CN104125619B - 一种终端自组网的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种终端自组网的路由方法，包括：a．终端维护本地动态路由表，所述本地动态路由表在网络轻载的状态下，在各终端间相互传递更新；b．系统业务采用泛洪路由方式、本地节点辅助路由方式、按需路由方式或其任意组合；c．终端根据业务类型和本地动态路由情况选择路由方式。

Description

一种终端自组网的路由方法

技术领域

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种终端自组网的路由方法。

背景技术

以802.X.X为代表的无线Mesh技术是目前的研究热点和重点，这类无线Mesh技术是针对Internet无线接入和应用发展起来的，它的典型应用主要表现在城市特定区域、复杂街区、建筑物群内外、办公区、家庭室内及个人周边等场景。在这种应用环境中，各节点常为固定或低速移动，网络拓扑结构的变化慢，业务以Internet接入为主，语音等实施业务也是以VoiP的方式为主。技术实现上，物理层与PMP相同，仅在MAC做针对Mesh的路由处理。

在战术通信和抢险救灾等场景中，业务往往以集群语音、短数据实时组播业务为主，且要满足各接入点在移动中通信的需求，因此网络的拓扑变化快，承载的业务实时性强，对单跳的覆盖要求高。有的终端自组网无法满足上述需求。

发明内容

为克服上述问题，本发明提出一种终端自组网的路由方法，包括：a．终端维护本地动态路由表，所述本地动态路由表在网络轻载的状态下，在各终端间相互传递更新；b．系统业务采用泛洪路由方式、本地节点辅助路由方式、按需路由方式或其任意组合；c．终端根据业务类型和本地动态路由情况选择路由方式。

优选的，本地动态路由表包含用户标识和链路状态信息，所述链路状态通过接收到的同步信号的功率判定。

优选的，本地动态路由表可以以路由表矩阵进行描述，矩阵中各元素描述链路传输质量；对角线元素描述本节点状态。其中链路传输质量可以包括没有测量值、差、良好和优秀；本节点的状态包括忙闲状态和路由表动态更新记录。

优选的，集群业务的路由采用泛洪路由方式：终端收到业务包后，根据集群组标识判断，若为属于本终端的组业务，则将语音包取下转交给本地声码器还原声音，否则转发。数据业务的路由采用本地节点辅助的路由方式：根据业务数据包中的目的地址，若为本终端的数据，则将数据包取下来，不再转发；否则根据本地路由表决定是否要转发，在本地路由表中查询与目标节点间是否存在可达链路，若存在则转发；否则根据本地忙闲状态决定是否以泛洪方式转发。点对点语音业务和视频业务采用按需路由的方式：源节点利用拨号过程采用泛洪方式向目标节点发送路由请求消息，目标节点在收到路由请求消息后，根据其中记录的路由信息选择最佳路由，并反馈给原节点，原节点按此路由传递业务包。

本发明提出方法以非常低的网络代价获得全网的网络路由表，解决了自组织网中随网络规模增加效率急剧下降的问题，能够满足特殊通信中网络拓扑变化快、业务实时性强等要求。

附图说明

图1OFDM/TDMA的资源划分和物理帧信号示意图；

图2GMSK/TDMA/FDMA的资源划分和物理帧信号示意图；

图3接入帧信号示意图；

图4接入过程示意图；

图5隐节点的应用场景示意图；

图6业务帧格式示意图；

图7按需路由协议示意图。

具体实施方式

下面以McWiLL终端为例，结合附图，对本发明的具体实施作进一步详细的说明。该具体实施例中的系统和方法能够支持最大8跳的无中心实时集群业务，且集群业务中的用户具有优先级，在8跳时集群业务的接入时间小于50mS，传输时延小于200mS，满足实时集群语音指挥调度通话的需要；支持最大8跳的无中心实时数据传输，在8跳时数据业务的接入时间小于50mS，单向最大延时小于100mS，双向最大延时小于200mS；支持最大8跳的无中心点对点语音和视频的实时传输，在8跳时传输延时小于200mS。

自组网终端可以通过更换软件的方式实现终端的两种工作模式，即McWiLL下的终端和自组网中的节点。工作模式的更换可以是手动方式，也可以是自动方式。

一、应用场景描述

营及营以下作战单位野战指挥、应急抢险、野外作业。支持实时的集群语音业务，支持短数据、图片传输和数据传输。在有GPS/DB支持的环境下，提供相互间的位置信息，以标图的形式动态呈现。依靠数据传输的能力，共享整体态势信息。自组网的终端，可以通过无线网关的形式实现与McWiLL网络的互联互通。因此终端自组网可以看做是McWiLL网络在网络边缘的一种延伸。

二、物理层

以5MHz×10mS或1MHz×10mS为一个资源块，将这个资源块划分成相互正交的8或4个独立子块。每个独立子块为各终端以侦听竞争的方式进行抢占的最小传输资源，终端在抢占了空闲的传输资源后，发送本终端的信息。本终端的信息为本地用户产生的基带码流加上为其他终端转发的基带码流，合成的码流以单用户的形式在空口发送。考虑到泛洪路由或部分泛洪路由的使用，发射以广播的模式，信道编码建议采用1/2卷积码。

选用5MHz射频带宽时，采用OFDM的调制方式，以TDMA进行资源块的划分，此种工作方式更侧重在满足传输带宽的需求。采用OFDM/TDMA的资源划分和帧结构如图1所示。10ms为1帧，1帧分为8个时隙，每个时隙包含97uS的保护间隔和63uS同步头。保护间隔中的预留7uS作为收发转换保护，90uS为距离保护，90uS的距离预计能满足13Km传输距离的需要。也可以将8个时隙合并成4个时隙，此时最大跳数为4。两个时隙合并时，载荷传输能力扩大一倍，同步头和收发转换保护间隔变成一个，距离保护间隔则扩大到187uS，对应的最大传输距离28Km。

选用1MHz射频带宽时，采用恒包络的GMSK调制方式，以TDMA进行资源划分为主，兼顾FDMA。在终端采用相同功放的情况下，GMSK@1MHz的发射功率比OFDM@5MHz的发射功率理论上可以高19dB。采用GMSK/TDMA/FDMA的资源划分和帧结构如图2所示，帧格式中同步头与载荷相同，其他与5MHz相同。

自组网的同步可以采用三种方式，其一是采用全球定位系统或北斗系统（GPS/BD）进行同步，在能够接收GPS/BD的环境中，通过GPS/BD可以获得终端的位置信息和系统的绝对时间基准。从利用GPS/BD获得的秒脉冲可以进行同步，同时利用GPS/BD获得的位置信息，可以呈现协作人员的位置信息。如果产品在设计时选择具有发射模式的DB模块，还可以利用BD的短信功能，在无其它传输手段的环境下进行短信通信；其二采用相关区域发送同步时标的方式实现终端10mS时间基准的标定；第三种方式是利用发送的同步信号，终端相互之间进行时间基准的锁定。

终端在发送信息前，如果没有收到其他终端的同步信号，则按自己本地时钟进行信号的发送，该终端发送的同步信号就是自组织网中的种子时钟，接收到同步信号的网内其他终端与该种子同步信号同步，不能直接收到该种子同步信号的终端，则接收其他终端转发的同步信号并与收到的信号进行同步。

资源块在时间轴上采用发送m序列的方式进行分割，此m序列调制了2bit的信息，分别代表高优先级业务抢和跳频图样序号等重要信息。此m序列发射的信号功率高且扩频增益大，因此这个m序列具有同步、时隙标识、两点之间无线链路预算测量、全网广播消息发送、终端唤醒、节电、业务分担、接收机增益调整、接收机频偏校准、实现接收机相干解调等功能。

无论是1MHz的射频带宽还是5MHz的射频带宽，同步头均用1MHz的带宽发送，采用长度为63的m序列，chip时长为1uS，共占用63uS的时间。不同时隙的同步头采用不同的m序列，这样在搜索同步头的同时，也可以知道所用时隙的序号。在63位的m序列上，模二叠加两个31位长的m序列，用以利用同步时的63uS时间和功率传送2bit的信息，分别代表：00高优先级业务抢占，收到此标识，所有终端暂停在已占用的时隙上发送2帧，等待高优先级业务接入后再重新接入，接入后延续业务。01、10、11代表跳频图样序号。没有叠加这2bit的信息，则为正常的同步头。

对5MHz带宽的系统而言，同步头的发射功率比业务信道的功率高7dB，63位长的m序列解扩增益高达18dB，理论上讲同步头的链路预算比业务信道的链路预算在采用5MHz射频带宽时要高25dB，在采用1MHz射频带宽时要高18dB。采用同步头进行链路预算测量，在采用5MHz射频带宽时可以测到相同业务时隙20dB以上的隔离度，在采用1M射频带宽时可以测到15dB以上的隔离度。有了相同业务时隙隔离度的测量结果，就可以复用时隙。初步认为采用OFDM的调制方案，为达到传输16QAM的能力，需要20db的隔离度，而GMSK需要15dB的隔离度。

终端的省电设计，在网络中没有信号需要发送时，终端处于睡眠状态，此时仅有前端的低噪放工作，如果有其他终端的发送信号到来，低噪放输出的信号会高于某个门限值，利用这个状态信号，唤醒终端进行接收和完成相关的其他操作。如果超过一定的时间终端没有唤醒，则终端可以根据自己的定时时间唤醒，定时时间的间隔可根据不同的需要进行设置。终端在被唤醒后，要接收GPS/BD的信号，进行位置更新和时钟校准。

在电量不足时，可以降低本节点终端的发射功率。降低发射功率相当于调整了路由表中最关键的链路预算测量，网络根据路由会自动降低需要该节点转发的业务量，也代表了有网络中其他节点分担能量，达到全网能量均衡的目的。根据路由表中的两点间链路质量，应尽可能的选择高阶调制方式，这样在发射功率不变的情况下，尽可能缩短通信时间。

因此，同步头具有同步、时隙标识、两点之间无线链路预算测量、全网广播消息发送、终端唤醒、节电业务分担这六个主要功能。当然，还可以同步头调整接收机增益、实现完成接收机频偏校准，实现接收机的相干解调等。

三、终端接入过程

为了达到50mS业务快速接入系统的要求，设计了终端在接收的同时，直接判断空闲帧，在终端判断为空闲帧的时隙，直接发送携带有用户标识或避让标识的扩频编码序列，由于扩频吗序列具有很高的扩频增益，能够准确方便的在正常通信的业务流中检测出来，且具有比正常通信业务高很多的链路预算，能够探测更大的范围，从而在保证快速接入的同时有效解决了自组织网中隐终端的问题。

需要接入的终端，在接收10mS完整信号的时候就知道哪些时隙是空闲的。在接下来的下一个10mS帧的空闲时隙处发送接入帧，接入帧信号示意图如图3所示。接入帧在随机位置（该随机位置从工程实现简化的角度出发，可以定义固定的8个时间点，实现时仅在这8个固定的时间点上进行随机探测）上发送碰撞探测信号，碰撞探测信号时长64uS，采用m序列模二加Walsh码的方式，设计64位长，8×8的Walsh携带1字节的用户标识信息。这样接收方在接收到同步信号、探测信号后，就知道什么时隙什么用户占用这个时隙，为动态路由提供路由所需的相关信息。用户的标识信息占用7bit，如果将1个字节中的最高位置1，则在有相互间为隐节点的场景中用来做接入避让指示。

终端的接入过程如图4所示。接入帧的探测信号时长64uS，仅占一个时隙很小的一部分，在该时隙不发送的时间段上，接收其他终端的信号，根据接收信号的情况判断是否有接入冲突，如果发现有接入冲突（即收到了其他终端发送的冲突检测信号）表明发生了接入碰撞，继续接收，寻找其他的空闲时隙。如果没有检测到接入冲突，在下一个10mS继续发接入帧，这个接入帧中的探测信号同样是随机产生。如果检测到有碰撞，继续寻找空闲时隙，重复接入过程。如果连续两次均有碰撞，认为接入失败，随机等待一段时间再进行接入。如果连续两次的接入帧均没有检测到碰撞，则认为可以正常占用该时隙，接入成功。如果一直不能找到空闲的时隙，则认为网络处于满载状态，此事如果是一般的业务，一直接收10mS帧，直到发现空闲帧。如果是高优先级业务，则在同步头上叠加高优先级业务抢占标识，进行高优先级抢占接入。冲突探测信号根据产品的设计要求不同，也可以采用扩频码分的方式发送。

相互间为隐节点的应用场景示意图如图5所示。节点A和节点B由于地形的原因相互之间无法收到对方的信号，此时我们称节点A和节点B为相互之间的隐节点。但节点A和节点B均与节点C有良好的无线信号传输通道，此时如果节点A和节点B分别在相同的时隙上进行接入，此时隙又无其他节点接入，会出现节点A和节点B均能正常接入，但实际上两个节点分别发送的信号会在节点C处发生碰撞，造成节点C不能正确接收和转发信息。节点C在收到节点A和节点B分别在同一时隙发送的接入帧后，应该可以收到两个探测信号，此时节点C可以根据用户标识的优先级排序，指示低优先级的用户重新接入。操作的方法是，节点C在A、B两个节点同时选中的时隙的下一帧，在要避让的终端发送探测信号的位置，发送避让指示信号，避让指示信号为将用户标识中的最高为置1的探测信号。优先级低的节点，在做冲突检测时会收到节点C发送的避让指示信号，此时低优先级用户重新选择空闲时隙进行接入，高优先级用户则正常接入。若相互间隐节点的数量大于两个，按同样的处理方法。

四、网络路由设计思路

网络路由的核心是要建立和动态维持一个类似MAC表的动态路由表，动态路由表可在网络轻载的状态下，进行相互之间的传递更新，用以使单点上的动态路由表尽可能的完善成能反映全网状态的动态路由表。更新的频度可视使用环境设定。

动态路由表包含节点的物理标识号，对最大120个节点的网络，可以采用1个字节（8位）来标识，这个标识是网络中物理节点的唯一标识号。其中8～127这120个用户标识给使用用户，0～7这8个标识为系统特殊标识，代表不同的集群组。用户标识按从小到大的顺序排优先级，00H表示最高优先级集群组，08H表示最高优先级用户。

路由表根据GPS/BD测量的每一个终端的经纬度位置，计算相互之间的距离，可以根据接收同步头信号的强度，计算相互之间的链路预算，有了相互之间的位置，特别是相互之间的链路预算，物理路由的算法就有了基础。对没有相互之间位置和链路预算数据的节点，只能采用最简单和稳健的泛洪算法，即将收到的信号广播发送。

路由表为128×128的矩阵，矩阵中每一个元素用来描述链路状态，该状态通过接收同步信号的功率来判定，采用4字节描述。其中高两位：00代表没有测量值，01表示链路状态差，10表示链路状态良好，11表示链路状态优秀；低两位暂时为保留位。对角线上元素描述本节点的状态，包括：忙闲状态、路由表动态更新记录。其中的忙闲可以从每个节点缓存的情况来反映。实时集群业务为高优先级业务，系统设计具有支持8组并发的能力，每个节点在不传输其他存储转发业务的情况下（或暂停发送存储转发类业务），可以保证集群业务通畅。

自组网的业务帧格式如图6所示，由帧头和载荷两部分构成。帧头包括：7bit的源用户标识，7bit的目标用户标识，2bit的业务类型和3bit的传输帧号记录。2bit的业务标识分别为：00代表集群业务，01代表单呼业务，10代表视频业务，11代表数据业务。在集群业务中，目标用户标识中0～7代表8个不同的集群组。3bit的帧号有两个作用，其一是消除网络上可能出现的洪泛。当接收节点多次收到同一个转发的传输帧，即具有相同的原用户标识、相同的目标用户标识，则表明在最大8跳的传输时间（80mS）内有重复包，将接收到的重复包丢弃。其二是实现目标节点的业务包排序。在自组织网中，存在不同的业务包走不同传输路径的状况，导致目标节点接收数据包乱序，设置3bit的帧计数，相当于做了一个Buffer，可以利用这个Buffer调整接收数据包的顺序。

集群业务的路由采用简单的泛洪方法，即终端收到后，根据集群组标识，属于自己的组业务，将语音包取下来，转交给本地的声码器还原声音。不属于自己组的集群包，转发。设计支持8个语音业务并发，能够满足所有组同时工作。

当多个用户从相互之间无直接无线通路的网络中独立发起PTT抢占时（几乎同时），各接收节点会收到多个发自不同源地址的同组集群业务包，各节点按最高优先级将业务取出并还原成声音。对正在进行PTT抢占的用户，在抢占的同时，也能收到其他用户发来的同组PTT业务包，按收到源节点节点标识号与本节进行比较，如果收到低于本节点的同组信息，继续进行PTT发话业务。如果收到高于本节点的同组集群业务，则采用声音或震动或文字的方式提醒有本组高优先级的用户业务接入，此时操作者应该松开PTT键，推出PTT发话状态，进入听讲状态。

当节点收到有高优先级组时，同样应该采用有提示或无提示的方式，直接进入高优先级组的听讲状态。

数据业务的路由采用本地节点辅助的路由方式。根据终端收到的数据包中的目的地址，判断是否为送达本节点的数据，如果是，就将数据包取下来，不再转发。如果不是，将根据本节点的路由表决定是否要转发。从本节点的路由表中可以查到是否与目标节点有可以到达的链路，如果有，则代为转发。如果没有，则可以根据本节点的忙闲状态，决定是否以泛洪的方式发，闲则发，忙则不发。本节点的忙闲状态可以根据本节点代发数据队列的情况定。空为闲，有排队为忙。

对点对点语音业务和视频业务，可以采用以上的路由方式，也可以采用按需路由，按需路由协议示意图如图7所示。对点对点语音业务和视频业务在业务发起前有一个拨号的过程，利用拨号的过程采用泛洪的方式向目标节点发送路由请求消息。目标节点在收到路由请求消息后，根据路由请求消息中记录的路由情况，在多条路由中选择最佳的路由。选定的最佳路由消息再由目标节点返回原节点，之后的业务包按此路由传递。

路由算法是当前节点参与的算法。用户的状态、业务优先级、业务类型等当前节点都已知，且这些信息在网络使用中一般不发生变化，或变化的频率频度很低，最大限度的利用这些信息并结合当前节点的动态路由表，就能优化路由。

终端数据业务对外接口采用标准的以太网口和以太网协议，在终端内实现IP协议的代理。

本发明提出的系统和方法在物理层进行了特殊的设计，尤其是充分利用同步头信号同步、时隙标识、两点之间无线链路预算测量、全网广播消息发送、终端唤醒、节电、业务分担这六个主要功能。当然，还可以同步头调整接收机增益、实现完成接收机频偏校准，实现接收机的相干解调等。同步头采用长序列扩频码，其链路预算远高于业务传输信道，因此能够较为简洁的解决自组织网中隐终端的问题。

物理层的特殊设计使系统在工作的过程中可以方便的获取包含节点间链路质量的路由表，配合周期的路由表广播消息，与其他系统设计相比，借助物理层同步头的特定设计，可以以非常低的网络代价，获得全网的网络路由表，从而解决自组织网中随网络规模增加，效率急剧下降的问题。

在初步建立网络路由表的基础上，系统可以有效解决集群和数据组播业务在使用泛洪算法时洪泛的问题，从而使系统在较大网络规模的情况下仍然可以很好的支持实时业务。对点对点业务，由于存在一个路由表，可以利用已有的研究成果，有效优化网络的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种终端自组网的路由方法，其特征在于，包括：

a.终端维护本地动态路由表，所述本地动态路由表在网络轻载的状态下，在各终端间相互传递更新；所述本地动态路由表包含全网用户标识和对应的链路传输质量信息；

b.系统业务采用泛洪路由方式、本地节点辅助路由方式、按需路由方式或其任意组合；

c.终端根据业务类型和本地动态路由表选择路由方式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述本地动态路由表包含用户标识和链路传输质量信息，所述链路传输质量通过接收到的同步信号的功率判定。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述本地动态路由表以路由表矩阵进行描述，矩阵中各元素描述链路传输质量；对角线元素描述本节点状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述链路传输质量包括没有测量值、差、良好和优秀；本节点的状态包括忙闲状态和路由表动态更新记录。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于c，所述选择包括：

集群业务的路由采用泛洪路由方式：终端收到业务包后，根据集群组标识判断，若为属于本终端的组业务，则将语音包取下转交给本地声码器还原声音，否则转发。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于c，所述选择包括：

数据业务的路由采用本地节点辅助的路由方式：根据业务数据包中的目的地址，若为本终端的数据，则将数据包取下来，不再转发；否则根据本地动态路由表决定是否要转发。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据本地动态路由表决定是否要转发具体包括：在本地动态路由表中查询与目标节点间是否存在可达链路，若存在则转发；否则根据本地忙闲状态决定是否以泛洪方式转发。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述本地忙闲状态根据本节点代发数据队列的情况确定：空为闲，有排队为忙。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于c，所述选择包括：

点对点语音业务和视频业务采用按需路由的方式：源节点利用拨号过程采用泛洪方式向目标节点发送路由请求消息，目标节点在收到路由请求消息后，根据其中记录的路由信息选择最佳路由，并反馈给原节点，原节点按此路由传递业务包。