CN106535207B - 一种小型化多业务无线移动自组网网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型化多业务无线移动自组网网络系统，其中，物理层包括DSSS模块和OFDM模块，OFDM模块提供OFDM协议来传输速率要求较高的业务数据信息，DSSS模块提供DSSS协议来传输各节点的网络维护和控制信息、以及速率要求较低的业务数据信息；链路层采用TDMA方式将时间分割成周期性的帧，再将帧分割成DSSS固定时隙部分、DSSS动态时隙部分和OFDM动态时隙部分；网络层提供多径路由协议传输所有信息，并采用主动路由方式维护一跳邻居节点，采用按需路由方式维护一跳以上的邻居节点。本发明的无线移动自组网网络系统能够同时满足小型化传输需求与多业务传输需求。

Description

一种小型化多业务无线移动自组网网络系统

技术领域

本发明涉及无线通信传输相关领域，尤其涉及一种小型化多业务无线移动自组网网络系统。

背景技术

在基础移动网络没有覆盖或者受到干扰的情况下，比如自然灾害或其它各种原因导致网络基础设施出现故障而无法使用时，快速恢复通信是非常重要的。另外，在应急反恐指挥应用中，反恐人员组成行动分队，队员之间需要相互协同配合，共享现场态势信息才能够顺利执行应急任务。对此，借助移动自组网络技术，能够快速建立临时网络，延伸网络基础设施，从而减少营救时间和灾难带来的危害。可见，无线移动自组织网络多数应用于特殊应急场景中，对于网络的可靠性，健壮性提出了很高的要求。

目前虽然无线移动自组织网络为较热门研究课题，但面对小型化多业务传输需求还存在主要矛盾有待解决，具体来说，移动自组织网络中网络的拓扑结构由网络中的各节点协同和自治，拓扑结构变化范围大，通信的链路时刻存在变化，小型化传输要求网络实现的复杂度低，运行开销较小，而多业务传输要求带宽随着业务数据的不同而不同，并且保持路由和链路的可靠传输。现有的无线移动自组网系统通常采用单一的DSSS或OFDM制式传输数据，不能满足多业务的传输要求，而且，一般为了保证网络移动性和拓扑结构变化较大的应用场景，单节点需要采用主动路由方式维护全网节点的路由，这样对于网络的控制开销很大，复杂度提高，不满足小型化传输要求。虽然已存在控制开销小的按需路由方式，但该方式再搜索效率较低，不满足网络移动性特点。

发明内容

本发明的目的是从解决上述矛盾出发，提供一种同时满足小型化传输需求与多业务传输需求的小型化多业务无线移动自组网网络系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种小型化多业务无线移动自组网网络系统，包括多个形成网络拓扑的节点，提供物理层、链路层和网络层三层网络架构，其中，

所述物理层包括DSSS模块和OFDM模块，所述OFDM模块设置为提供OFDM协议来传输速率要求高于一预定速率的业务数据信息，所述DSSS模块设置为提供DSSS协议来传输各节点的网络维护和控制信息、以及速率要求不高于所述预定速率的业务数据信息；

所述链路层设置为采用TDMA方式将时间分割成周期性的帧，再将帧分割成DSSS固定时隙部分、DSSS动态时隙部分和OFDM动态时隙部分，所述DSSS固定时隙部分设置为提供多个用于传输各节点的网络维护和控制信息的DSSS固定时隙，所述OFDM动态时隙部分设置为提供多个用于传输速率要求高于所述预定速率的业务数据信息的OFDM动态时隙，所述DSSS动态时隙部分设置为提供多个用于传输速率要求不高于所述预定速率的业务数据信息的DSSS动态时隙；

所述网络层设置为提供多径路由协议传输所有信息，并采用主动路由方式维护一跳邻居节点，采用按需路由方式维护一跳以上的邻居节点。

进一步地，各节点通过WIFI接口、USB接口以及由USB接口虚拟而成的有线网卡接口接入外围的用户终端设备。

优选地，根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，所述多个节点为对等节点。

优选地，根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，各节点与用户终端设备之间采用IP方式传输数据。

优选地，根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，各节点工作在相同频点上。

优选地，根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，所述节点的数量为3～12个。

通过采用上述技术方案，本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

本发明同时提供DSSS和OFDM两种通信制式来传输信息，由于DSSS制式具有较好的抗干扰特性，在无线干扰较大的情况下，能够保证通信的可靠性，可用来传输网络控制和维护信息，维护网络运行，还可以传输一些速率要求低的业务数据；而OFDM制式具有较好的带宽利用率，可用于传输高速率的业务数据，因此可满足多业务传输要求。同时，本发明采用主动路由方式维护一跳邻居节点，采用按需路由方式维护一跳以上的邻居节点，既降低了复杂度，又能满足移动性特点。

附图说明

图1为本发明小型化多业务无线移动自组网网络系统的拓扑示意图；

图2为本发明的网络架构示意图；

图3为本发明链路层的TDMA时隙分配示意图；

图4为本发明的路由流程示意图；

图5为本发明动态申请时隙资源的示意图；

图6为本发明多径路由的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明的小型化多业务无线移动自组网网络系统如图1所示，包括多个形成网络拓扑的节点。网络架构如图2所示，包括物理层、链路层和网络层三层架构，且各节点通过WIFI接口、USB接口以及由USB接口虚拟而成的有线网卡接口接入外围的用户终端设备(包括便携设备和手持设备)，满足小型化网络系统的低功耗要求，同时采用IP方式实现节点与用户终端设备之间的数据传输。

在本发明中，物理层包括DSSS(直接序列扩频，Direct Sequence SpreadSpectrum)模块和OFDM正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)模块，其中，OFDM模块用于提供OFDM协议来传输速率要求较高的业务数据信息(如流媒体数据等)，DSSS模块用于提供DSSS协议来传输各节点的网络维护和控制信息、以及速率要求较低的业务数据信息(如报文、语音数据等)。链路层采用TDMA方式将时间分割成周期性的帧，再将帧分割成DSSS固定时隙部分、DSSS动态时隙部分和OFDM动态时隙部分，其中，DSSS固定时隙部分设置为提供多个用于传输各节点的网络维护和控制信息的DSSS固定时隙，OFDM动态时隙部分设置为提供多个用于传输速率要求较高的业务数据信息的OFDM动态时隙，DSSS动态时隙部分设置为提供多个用于传输速率要求较低的业务数据信息的DSSS动态时隙。网络层设置为提供多径路由协议传输所有信息，并采用主动路由方式维护一跳邻居节点，采用按需路由方式维护一跳以上的邻居节点。

下面对本发明各部分的功能、特点作详细描述：

如图1所示，本发明的网络拓扑采用完全分布式、对等的网状网络架构，全网最少支持3个节点，最多支持12个节点，支持最多11跳路由，以满足小型化设计要求。网络中各节点可实现任意移动，各节点的通信能力和处理能力对等，所有节点在网络控制、路由选择和流量管理上是平等的，它们不仅作为普通节点，同时又作为路由节点，能够以任意方式动态地保持与其他节点的联系，实现发现及维护到其他节点路由的功能，源节点和目的节点之间存在多条路径，可以较好地实现负载均衡和选择最优化路由。

物理层采用双通信混合制式，总带宽为4MHz～8MHz。在本实施例中，DSSS模块的调制样式采用DBPSK方式，码片速率16至128可调，传输速率16kbps～250kbps。OFDM模块的调制方式采用QPSK方式，固定传输速率3.8Mbps。

链路层采用TDMA方式，以秒为周期单位，分为DSSS固定时隙部分、DSSS动态时隙部分和OFDM动态时隙部分。链路层根据上层数据业务需求和周围节点的占用无线资源情况，进行动态分配工作时隙，即，根据无线资源的使用情况，若存在空闲工作时隙，则收发双方可自行占用，采用先到先得的分配原则，使用完成须自行释放。具体动态申请时隙资源如图5所示，网络建立后，监听周围节点的网络控制信息，建立邻居节点在动态时隙的占用情况，若自身有数据发送时，计算发送数据的带宽需求，并查询动态时隙的占用情况，若空闲时隙不够传输业务需要带宽，则通知上层应用，暂时带宽资源不够。若空闲时隙满足业务需求带宽，则在网络控制信息中填入自身需要占用的时隙情况，并发送业务数据。接收端收到其他节点的网络控制信息占用时隙情况，并且相应的业务数据目的地址为本机时，则必须在自身网络控制信息中，填写占用接收时隙的信息，以便防止隐藏终端和暴露终端等干扰问题。

网络层采用IP方式传输，路由维护主动保持一跳邻居节点的路由以外，其他采用被动监听获得路由信息，当路由表内无目的地址的有效路由时，才根据按需路由方式进行维护。每个节点同时维护尽可能多的路由，在当前传输路由失效之前，主动提前寻找新的可替代路由，保持无线数据链路的链接。具体路由流程如图4所示，网络建立后，节点主动监听其他节点的控制信息，若存在其他节点的控制信息，将其保存在邻居节点的一级路由表中。若某一个节点需要发送数据，则首先查找自身一级节点的路由表中，是否存在目的节点，若存在则直接发送。若不存在，则查找多跳的路由表。若存在有效的下一跳路由的目的地址，则直接发送到下一跳地址。若不存在有效的下一跳路由，则广播路由请求。周围节点收到路由请求后，检索自身的一级路由表和多跳路由表。若一级路由表中存在目的地址，则发送路由应答信息。若多跳路由表中有目的地址的有效路由，则发送路由应答信息，并记录到自身路由表中。发送路由请求的节点，收到其他节点的路由应答，则根据应答信息的链路质量和跳数综合参数，选择一条适当的路由，并添加到自身的路由表中，发送至下一跳路由。另外周围其他无关节点，监听到这次的路由请求和应答内容，将此条路由综合考虑，也添加至自身的多跳路由表中。

在组网过程中，所有节点工作在同一个频点上，并采用TDMA方式接入到网络中，每个节点可通过GPS秒脉冲保持时间同步(当节点没有GPS信号时，通过DSSS制式的伪随机码片进行同步)。各节点保持同步后，均拥有独立的DSSS固定时隙传输网络控制和维护信息，并定时广播自身身份信息和占用动态时隙的状态信息、以及路由请求和应答等网络信息，同时监听其它节点的网络控制信息，并根据这些信息在其DSSS固定时隙中及时更新自身的路由表项，邻居列表，全网动态时隙的使用情况等组网信息。

在组网维护时，采用主动路由方式维护一跳邻居节点的路由信息，采用按需路由方式维护一跳以上的邻居节点的路由信息。具体来说，每个节点均只维护自身直达范围内的邻居节点的路由信息。当数据发送的目的地址不在路由表中，则广播路由请求，周围收到此广播路由请求的节点查询自身路由表中是否存在活动路由，若存在则在自身DSSS固定时隙中广播存在可用路由信息，若不存在则中转此路由请求。当节点收到对端可用目的路由信息后，更新自身路由表，并将数据发送到下一跳路由节点。在此过程中，路由请求包必须设置生存周期，以防止发生路由泛洪广播。节点若收到多条路由应答，并且路由地址不同，则均保存在路由表中，并从中选取一条最优化的路由(最优化路由选取时基于最短路径和节点消耗最小的原则)，若此路由不可靠时，自行切换至其他路由表中存在的路由。每条路由均存在有限生存时间，超过生存时间的路由项均被标记为失效状态。

在传输业务数据时，根据不同业务数据所需要的带宽，自行完成频率资源的申请和释放。发送节点根据监听到的周围节点的全网动态时隙的使用情况，从空闲时隙中选取一块时隙，并且广播占用时隙的情况，接收节点收到广播占用时隙情况，若判断出对端发送的数据是传输给自身的，那么同时在自身DSSS固定时隙中广播占用的时隙。这样发送和接收以成对方式出现，可防止周围其他节点干扰，也有效防止“隐藏终端”等无线通信常见问题。一旦业务数据不在传输时，则释放占用的时隙。

此外，如前所述，网络维护和控制信息以及速率要求较低的业务数据信息采用DSSS调制方式，而速率要求较高的业务数据信息采用OFDM调制方式进行传输。由于DSSS和OFDM调制方式存在差别，在接收灵敏度方面也存在差别，具体来说，DSSS制式存在扩频因子提供的扩频增益，而OFDM制式则没有扩频因子带来扩频增益。故在相同发射功率条件下，OFDM模块的接收灵敏度低于DSSS模块，那么容易存在一个工程问题，即，DSSS模块和OFDM模块传输距离不对等。这可能导致在DSSS制式下能够有接收而在OFDM制式下接收不到的情况。此时，DSSS固定时隙需降低PN码长度并主动降低发射功率，使得DSSS模块的接信号强度减去其扩频增益后，基本等于或者低于OFDM模块的接收信号强度，从而使DSSS模块和OFDM模块的接收能力平衡。为了充分考虑抗干扰特性，在无线环境极端恶劣的条件下，通过调整DSSS的扩频因子提高扩频其增益并放弃通过OFDM制式传输数据，确保低码率的话音数据或者报文数据能够有效传输，尽可能保证节点间的通信。

在本发明中，物理层协议格式如下：

DSSS协议的帧格式如表1：

表1

DSSS帧最小9字节，最长为252字节，其中，

PHY Length为整帧长度PHY Length*9，包括帧头1字节；

Need CRC标志位用于标识当前帧是否包含CRC校验信息，便于接收节点的基带进行相应的校验处理，校验出错的帧不上传给链路层；

PNMode：00表示PN16，01表示PN32，10表示PN64，11表示PN128。

OFDM协议的帧格式如表2：

表2

Octets：1	variable
		0x00	Payload
PHR	PHY Payload

OFDM固定帧长2688字节。

链路层和网络层协议格式如下：

DSSS固定时隙帧格式如表3：

表3

Type：网络控制帧类型固定为0xA；

Group：作为网络组号；

Sender ID：作为发送方的ID号；

Slots No.：作为发送方选用的固定时隙号；

Sequence：作为发送方的序号，每发送一次，累加1；

Acknowledge Info：确认信息域；

Route Info：路由信息域；

Access Info：接入信息域；

本发明实现的多径路由如图6所示，图中的连线代表两节点之间有直接的无线链路，如果节点A向节点H发送报文，则可能的路径会有9种：A-B-E-H，A-B-F-H，A-B-G-H，A-C-E-H，A-C-F-H，A-C-G-H，A-D-E-H，A-D-F-H，A-D-G-H。如果B、C和E、F四个节点同时移动位置或者出现意外断电，A和H之间仍然有稳定的路由A-D-G-H，而不需要进行路由重建。并且可以在A和H按照路由A-D-G-H进行数据传输的同时寻找A-H的其它新的可能路由，使得当A-D-G-H这条链路失效后A-H之间仍然可达路由，这样一来A和H之间的传输就会是连续和可靠的。

另外，对于多径路由协议，可以在多条路径之间动态选择，多条路径并行发送报文，使网络的吞吐量最大化。如果A-H的某条链路或者某个节点发生拥塞，则会旁路发生拥塞的路由，将链路拥塞带来的问题降到最低。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种小型化多业务无线移动自组网网络系统，包括多个形成网络拓扑的节点，提供物理层、链路层和网络层三层网络架构，其特征在于，

所述物理层采用双通信混合制式，其包括DSSS模块和OFDM模块，所述OFDM模块设置为提供OFDM协议来传输速率要求高于一预定速率的业务数据信息，所述DSSS模块设置为提供DSSS协议来传输各节点的网络维护和控制信息、以及速率要求不高于所述预定速率的业务数据信息；

所述链路层设置为采用TDMA方式将时间分割成周期性的帧，再将帧分割成DSSS固定时隙部分、DSSS动态时隙部分和OFDM动态时隙部分，所述DSSS固定时隙部分设置为提供多个用于传输各节点的网络维护和控制信息的DSSS固定时隙，所述OFDM动态时隙部分设置为提供多个用于传输速率要求高于所述预定速率的业务数据信息的OFDM动态时隙，所述DSSS动态时隙部分设置为提供多个用于传输速率要求不高于所述预定速率的业务数据信息的DSSS动态时隙；

所述网络层设置为提供多径路由协议传输所有信息，并采用主动路由方式维护一跳邻居节点，采用按需路由方式维护一跳以上的邻居节点。

2.根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，各节点通过WIFI接口、USB接口以及由USB接口虚拟而成的有线网卡接口接入外围的用户终端设备。

3.根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，所述多个节点为对等节点。

4.根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，各节点与用户终端设备之间采用IP方式传输数据。

5.根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，各节点工作在相同频点上。

6.根据权利要求1所述的小型化多业务无线移动自组网网络系统，其特征在于，所述节点的数量为3～12个。