，W，d，k为时隙，而发现CTG₂和CTG₃所花费的时间（分别为T₂和T₃）为毫秒。

表1

即使在非常高的节点密度ρ=10情况下，摘要ψ₁与ψ₂的大小仅为k<12000比特，也就是1500字节。因此，每个CH向Base Station发送最多两个1500字节的分组就可辅助3000个节点进行拓扑发现，即存在的每个节点少于1字节。发现拓扑结构所花费的时间主要是ρ的函数，即使是在考虑更大区域的情况下（即更大N值），时间变化也不会太大。

CH使用上行链路数据信道发送此消息给Base Station。这就意味着每个CH节点在获取承载信道时持续时间很小（在LTE中约为100ms）。当一个CH在承载信道上进行传输时，其他的CH可以通过在上行链路控制信道上竞争来试图获取平行的数据信道，从而减少了承载获取开销。此处优势在于，只有少数节点对Base Station进行发送，这降低了整体的开销。

最后，再次提请注意在整个过程中，没有节点曾通过Wi-Fi接口传输任何识别信息。因此，任何偷听者或甚至其他参与移动台将无法知道网络中任何移动台的标识。只有Base Station将能够识别网络中的所有节点，并选择根据需要与移动台通信。这种保证匿名性是本发明方法的独有方面。

在此，发明人公开了一种针对具有内部节点通信能力的移动终端的网络的改进的紧凑型拓扑图确定的系统与方法，鉴于以上描述，本发明的许多变型和可替换的实施例对于本领域的技术人员而言是显而易见的。

因此，这种描述可理解为仅是示例性的，用于教导本领域的技术人员实施本发明的最佳方式，而不是旨在举例说明其所有可能的形式。也应该理解所使用的词语仅是描述性的而非限制性的，在不脱离本发明精神的情况下可对结构细节进行实质上地修改，保留对落入所附权利要求范围内的所有修改的专用权。

Claims (8)

1.一种在无线通信系统中确定形成簇并具有到基站的公共通信链路的多个移动节点之间的网络拓扑结构的方法，各个移动节点具有唯一的标识，所述方法包括以下步骤：

使至少一个移动节点在传输时隙发送信号，从而所述至少一个节点成为簇首，以下将簇首称为“CH”；

在除了所述CH以外的移动节点处，在一个传输帧中选择一个或多个传输时隙，以下将除了所述CH以外的移动节点称为“非CH节点”，其中，所述非CH节点以确保所述非CH节点中的一些所选择的传输时隙中的至少一个不与其他进行传输的非CH节点冲突的方式执行传输时隙的选择；

使非CH节点中的一些在为给定的非CH节点选择的时隙期间发送信号；

所述CH根据接收至少一个信号所在的传输时隙形成从非CH节点接收到的传输信号的第一摘要；

将所述摘要、所述CH的节点标识以及发送CH信号所在的传输时隙发送给基站。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非CH节点中的一些进行以下行为：

(1)在传输时隙序列检测来自其他非CH节点的传输信号；

(2)在检测在所述传输帧上传输的信号时，以向量形式记录所述帧的传输时隙内是否存在至少一个传输信号；以及

(3)向所述CH发送所述向量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，基于所述非CH节点发送的所述向量根据检测给定信号所在的传输时隙所述CH形成传输信号的第二摘要。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述CH形成第一摘要进一步包括以二进制向量的形式记录在传输帧的每个传输时隙期间是否存在从所述非CH节点中的一些发送的信号。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述非CH节点中的一些根据接收到的信号能量相对于预定阈值的关系，确定在给定的传输时隙是否存在传输信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，每个非CH节点在长度为k个传输时隙的窗口中传输达d个传输时隙，其中k和d为基站提供的整数值。

7.一种在无线通信系统中确定形成簇并具有到基站的公共通信链路的多个移动节点之间的网络拓扑结构的方法，各个移动节点具有唯一的标识，所述方法包括以下步骤：

一个移动节点在传输时隙期间发送信号，从而所述一个移动节点成为簇首，以下将簇首称为“CH”；

在传输帧的一个或更多个传输时隙期间从除所述CH之外的其余的多个移动节点中的每一个接收信号，以下将除所述CH之外的其余的多个移动节点称为“非CH节点”；

所述CH根据接收信号所在的传输时隙形成从非CH节点接收到的传输信号的第一摘要；

将所述摘要、所述CH的节点标识以及发送CH信号所在的传输时隙发送给基站。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述CH形成第一摘要进一步包括以二进制向量的形式记录在传输帧的每个传输时隙期间是否存在从所述非CH节点中的一些发送的信号。