CN104219727A - 多出口异构无线网络及路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多出口异构无线网络及路由方法，主要解决现有技术的构建网络困难、数据交换受限及费用高的问题。该网络包括无线蜂窝网和无线自组网两部分，网络中包括至少一个网关节点和一个普通节点，且普通节点与网关节点可以相互转化，普通节点只具备内网通信端口，终端节点通过内网通信端口，能在不借助第三方基础设施的条件下完成通信，普通节点的内网通信端口直接或者通过其他其节点的内网通信端口的转发与至少一个网关节点的内网通信端口通信，网关节点同时具备内网通信端口和外网通信端口，内网通信端口与外网通信端口可直接通信。本发明可灵活构建网络、上网快且无需额外费用，能满足用户随时随地快速上网、交换大量数据的需求。

Description

多出口异构无线网络及路由方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多出口异构无线网络及路由方法，可满足多个用户交换大量数据及用户随时随地高速上网。 

背景技术

随着智能终端的大量普及，随时随地快速访问网络以及分享、交换大量数据成为用户的迫切需求。 

目前，能够支持用户访问网络和交换数据的网络架构主要有：蜂窝网络、无线局域网WLAN以及无线网状网Mesh。 

蜂窝网络覆盖范围较为广泛，而且最新的高速率蜂窝网络，例如第四代移动通信技术4G，已经实现了商用，但是相当一部分用户还停留在低速率的蜂窝通信制式上，例如2.5G和3G等。此外，蜂窝流量的费用比较昂贵，所以蜂窝网络只适合支持用户访问网络，并不能够有效支持用户分享大量数据，所以蜂窝网络并不能够完全满足用户的上述需求。 

WLAN和无线Mesh网络的结合一般来说能满足用户的上述需求。各个WLAN的中心节点构成无线Mesh网络，使得多个WLAN互相协作，覆盖一定的区域，满足该区域内用户的上述需求，例如上海的无线城市计划。但是这种网络也是有其缺陷的：首先，WLAN的中心节点需要提前规划布设，形成Mesh骨干网络，因此整个网络的覆盖区域是一定的，不能方便移动；其次，这种网络的覆盖范围也是非常有限的，目前来看，主要覆盖一些特殊区域，例如学校的某些建筑、一些大型商场等，户外则少有覆盖。在空旷户外部署和维护WLAN的成本较高，而且由于人流量较低，经济效益很低。因此，在可以预见的时期内，这些区域依然不会有覆盖。最后，对于一个指定区域，如果要实现无缝覆盖，需要部署很多WLAN中心节点。但是一般来说，一个区域里面，一部分WLAN节点很少被用到，这便增加了部署和维护的成本，并造成资源的浪费。 

对于只存在蜂窝网络的环境下，可能会出现一些用户无法访问外部网络的情况，例如， 由于欠费等原因被运营商限制访问外部网络；另外，即使有高速网络被共享时，低速蜂窝制式的用户也只能低速访问外部网络，例如，当4G用户愿意共享网络时，2.5G用户却无法享受到高速上网。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种多出口异构无线网络及路由方法，以满足用户随时随地构建网络、快速上网以及分享、交换大量数据的需求。 

本发明的技术方案是这样实现的: 

一、本发明的多出口异构无线网络，包括无线自组网Ad hoc网和无线蜂窝网，网络中的终端节点通过端口相互通信或者访问外部网络，其特征在于，终端节点至少包含两个，且至少有一个节点是网关节点，其余节点是普通节点，任意两个终端节点相互通信，且任意终端节点与外网通信； 

所述终端节点，是指具备一种通信端口或者同时具备两种通信端口，并且具有路由选择及数据传输功能的终端设备； 

所述网关节点，是指同时具备两种通信端口的终端节点； 

所述普通节点，是指网络中具有一种通信端口的终端节点。 

所述的一种通信端口，是指终端节点只具备内网通信端口，该内网通信端口是指在不借助第三方基础设施条件下，两个终端节点能完成通信的一个或者多个端口。 

所述的两种通信端口，是指终端节点同时具备内网通信端口和外网通信端口，该内网通信端口和外网通信端口均包括一个或者多个端口，这两种通信端口同时工作，且任意一个内网通信端口与任意一个外网通信端口相互通信。 

上述多出口异构无线网络，其特征在于，网络中网关节点与普通节点能相互转化，即在外网通信端口被禁用时，将网关节点转化为普通节点，在具备外网通信端口时，将普通节点转化为网关节点。 

上述多出口异构无线网络，其特征在于，所述的两个终端节点能完成通信的一个或者多个端口，包括IEEE802.11 b通信端口、IEEE802.11 g通信端口、IEEE802.11 n通信端口、IEEE820.11 ac通信端口、蓝牙通信端口和近场通信NFC通信端口，其中b、g、n分别代表IEEE802.11不同版本的标准。 

上述的多出口异构无线网络，其特征在于，所述外网通信端口，是指终端节点通过基 站与外网通信的端口，包括通用分组无线服务GPRS通信端口、码分多址CDMA通信端口、通用移动通信技术的长期演进LTE通信端口。 

上述的多出口异构无线网络，其特征在于，所述任意两个终端节点相互通信，是指网络中任意两个终端节点通过内网通信端口进行通信，包括两个终端节点直接通过内网通信端口进行通信，或者通过一个节点或多个节点的内网通信端口的转发完成通信； 

上述的多出口异构无线网络，其特征在于，所述任意终端节点与外网通信，是指网络中任意终端节点通过网关节点的外网通信端口与外部网络进行通信。 

二.本发明多出口异构无线网络的路由方法，包括如下步骤： 

(1)终端节点通过内网通信端口监听邻居节点广播的路由信息，解析邻居节点的路由信息，更新本节点的路由表； 

(2)终端节点每隔一段时间进行检查，删除过期的路由信息，并通过内网通信端口广播该节点的路由信息； 

(3)终端节点在发送内网数据时，直接查询路由表，找到到达目的节点的下一跳地址，将数据发送至下一跳地址；终端节点在发送外网数据时，查询路由表，计算本节点的内网通信端口到达各网关节点外网通信端口的代价，选择代价最小的网关节点作为出口，再通过内网通信端口将外网数据发送至网关节点； 

(4)终端节点在接收数据时，检查数据包中的目的地址，如果目的地址是节点本身，该节点自行处理数据，否则查询路由表，找到到达目的地址的下一跳地址，将数据发送至下一跳地址； 

(5)终端节点在接收到发送给自己的数据后，根据数据的类型进行处理：如果是多出口异构无线网络内部的数据，则由该终端节点自己对其数据进行存储；如果是与外网通信的数据，则由该终端节点将其数据转发到自己的外网通信端口,由外网通信端口向外网发送； 

(6)网关节点在接收到由外网通信端口返回的外网数据后，检查目的地址，如果目的地址与自己的地址相同，则对其数据进行存储；否则将该数据通过自身的内网通信端口发送到目的地址； 

(7)终端节点在主动离开多出口异构无线网络前，向自己的邻居节点广播离开信息，邻居节点在接收到离开信息后，查看自己的路由表，如果路由表中有离开节点的路由信息，则删除离开节点的路由信息，并广播离开节点的离开信息；如果邻居节点的路由表中没有 离开节点的路由信息，则不作处理。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1、本发明的终端节点具备内网通信端口或同时具备内网通信端口和外网通信端口，内网通信端口不需要依赖第三方基础设施，外网通信端口只需要依赖基站，所以可以随时随地灵活构建网络。 

2、本发明的任意两个终端节点可以相互通信，且任意两个终端节点通过内网通信端口交换数据时，不需要依赖第三方基础设施，所以终端节点在交换数据时不会产生额外费用，且通过内网通信端口终端节点可以快速完成数据的交换。 

3、本发明的任意终端节点能够与外网通信，普通节点可以通过网关节点的外网通信端口实现与外网通信，而其它网络中，不具备外网通信端口的终端节点无法与外网通信。 

附图说明

图1为本发明的多出口异构无线网络结构示意图； 

图2为本发明网络结构中的普通节点结构示意图； 

图3为本发明网络结构中的网关节点结构示意图； 

图4为本发明路由方法的工作流程图。 

具体实施方式

参照图1，本发明的网络结构分为两部分：无线蜂窝网和无线自组网Ad hoc网。无线蜂窝网由现有的蜂窝基站组成。无线自组网Ad hoc网由多个终端节点组成。该网络中包含两种类型的终端节点：普通节点和网关节点。本实例网络包括3个网关节点、2个普通节点，另外还包括3个蜂窝基站，3个网关节点能够与蜂窝基站进行通信。 

如图2所示，普通节点具备内网通信端口，包括一个或者多个内网通信端口。通过内网通信端口，终端节点能够在不借助第三方基础设施的条件下，完成通信。内网通信端口包括但不限于IEEE802.11 b通信端口、IEEE802.11 g通信端口、IEEE802.11 n通信端口、IEEE820.11 ac通信端口、蓝牙通信端口和近场通信NFC通信端口，其中b、g、n分别代表IEEE802.11不同版本的标准。普通节点还包括路由控制单元和数据存储处理单元。路由控制单元由路由表、转发控制单元、路由维护单元组成。路由控制单元完成路由信息的发送和维护，数据存储处理单元在接收到数据后，对数据进行存储处理。 

如图3所示，网关节点同时具备内网通信端口和外网通信端口两种端口，包括一个或者多个内网通信端口和一个或者多个外网通信端口，两种通信端口可以同时工作，且任意一个内网通信端口和任意一个外网通信端口能够相互通信，外网通信端口通过蜂窝基站与外部网络进行通信。外网通信端口包括但不限于：通用分组无线服务GPRS通信端口、码分多址CDMA通信端口、通用移动通信技术的长期演进LTE通信端口。网关节点还包括路由控制单元和数据存储/处理单元。路由控制单元由路由表、转发控制单元、路由维护单元组成。路由控制单元完成路由信息的发送和维护，数据存储处理单元在接收到数据后，对数据进行存储处理。 

网络中网关节点与普通节点能进行相互转化，即在外网通信端口被禁用时，将网关节点转化为普通节点，在具备外网通信端口时，将普通节点转化为网关节点。 

网络中两个终端节点可以直接通过内网通信端口进行通信，或者通过一个节点或多个节点的内网通信端口的转发完成通信。网络中任意终端节点可以通过网关节点的外网通信端口与外部网络进行通信。 

在本实例中，终端节点的内网通信端口选择IEEE802.11通信端口，外网通信端口选取码分多址CDMA通信端口。普通节点具备IEEE802.11通信端口，网关节点同时具备IEEE802.11通信端口和码分多址CDMA通信端口。当码分多址CDMA通信端口被禁用后，网关节点转化为普通节点，当具备码分多址CDMA通信端口后，普通节点转化为网关节点。 

参照图4，本发明的多出口异构无线网络路由方法，其实现步骤如下： 

步骤1：构建路由表 

1a)每个终端节点向自己的邻居节点广播自己的路由信息，该路由信息包括：目的地址、下一跳地址、网关节点标识、外网通信端口速率、外网通信端口费用、跳数、目的节点业务负载和路由条目序列号； 

1b)终端节点通过内网通信端口监听自己邻居节点广播的路由信息，解析收到的路由信息，将路由信息添加到本节点的路由表中，完成路由表构建。 

步骤2：更新路由表 

终端节点解析收到的路由信息，选择路由信息中路由条目序列号比本节点路由表中的路由条目序列号大，且跳数比本节点路由表中的跳数小的路由信息，更新本节点的路由表；同时终端节点检查本节点的路由信息，删除过期的路由信息，并通过内网通信端口广播本 节点的路由信息。 

步骤3：收发内网数据 

3a)终端节点在发送内网数据时，直接查询更新后的路由表，找到到达目的节点的下一跳地址，通过内网通信端口将数据发送至下一跳地址； 

3b)终端节点在接收内网数据时，检查数据包中的目的地址，如果目的地址与本节点的地址相同，则该节点自行将其数据存储处理，如果目的地址与本节点的地址不相同，则查询路由表，找到到达目的地址的下一跳地址，通过内网通信端口将数据发送至下一跳地址。 

步骤4：收发外网数据 

4a)终端节点在发送外网数据时，查询路由表，计算本节点的内网通信端口到达各网关节点外网通信端口的代价： 

Y＝w₁x₁+w₂x₂+w₃x₃+w₄x₄， 

其中Y表示代价，w₁为给定的外网通信端口速率的权值，w₂为给定外网通信端口费用的权值，w₃为给定跳数的权值，w₄为给定目的节点业务负载的权值，且满足w₁+w₂+w₃+w₄＝1，在本发明中，w₁、w₂、w₃、w₄均取0.25作为权值；x₁为本节点路由表中对外网通信端口速率归一化后的数值，x₂为本节点路由表中对外网通信端口费用归一化后的数值，x₃为本节点路由表中对跳数归一化后的数值，x₄为本节点路由表中对目的节点业务负载归一化后的数值。 

所述代价的计算还可以通过下面公式计算： $Y={x_1}^{w_1}{x_2}^{w_2}{x_3}^{w_3}{x_4}^{w_4};$

4b)终端节点选择代价最小的网关节点作为目的地址，通过内网通信端口将外网数据发送至网关节点，由网关节点的外网通信端口将数据发送到外网； 

4c)终端节点在接收外网数据时，检查数据包中的目的地址，如果目的地址与自己的地址相同，则由本节点对其数据进行存储处理；如果目的地址与自己的地址不相同，则通过本节点的内网通信端口，以发送内网数据的方式将其数据发送到目的地址。 

步骤5：终端节点离开网络 

5a)终端节点在主动离开多出口异构无线网络前，向自己的邻居节点广播离开信息， 邻居节点在接收到离开信息后，查看自己的路由表，如果路由表中有离开节点的路由信息，则删除离开节点的路由信息，并广播离开节点的离开信息；如果邻居节点的路由表中没有离开节点的路由信息，则不作处理。 

5b)终端节点被动离开网络，经过一段时间后，包含该节点的路由信息视为过期，其它节点则从自己的路由表中将包含该节点的路由信息删除。 

由上述步骤可以看出，该路由是整个多出口异构无线网络通信的基础。其中步骤1、步骤2负责路由表的构建和维护，步骤3、步骤4负责数据的收发和解析，用于支持上层通信。步骤5是节点主动离开网络时所需的操作，如果节点被动离开网络，在经过一定的时间后，该节点的路由信息也会被其他节点删除。 

综上所述，本发明实施例可以充分利用设备的两种通信端口，构建多出口异构无线网络。该网络既能够满足用户随时随地快速访问网络的需求，又能够在不需要额外费用的情况下满足用户分享交换大量数据的需求，并且该网络不需要借助除基站之外的其他固定基础设施，可以随时移动、组建和扩展。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (9)

1.一种多出口异构无线网络，包括无线自组网Ad hoc网和无线蜂窝网，网络中的终端节点通过端口相互通信或者访问外部网络，其特征在于，终端节点至少包含两个，且至少有一个节点是网关节点，其余节点是普通节点，任意两个终端节点相互通信，且任意终端节点与外网通信；

所述终端节点，是指具备一种通信端口或者同时具备两种通信端口，并且具有路由选择及数据传输功能的终端设备；

所述网关节点，是指同时具备两种通信端口的终端节点；

所述普通节点，是指网络中具有一种通信端口的终端节点；

所述的两种通信端口，是指终端节点同时具备内网通信端口和外网通信端口，该内网通信端口和外网通信端口均包括一个或者多个端口，这两种通信端口同时工作，且任意一个内网通信端口与任意一个外网通信端口相互通信；

所述的一种通信端口，是指终端节点只具备内网通信端口，该内网通信端口是指在不借助第三方基础设施条件下，两个终端节点能完成通信的一个或者多个端口。

2.根据权利要求1所述多出口异构无线网络，其特征在于，网络中网关节点与普通节点能相互转化，即在外网通信端口被禁用时，将网关节点转化为普通节点，在具备外网通信端口时，将普通节点转化为网关节点。

3.根据权利要求1所述多出口异构无线网络，其特征在于，所述的两个终端节点能完成通信的一个或者多个端口，包括IEEE802.11 b通信端口、IEEE802.11 g通信端口、IEEE802.11 n通信端口、IEEE820.11 ac通信端口、蓝牙通信端口和近场通信NFC通信端口，其中b、g、n分别代表IEEE802.11不同版本的标准。

4.根据权利要求1所述的多出口异构无线网络，其特征在于，所述外网通信端口，是指终端节点通过基站与外网通信的端口，包括通用分组无线服务GPRS通信端口、码分多址CDMA通信端口、通用移动通信技术的长期演进LTE通信端口。

5.根据权利要求1所述的多出口异构无线网络，其特征在于，所述任意两个终端节点相互通信，是指网络中任意两个终端节点通过内网通信端口进行通信，包括两个终端节点直接通过内网通信端口进行通信，或者通过一个节点或多个节点的内网通信端口的转发完成通信。

6.根据权利要求1所述的多出口异构无线网络，其特征在于，所述任意终端节点与外网通信，是指网络中任意终端节点通过网关节点的外网通信端口与外部网络进行通信。

7.一种多出口异构无线网络路由方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)终端节点通过内网通信端口监听邻居节点广播的路由信息，解析邻居节点的路由信息，更新本节点的路由表；

(2)终端节点每隔一段时间进行检查，删除过期的路由信息，并通过内网通信端口广播该节点的路由信息；

(3)终端节点在发送内网数据时，直接查询路由表，找到到达目的节点的下一跳地址，将数据发送至下一跳地址；终端节点在发送外网数据时，查询路由表，计算本节点的内网通信端口到达各网关节点外网通信端口的代价，选择代价最小的网关节点作为出口，再通过内网通信端口将外网数据发送至网关节点；

(4)终端节点在接收数据时，检查数据包中的目的地址，如果目的地址是节点本身，该节点自行处理数据，否则查询路由表，找到到达目的地址的下一跳地址，将数据发送至下一跳地址；

(5)终端节点在接收到发送给自己的数据后，根据数据的类型进行处理：如果是多出口异构无线网络内部的数据，则由该终端节点自己对其数据进行存储；如果是与外网通信的数据，则由该终端节点将其数据转发到自己的外网通信端口,由外网通信端口向外网发送；

(6)网关节点在接收到由外网通信端口返回的外网数据后，检查目的地址，如果目的地址与自己的地址相同，则对其数据进行存储；否则将该数据通过自身的内网通信端口发送到目的地址；

(7)终端节点在主动离开多出口异构无线网络前，向自己的邻居节点广播离开信息，邻居节点在接收到离开信息后，查看自己的路由表，如果路由表中有离开节点的路由信息，则删除离开节点的路由信息，并广播离开节点的离开信息；如果邻居节点的路由表中没有离开节点的路由信息，则不作处理。

8.根据权利要求7所述的路由方法，其中所述步骤(1)中广播的路由信息，是指终端节点的路由条目，该路由条目包括：目的地址、下一跳地址、网关节点标识、外网通信端口速率、外网通信端口费用、跳数、目的节点业务负载和路由条目序列号。

9.根据权利要求7所述的路由方法，其中步骤(3)所述的计算本节点的内网通信端口到达各网关节点外网通信端口的代价，通过如下公式计算：

Y＝w₁x₁+w₂x₂+w₃x₃+w₄x₄

其中Y表示代价，w₁为给定的外网通信端口速率的权值，w₂为给定外网通信端口费用的权值，w₃为给定跳数的权值，w₄为给定目的节点业务负载的权值，且满足w₁+w₂+w₃+w₄＝1；x₁为本节点路由表中对外网通信端口速率归一化后的数值，x₂为本节点路由表中对外网通信端口费用归一化后的数值，x₃为本节点路由表中对跳数归一化后的数值，x₄为本节点路由表中对目的节点业务负载归一化后的数值。