CN112423311A - 一种简易无线自组网方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简易无线自组网方案，属无线通信技术领域。Wifi AC模块和回传控制模块的wifi AC实现对本节点下的wifi AP的控制，遵循802.11协议族，实现自定义测量消息传输接口；Wifi AP模块组成本地自组网条件下，wifi AC模块只与其中信号最好的Wifi AP通信，其他Wifi AP通过自组网模式互联；信道规划模块通过信道交替转发避免前后级间干扰和传输带宽损失；网络规划模块根据信道规划模块信息限制每个WIFI AC模块下管理的WIFI AP节点的数量，减少mesh多跳距离，实现用户带宽保障。适合隧道环境使用，有效带宽利用率高，高效传输数据，人员设备灵活接入，成本低。

Description

一种简易无线自组网方案

技术领域

本发明涉及一种简易无线自组网方案，属无线通信技术领域。

背景技术

现有的无线自组网系统方案针对的是无规则、移动条件下的任意组网场景，例如在野战环境中，单兵和战车都无法预测其运动方向和规律，这样，自组网系统方案就需要考虑移动场景、远近效应，网络拓扑的随时变化，因此现有自组网系统方案中必须设计复杂的路由算法和同步算法以保证自组网系统内节点不产生冲突、网内不形成自环造成拥塞，导致现有自组网系统的成本和开销非常大，且在多跳之后，现有自组网系统的有效带宽利用率会下降至少25%，而其设备成本又是普通wifi设备成本的数十倍之多。尽管现有自组网系统方案十分灵活，但在很多特殊应用场景下，却并不需要无限灵活的组网，像隧道掘进场景，狭窄、绵延数公里，盾构机上配有光纤，在狭长的隧道中仅能实现端到端的通信需求，对于隧道内大量安装的安全监控传感器和摄像头，及隧道内众多工作人员的情况则无法有效掌握，所以自组网系统如何对隧道掘进施工场景实现全无线覆盖是关键。因此，研发一种适配隧道类施工环境使用，支持对隧道内人员设备的灵活接入，极大提高有效带宽利用率，自组网系统数据传输效率高，成本低廉的简易无线自组网方案是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种针对隧道掘进过程设计研发，基于现有自组网系统搭建，特别适合隧道类掘进施工环境使用，极大提高有效带宽利用率，保证高效率传输大量数据，支持隧道内人员设备灵活接入，有效降低成本，操作简单，工作稳定可靠的简易无线自组网方案；以解决现有技术价格昂贵，无法适配隧道狭长应用场景，有效带宽利用率低，难以保证隧道内大量数据高效率传输，造成自组网系统设备浪费，隧道掘进成本高的问题。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：

一种简易无线自组网方案，基于现有自组网系统搭建，包括Wifi AC模块和回传控制模块、Wifi AP模块、信道规划模块和网络规划模块；其特征在于： Wifi AC模块和回传控制模块包含本节点的WIFI AP控制和回传控制,其中wifi AC负责实现对本节点下的wifi AP的控制，除遵循802.11协议族外，实现自定义测量消息传输接口，数据结构包括频率8bits、干扰节点8bits、测量节点8bits、信噪比32bits；测量消息分为回传层测量和本地测量两类，回传层测量由回传控制模块执行，周期性对当前信道情况进行估计，测量周期配置含1s，10s可配置，测量结果代表当前信道估计的结果；回传控制模块按照同样周期，将测量结果上报信道规划模块，进行回传层的信道规划，保障回传链路不出现降速现象；

Wifi AP模块根据现有自组网协议组成mesh自组网，遵循802.11协议族，除wifi协议规定的wifi AC的控制外，自定义测量和网络规划过程，接受wifi AC的控制，包括频率和网络控制；鉴于网络中存在多个wifi AP，在现有wifi协议中，wifi AC根据事先配置与相应wifiAP通信；增加自组网模式，简化网络路由，即在wifi AP组成本地自组网的条件下，wifi AC模块只与其中信号最好的Wifi AP进行通信，其他Wifi AP通过自组网模式互联，遵循802.11s协议；

信道规划模块，根据回传控制模块上报的测量结果，调整信道规划，信道规划模块在监控回传层的信道状况的同时，也在监控其他信道情况，信道规划模块根据WIFI AP信道的占用情况进行规划，使WIFI AC调度本节点下的WIFI AP，实现网络的最优部署；

信道规划模块测量接收信号质量和通过调整信道规划实现回传链路不降速，即通过信道交替转发避免前后级之间的干扰和传输带宽的损失；隧道特定场景布网，前后节点间使用F0和F1两个频点交替转发，每个节点只需考虑前后两级的同频信号干扰，且信号为同步信号，功率控制过程在节点入网时展开，确定每个节点在入网后的功率大小和干扰水平；

入网过程增加自动组网和信道规划功能；网络规划模块根据信道规划模块的信息，调整网络拓扑，包括限制每个WIFI AC模块下所管理的WIFI AP 节点的数量，保证无线mesh自组网规模不会过大，减少mesh 多跳距离，实现用户终端侧的带宽保障；

A）节点入网时，首先探测现有信号，根据现有网络信道，选择接入某个节点的覆盖，此处遵循802.11协议；

B）计算信道质量，例如SNR等，接收系统广播消息，包括父节点的信道规划和网络规划配置，由本节点信道规划模块来选择本节点的信道；在隧道掘进场景下，一般一个节点只有一个父节点；信道质量计算方式参见信道规划模块描述。在当前wifi协议基础上，在数据面层增加广播消息定义包括：一字节帧标识、一字节节点号、一字节信道号列表、四字节父节点信息、四字节子节点信息、一字节节点数、一字节节点号、一字节在用信道列表、一字节网络列表和所辖节点数、一字节保留；

C）信道规划确立后，由网络规划模块开启本节点下的wifi mesh组网功能，遵循802.11协议。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该简易无线自组网方案，通过Wifi AC模块和回传控制模块、Wifi AP模块、信道规划模块和网络规划模块，针对隧道类狭长空间场景设计，通过信道交替转发避免前后级之间的干扰和传输带宽的损失；隧道特定场景布网，前后节点间使用F0和F1两个频点交替转发，每个节点只需考虑前后两级的同频信号干扰，且信号为同步信号，功率控制过程在节点入网时展开，确定每个节点在入网后的功率大小和干扰水平；入网过程增加自动组网和信道规划功能；建立在wifi基础上，成本低，简化了自组网构成，实施简单，避免了复杂的路由协议，实现快速自组布网，极大提高了有效带宽利用率，保证高效率传输大量数据，支持隧道内人员设备灵活接入，有效降低了组网设备成本。很好地解决了现有技术价格昂贵，无法适配隧道狭长应用场景，有效带宽利用率低，难以保证隧道内大量数据高效率传输，造成自组网系统设备浪费，隧道掘进成本高的问题。

附图说明

图1为本发明的无线自组网节点方框图；

图2为本发明的信道规划模块指令中增加的配置子信道的切换流程图；

图3为本发明的信道规划模块在隧道掘进场景布网中节点C的入网场景图；

图4为本发明在当前wifi协议基础上，计算信道质量时在数据面层增加广播消息的定义图；

图5为本发明的网络规划模块的wifi mesh网络规划示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明：

该简易无线自组网方案针对隧道类狭长受限场景，提出一种简化的无线自主网方案，以实现快速，低成本，高效率的无线网络组建。本发明方案的目标是在隧道类特定场景中，低成本部署临时性自组网络，来满足宽带通信的需求。因此，本发明方案在现有wifi mesh基础上，改进路由和组网方式，很好地解决了常用的、价格昂贵的无线网络设备，在隧道类掘进施工场景使用，带宽大幅下降的问题，使wifi mesh从小范围覆盖扩展到大范围覆盖。

（参见图1），现有的wifi mesh在wifi基础上通过mac协议的改造，可以实现mesh布网，但是速率下降严重。本发明方案设计两层无线组网方式，将回传网络和用户网络隔离，通过对信道条件的估计来进行信道规划，实现了全速回传。本发明方案根据隧道掘进过程中数据传输的特殊性，回传网络采用顺序部署方式，不需要路由，每个节点部署时分配独立且唯一的地址，用于该节点覆盖范围内用户的寻址，布网时不允许临时增加。因为全网带宽不会因为网络规模的扩大而缩小。

本发明方案无线自组网节点包含以下几个主要部分：

1、Wifi AC和回传控制模块；此模块包含本节点的WIFI AP控制和回传控制。其中wifiAC负责实现对本节点下的wifi AP的控制，除遵循802.11协议族外，自定义测量消息传输接口，其测量消息数据结构见下表。测量消息分为回传层测量和本地测量两类。回传层测量由回传控制模块执行，周期性对当前信道情况进行估计，测量周期配置为1s，10s等可配置，测量结果代表当前信道估计的结果。回传控制模块按照同样周期，将测量结果上报信道规划模块，进行回传层的信道规划，保障回传链路不出现降速现象。

2、Wifi AP，此模块与普通wifi AP相同，根据现有自组网协议组成mesh自组网，遵循802.11协议族。除wifi协议规定的wifi AC的控制外，自定义测量和网络规划过程。鉴于网络中存在多个wifi AP，在现有wifi协议中，wifi AC会根据事先配置与相应wifi AP通信。在本方案中，增加自组网模式，以简化网络路由，即在wifi AP组成本地自组网的条件下，wifi AC模块只与其中信号最好的AP进行通信，其他AP通过自组网模式互联，遵循802.11s协议。WIFI AP模块，周期性上报当前信道的占用情况和本AP下目前各信道测量情况，测量周期上报为回传上报周期+0.5s。同时，wifi AP接收WIFI AC的调度控制指令，具体表现为符合802.11协议的信道选择指令。为实现信道本wifi AP下各节点无线mesh多跳限制，本发明方案在现有wifi协议中子信道使用协议基础上，增加时分调度方案。具体为当wifi AP接收到信道规划模块发送的多子信道配置指令（参见图2），根据指令中增加的配置子信道，按照时间均分原则，切换射频工作频点，实现在各子信道上的通信。如果节点射频支持多频点工作，则采用多频点同时工作的模式。在子信道切换是，须保留其余子信道的工作状态，时分子信道最多不超过4个。

3、信道规划模块，信道规划模块，根据回传控制模块上报的测量结果，调整信道规划，在监控回传层的信道状况时，也在监控其他信道情况；该模块测量接收信号质量和通过调整信道规划，实现回传链路不降速。简单来说，本系统中通过信道交替转发来避免前后级之间的干扰和传输带宽的损失。隧道掘进场景布网，前后节点间使用F0和F1两个频点交替转发，为避免节点的同频干扰，每个节点需要测量前级节点同频信号的功率，并根据干扰情况协商发送功率。需要指出，本发明方案针对隧道类狭长受限场景设计，基于前级功率干扰不严重，配合功率控制，每个节点只需考虑前后两级同频信号的干扰，且在此限定条件下，信号为同步信号。所述功率控制过程在节点入网时进行，确定每个节点在入网后的功率大小和干扰水平。

（参见图3），以图3节点C入网场景为例：

节点C的P_f1以max(SNR_C2B_f1), SNR_B2A_f1< Thr_inter为优化目标设定，P_f0_max 以SNR_C2B_f0 < Thr_inter 为目标设定；节点C的部署位置以SNR_B2C_f1> Thr_work为目标确定。

SNR_C2B_f1: f1 频点上 B节点接收到C节点信号的SNR值；

SNR_B2A_f1：f1 频点上 B节点接收到A节点信号的SNR值；

SNR_C2B_f0: f0 频点上 B节点接收到C节点信号的SNR值；

SNR_B2C_f1：f1频点上 C节点接收到B节点信号的SNR值；

Thr_inter: 干扰SNR门限；

Thr_work: 工作SNR 门限；

除对回传节点信道质量的监控外，信道规划模块还负责WIFI AP信道的规划，并反馈网络规划模块，通过调整网络规划，尤其是对wifi AP的控制，降低不同wifi AC节点下的WIFIAP 节点间的干扰。

4、网络规划模块，根据信道规划模块的信息，调整网络拓扑，包括限制每个WIFIAC模块下所管理的WIFI AP 节点的数量，从而保证无线mesh 自组网规模不会过大，减少mesh 多跳距离由此实现用户终端侧的带宽保障。

主要过程：入网过程，本发明方案中，入网过程与wifi入网过程基本相同，区别在于：增加了自动组网和信道规划功能；

A）节点入网时，首先探测现有信号，根据现有网络信道，选择接入某个节点的覆盖，此处遵循802.11协议。

B）计算信道质量，包括SNR，接收系统广播消息，包括父节点的信道规划和网络规划配置，由本节点信道规划模块来选择本节点的信道。在隧道掘进场景下，一般一个节点只有一个父节点。信道质量计算方式参见信道规划模块描述。在当前wifi协议基础上，在数据面层增加广播消息定义（参见图4）。

C）信道规划确立后，由网络规划模块开启本节点下的wifi mesh组网功能，遵循802.11协议。

信道规划过程——

信道规划过程建立在测量上报的基础上。信道规划模块根据wifi AC 模块周期性上报的各节点测量情况决定信道分配，并通知网络规划模块改变网络拓扑。具体如下：

a）在链路建立过程中，即有新节点加入的过程中，新节点根据当前测量的各子信道的SNR测量结果，选择SNR最高的子信道作为本级回传子信道。为使用简便，接入子信道初始使用广播信道中父节点接入子信道，当此子信道SNR测量值低于门限时，选取本节点SNR次好信道作为接入子信道。

b）在使用过程中，信道规划模块接收本地wifi AP和wifi AC上报的用户测量信息，其中包括信道状况和mesh网络多跳数目，当mesh网络超过3跳或者wifi AC 侧SNR低于门限值，信道规划模块选取当前SNR最佳的子信道号发送给网络规划模块。网络规划模块根据上报信息和当前网络拓扑结构，拆分现有mesh网络，选取相应子信道由wifi AC下发wifiAP。

节点采用双频段wifi设备，一个频段用于回传，另一个频段用于本地网络mesh服务。鉴于本发明方案适用场景为无网络覆盖场景，因此每个频段的信道都可用于本频段的传输。因此，在信道规划时，根据信道测量的结果，选择无重叠信道来隔离前后级之间的干扰。为了周期性测量所有信道的情况，本发明方案定义了测量时隙，在此时隙内，完成对一个频段所有子信道的轮询测量。子信道数量按照wifi协议中5G和2.4G频段子信道划分规则设定。例如2.4G频点为13个子信道。测量时隙采用定期插入无数据帧的方式，各子信道在这些帧发送各自的导频序列，导频采用ZC 序列。信道规划以最大化本节点接收SNR为目标，选择合适的回传子信道和WIFI AP子信道，并广播选择结果。

网络规划过程——

（参见图5），网络规划分为两个部分：回传网络规划和本节点wifi mesh网络规划。

a）回传网络规划以简单顺序组网为原则，避免形成环状网络，以星型和线型网络组合构建回传网络。在隧道类场景下，一般为单线型网络。

Wifi mesh网络按照现有802.11s协议处理，本发明方案中，在此基础上，增加了wifi-AC控制功能，当wifi mesh出现3跳以上的规模，wifi-AC会重新规划新的子信道，将其中一部分wifi AP从wifi mesh网络中剥离出来，重新分配子信道，构建新的wifi mesh网络。

网络规划参见图5，当（a）出现4跳，（b）分裂成两个独立的mesh网络。

终端规划——

在本发明方案中，终端接入采用WIFI接入模式，由处于两个节点的覆盖交界处，根据本身SNR情况选择一个节点接入。移动过程中，如果咋一个wifi AC节点的网络之中出现wifiAP切换，按照802.11协议，执行切换。如果出现跨节点切换，则通过重新建立链接的方式实现切换，接入方式按照现有802.11协议执行。

以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (1)

1.一种简易无线自组网方案，基于现有自组网系统搭建，包括Wifi AC模块和回传控制模块、Wifi AP模块、信道规划模块和网络规划模块；其特征在于： Wifi AC模块和回传控制模块包含本节点的WIFI AP控制和回传控制,其中wifi AC负责实现对本节点下的wifi AP的控制，除遵循802.11协议族外，实现自定义测量消息传输接口，数据结构包括频率8bits、干扰节点8bits、测量节点8bits、信噪比32bits；测量消息分为回传层测量和本地测量两类，回传层测量由回传控制模块执行，周期性对当前信道情况进行估计，测量周期配置含1s，10s可配置，测量结果代表当前信道估计的结果；回传控制模块按照同样周期，将测量结果上报信道规划模块，进行回传层的信道规划，保障回传链路不出现降速现象；

Wifi AP模块根据现有自组网协议组成mesh自组网，遵循802.11协议族，除wifi协议规定的wifi AC的控制外，自定义测量和网络规划过程，接受wifi AC的控制，包括频率和网络控制；鉴于网络中存在多个wifi AP，在现有wifi协议中，wifi AC根据事先配置与相应wifiAP通信；增加自组网模式，简化网络路由，即在wifi AP组成本地自组网的条件下，wifi AC模块只与其中信号最好的Wifi AP进行通信，其他Wifi AP通过自组网模式互联，遵循802.11s协议；

信道规划模块，根据回传控制模块上报的测量结果，调整信道规划，信道规划模块在监控回传层的信道状况的同时，也在监控其他信道情况，信道规划模块根据WIFI AP信道的占用情况进行规划，使WIFI AC调度本节点下的WIFI AP，实现网络的最优部署；

信道规划模块测量接收信号质量和通过调整信道规划实现回传链路不降速，即通过信道交替转发避免前后级之间的干扰和传输带宽的损失；隧道特定场景布网，前后节点间使用F0和F1两个频点交替转发，每个节点只需考虑前后两级的同频信号干扰，且信号为同步信号，功率控制过程在节点入网时展开，确定每个节点在入网后的功率大小和干扰水平；

入网过程增加自动组网和信道规划功能；网络规划模块根据信道规划模块的信息，调整网络拓扑，包括限制每个WIFI AC模块下所管理的WIFI AP 节点的数量，保证无线mesh自组网规模不会过大，减少mesh 多跳距离，实现用户终端侧的带宽保障；

A）节点入网时，首先探测现有信号，根据现有网络信道，选择接入某个节点的覆盖，此处遵循802.11协议；

B）计算信道质量，例如SNR等，接收系统广播消息，包括父节点的信道规划和网络规划配置，由本节点信道规划模块来选择本节点的信道；在隧道掘进场景下，一般一个节点只有一个父节点；信道质量计算方式参见信道规划模块描述；

在当前wifi协议基础上，在数据面层增加广播消息定义包括：一字节帧标识、一字节节点号、一字节信道号列表、四字节父节点信息、四字节子节点信息、一字节节点数、一字节节点号、一字节在用信道列表、一字节网络列表和所辖节点数、一字节保留；

C）信道规划确立后，由网络规划模块开启本节点下的wifi mesh组网功能，遵循802.11协议。

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