无线网状网系统的制作方法

专利名称：无线网状网系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，特别是涉及无线网状网Mesh网络(丽N， wirelessMesh Network)。
背景技术：
无线Mesh网络是基于IP协议的无线宽带接入技术，它融合了无线局域网(WLAN， Wireless LAN)和Adhoc网络的优势，支持多点对多点的网状结构，具有自组网、自修复、多 跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，是一种大容量、高速率、 覆盖范围广的网络，成为宽带接入的一种有效手段。从某种意义上讲，Mesh网络更主要的 是一种网络架构思想，主要功能体现在无中心、自组网、多级跳接和路由判断选择等。
在采用Mesh技术建设的网络中，其拓扑结构呈格栅状，典型结构如图l所示。整个 网络由无线接入点(AP)、无线路由器(WR)、终端设备(CLIENT)组成。其中，一个AP能在几 十至上百米的范围内连接多个WR， AP的主要作用是将无线网络接入核心网，其次将各个与 WR相连的终端设备连接在一起，使装有无线网卡的终端设备能通过AP共享核心网的资源。 此外，所述AP可由智能接入点(IAP)替换，IAP是在AP的基础上增加了 Adhoc路由选择功 能的设备。另外，AP/IAP还具有网管功能，实现对无线接入网络的控制和管理，将传统的智 能性分散到接入点(AP/IAP)中，大大节省骨干网络的建设成本，提高网络的可延展性。作 为IAP下层配置的WR，其功能是为底层的终端设备(即用户)提供分组路由和转发功能，并 且从IAP下载并实现无线广播软件更新。根据当时可使用的节点配置临时决定转发分组信 息的路由，即实现动态路由。在该网络结构中，通过使用WR可以实现移动终端设备与AP间 通信范围的弹性延展。而终端设备则兼备主机和路由器两种角色。 一方面，终端设备作为 主机运行相关的应用程序；另一方面，终端设备作为路由器需要运行相关的路由协议，参与 路由发现、路由维护等常见的路由操作。 在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可同时作为路由器，网络中的每个节点 都能发送和接收信号，每个节点都能与一个或多个对等节点进行直接通信。这种结构的最 大好处在于如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，数据可以自动重新路由到一个 通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到 与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式即为多跳访 问。 在进行本发明创造过程中，发明人发现上述现有技术无线网状网至少存在以下问 题 针对有线网络设计的路由协议不可用于移动自组织网络，主要问题是无线链路的 不可靠性。选择距离最短的通道通常不是这些移动无线协议最重要的特性。诸如快速路由 汇聚、高反应能力、链路可靠性、避免拥塞、负载平衡、限制每个节点必须进行的处理、电池 性能和传输功率(自干扰)等才是无线移动自组织网络更重要的特性。 对最初找到连接至对端的路由时的延迟及当前路由发生故障时找到另一个替代路由时的延迟来说，路由设置时延非常重要，它与蜂窝网络中的越区切换类似。较低路由成 本对最大限度提高用户系统的吞吐量非常重要。网络可扩展性会受路由成本的影响，因为 一旦达到允许的路由成本限值，就不能再扩展网络。此外，移动性支持在无线自组织网络中 进行越区切换以及在有线网桥必须进行的上下文切换。但当终端设备从一个网络移动到另 外一个网络时，根据现有技术无线mesh网络的路由设置，终端设备需要进行的网络切换以 及上下文切换会在通信中产生很大的延迟，甚至使得通信中断。

发明内容
本发明实施方式要解决的技术问题是提供一种无线网状网系统，可以保障网络切 换时通信的连续性和可靠性。 提供一种无线网状网系统，包括至少两个网络，每个网络包括多个无线节点，其 中每个网络中的至少一个无线节点包括第一无线网卡，用于与本网络内的其他无线节点 以及本无线节点覆盖的终端设备进行无线通信；第二无线网卡，连接所述第一无线网卡，用 于将本网络内其他无线节点及本无线节点覆盖的终端设备连接至所述另一网络中相应无 线节点的第二无线网卡。 较佳实施方式中，所述第二无线网卡中的天线是定向天线，其无线发射与接收的 角度正对所述另一网络中的相同无线节点。 较佳实施方式中，所述第二无线网卡进一步包括功放，用于将所述天线需要进行 发射的信号进行放大。 较佳实施方式中，所述第一无线网卡与第二无线网卡通过处理单元连接，所述处 理单元还连接双数据速率同步动态随机存储器、闪速存储器、设备的小型多协议串行端口 以及RS-232端口。 较佳实施方式中，所述本无线节点是终端设备或无线路由器。 较佳实施方式中，所述网络中包括所述第一、第二网卡的无线节点处于所述多个 无线节点的中间。 较佳实施方式中，所述网络中包括所述第一、第二网卡的无线节点进一步包括路 由单元，用于计算路径的预期传输时间SMETT并形成路由计算结果，并依据所述结果控制 所述第一、第二无线网卡中的分组路由或转发操作，所述SMETT是路径上所有单跳的METT 的总和，以下述公式表示S雄JT = 2M5T;
!.=1' 其中，所述METT是激励预期传输时间，定义为 皿r ;-
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乂 乂 "A 其中，S是分组的大小，而Dk是链路k发送数据速率，ETXk表示链路k预期的传输 次数，TIFk是传输感染因子，分别定义为
■ifc=l 1 一 p.
5<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，S(k) = p(k-l)*(l_p) *，p = Hi,) X (l-Pr)，S(K)表示分组从x到y经 k次尝试后成功发送的概率，p表示从x到y的分组传输不成功的概率，pf和pr表示前向 和反向链路上的分组损失概率。 较佳实施方式中，所述预期传输时间SMETT进一步受信道差异性的影B向，该影响 定义为附加项Xi，如下 <formula>formula see original document page 6</formula>
佶道j上的单栊i 其中，Xj是信道j上单跳的传输时间总和，则， <formula>formula see original document page 6</formula> 其中，|3是可调参数。 以上技术方案可以看出，由于在每个网络中的至少一个无线节点包括两个无线网 卡，多出的一块专用于将本网络下其他节点以及本无线节点覆盖的终端设备连接至所述其 他网络中结构相同的无线节点，这样，在本网络下移动的终端设备在进入其他无线网状网 网络时，不需要重新登录和进行移动上下文切换等动作，直接通过源网络和目的网络中各 自无线节点的专用网卡来连接，因此有效提高无线MESH网络中的移动性，保障网络切换时 通信的连续性和可靠性。


图1是现有技术无线Mesh网络的系统示意图； 图2是本发明无线网状网系统第一实施方式的原理框图； 图3是图2中包括双网卡的无线节点的原理框图 图4是本发明无线网状网系统第二实施方式中包括双网卡的无线节点的电路图。
具体实施例方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案、及优点更加清晰，以下参照附图并举实施 方式，对本发明作进一步详细说明。 本发明的一个方面是在无线节点已有网卡的基础上再增设一无线网卡，用于在本
网络下移动的终端设备在进入其他无线网状网网络时，不需要终端设备重新登录和进行移
动上下文切换等动作，而是直接通过本无线节点的所述网卡来与实现所述终端设备与其他
无线网状网网络的连接，也就等于在两个网络中各设置一个连接点，形成一个桥梁的作用，
使进行网络间移动的终端设备可以通过这些桥梁在网络间实现无缝连接。 本发明应用于无线Mesh网络中，所述无线Mesh网络技术是一种与传统无线网络
完全不同的新型无线网络技术。在传统的WLAN中，每个客户端均通过一条与AP相连的无
线链路访问网络，用户若要进行相互通信，必须首先访问一个固定的AP，这种网络结构称为
单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可同时作为路由器，网络中的每个节点都能发送和接收信号，每个节点都能与一个或多个对等节点进行直接通信。
这种结构的最大好处在于如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，数据可 以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据 网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样 的访问方式就是多跳访问。
参阅图2，本发明提供无线网状网系统第一实施方式，包括 两个网络，每个网络包括多个无线节点，一起参阅图3，其中每个网络中的一个无 线节点包括 第一无线网卡，包括覆盖本网络的第一天线，用于与本网络内的其他无线节点以
及本无线节点覆盖的终端设备进行无线通信；这里的其他无线节点可以是WR。 第二无线网卡，连接所述第一无线网卡，并包括用于无线连接本无线节点与另一
网络的第二天线，所述第二无线网卡通过所述第二天线将本网络内其他无线节点及本无线
节点覆盖的终端设备连接至所述另一网络中相应无线节点的第二无线网卡。 所述本发明无线网状网系统中带有第一、第二无线网卡的无线节点可以是AP，主
要作用是将无线网络接入核心网，其次将各个与WR相连的终端设备连接在一起，使装有无
线网卡的终端设备能通过AP共享核心网的资源。此外，所述AP可由智能接入点(IAP)替
换。另外，AP/IAP还具有网管功能，实现对无线接入网络的控制和管理，将传统的智能性分
散到接入点(AP/IAP)中。 在其他实施方式中，所述本发明无线网状网系统中带有第一、第二无线网卡的无 线节点也可以是WR，为本网络底层的所述终端设备提供分组路由和转发功能，并且从IAP/ AP下载并实现无线广播软件更新。根据当时可使用的节点配置临时决定转发分组信息的路 由。具体上，本无线节点通过第一无线网卡连接本网络其他普通无线节点，比如WR，为这些 无线节点提供分组路由和转发功能，还直接通过第一无线网卡与本无线节点覆盖下的终端 设备提供分组路由和转发功能。 在本网络下的终端设备移动到本网络与其他无线网状网网络交界处时，所述终端 设备通过本无线节点的第二无线网卡连接至其他无线网状网网络中的无线节点。所述与 本无线节点连接的其他无线网状网网络无线节点的结构与本无线节点相同或类似，都具备 第二无线网卡。终端设备通过分属不同网络的这两个无线节点，和其他无线网状网网络下 的终端设备或普通无线节点覆盖下的终端设备进行无缝连接，不需要重新登陆与切换上下 文。 以上技术方案可以看出，由于在每个网络中的至少一个无线节点中增设一块无线 网卡，用于将本网络下其他节点以及本无线节点覆盖的终端设备连接至所述另一网络中结 构相同的无线节点，这样，在本网络下移动的终端设备进入其他无线网状网网络时，不需要 重新登录和进行移动上下文切换等动作，直接通过源网络和目的网络中各自无线节点的专 用网卡来连接，也就等于在两个网络中各设置一个连接点，形成一个桥梁的作用，使进行网 络间移动的终端设备可以通过这些桥梁在网络间实现无缝连接，因此有效提高无线MESH 网络中的移动性，保障网络切换时通信的连续性和可靠性。 具体地，在本发明应用中，所述的两个网络中都存在带有两个网卡的无线节点。无 线节点下面连接WR或终端设备。无线节点下面的终端设备则兼备主机和路由器两种角色。一方面，终端设备作为主机运行相关的应用程序；另一方面，终端设备作为路由器需要运行 相关的路由协议，参与路由发现、路由维护等常见的路由操作。 在本发明无线网状网系统第二实施方式中，所述第二无线网卡中的第二天线是定 向天线，其无线发射与接收的角度正对所述其他无线网状网网络中的特定无线节点，所述 的特定无线节点结构可以和本发明无线网状网系统相同。也就是说，两个相邻无线网状网 网络内各具有一个双无线网卡的无线节点，其他节点可以是普通的带有一个网卡的无线节 点，也可以是带有两个无线网卡的无线节点。 在实际应用中，所述第二无线网卡可以进一步包括功放，用于将所述天线需要进 行发射的信号进行放大。所述网络中包括所述第一、第二网卡的无线节点处于所述多个无 线节点的中间，以最有利的位置接收和转发信号。 上述的另一网络，可以是其他AP覆盖下的网络，也可以是其他AP下面WR所覆盖 的小型网络。上述的第一天线可以是全向天线。 以下介绍本发明无线网状网系统采用的无线频率。无线Mesh网络作为典型的多 点对多点网状结构，节点的移动会导致网络拓扑结构频繁变化，网管需要定期收集各节点 的连接信息，这将会增加网络负荷，加大网络的系统开销。同时，在无线网络中，受外界环境 各种衰落的影响，信号的质量变化较大，又会造成信道的不稳定。因此，本发明无线网状网 系统中通过4个相对独立的模块来根据客户需要进行灵活配置，有效解决链路回传与终端 设备接入的信道共享问题，以提高系统稳定性和频谱利用率。 其中，一套Mesh系统中有两套标准的802. 11(Wi-Fi)射频组件和两套摩托罗拉 网状网络架构(MEA)移动宽带射频组件，其中一套Wi-Fi和MEA射频组件工作在2.4GHz 免许可频段，另一套工作频率为4. 9GHz公共安全许可频段，即2. 4GHz-WiFi/24GHz-MEA/4 .9GHz-WiFi/4. 9GHz-MEA。 2. 4GHz频段使用的频率范围为2400MHz 2483. 5MHz，共分为4 个信道，3个Mesh信道(其中第一个为控制信道)，1个802. llg信道，4个信道带宽均为 20MHz。 4. 9GHz频段所使用的频率范围为4940MHz 4990MHz，共分为2个信道，第一个信 道为Mesh信道，信道带宽为20MHz，控制和数据共享该信道。第二个为802. lla信道，信道 带宽为10MHz。 上述的Mesh架构采用多套射频组件和多个频段，所以能为公共安全、市政工程和
公共接入提供彼此独立的专用无线宽带接入服务。其中IAP的双重独立同传连接又实现公 共网络与其他无关回传网络的物理分离，提高公共安全用户的通信安全性。 本发明无线网状网系统中，可以采用网状可扩展路由(MSR)， MSR是专有的距离矢 量路由算法，可提供多种已知路由，但不维持关于某个地区内的所有节点的信息。这种距离 矢量算法沿着最佳路由转发数据包，同时维持两个备份路由。通过衡量链路规格选择最佳 路由。多种链路规格的组合可提高系统在数据包可靠性、延迟和抖动方面的性能。提供备 份路由是为了支持在混乱的环境中迅速改变的移动节点的信号特征。 因为无线网络具备根本不同的特性，所以针对有线网络设计的路由协议不可用于 移动自组织网络，主要问题是无线链路的不可靠性。选择距离最短的通道通常不是这些移 动无线协议最重要的特性。诸如快速路由汇聚、高反应能力、链路可靠性、避免拥塞、负载平 衡、限制每个节点必须进行的处理、电池性能和传输功率(自干扰)等才是无线移动自组织 网络更重要的特性。
本发明无线网状网系统还采用自适应控制传输协议(ATP) ， ATP是负责确定传输 功率和数据率的算法，可用于确保在相应节点实现最可靠的接收。选择路由时必须对连接 至所有可用相邻节点的链路的输入质量进行测量，以便在选择连接至每个对端的下一个跳 跃点时，做出考虑周全的决策。该质量值主要以能量值的形式表示，其中包含了与每个相邻 节点进行通话时所使用的功率水平和数据率。能量值转换为链路阻值，并且沿整个路由扩 散。能量值是用于评估能否成功地将数据包发送至相邻节点或通过特定路由发送数据包的 重要规格。 ATP可提供关于链路丢失的实时信息。由ATP算法确定链路丢失，以衡量传输成功 和传输失败的信号质量，从而实现良好信号瞬间丢失与真正的坏信号之间的平衡。当路由 选择收到该通知时，将该相邻节点用作下一个跳跃点的任何对端均必须立即切换至另一个 替代路由。该相邻链路状态被设置为断开，在重新设置之前，不可被用作下一个跳跃点。ATP 业务旨在支持MSR协议以数据包为单位，平衡地实现可靠的传输和尽可能最高的数据率。
本发明无线网状网系统还采用正交分割多址接入技术(QDMA)，无线通信平台运行 在2. 4GHzISM频段和4. 9GHz频段，是专门为广域范围内通信的最优化以及移动网状网系统 设计的。在2. 4GHz的ISM频段，由于在接入控制(MAC)子层使用多信道方式(3个数据信 道和1个控制信道)，因此与单个信道相比，更适用于高密度的丽N终端设备。QDMA技术提 供一个高性能的射频前端，该前端包含类似于多抽头Rake接收机的功能和一种克服射频 环境快速变化的公平算法。 QDMA可在较广的移动通信范围内提供较强的纠错能力，同时，增强的抗干扰能力 和信号的灵敏度可为基于QDMA技术的通信网络提供达到250mph的移动速度，适于部署在 直升飞机中，理论上可提供最高达6Mbps的突发数据率，并且可在超过80mph的速度下保持 1Mbps的吞吐量。 本发明无线网状网系统还采用正交频分复用技术(OFDM)。其中，无线Mesh系统物 理层可采用OFDM技术。OFDM技术是将高速的数据流通过串/并变换，分配到传输速率相对 较低的若干个正交子信道中，在每个子信道上进行窄带调制和传输，减少子信道之间的相 互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此，每个子信道上的频率选择性 衰落是平坦的，大大消除符号间干扰。所采用的数字信息调制有时间差分移相健控(TDPSK) 和频率差分移相键控(FDPSK)，以快速傅里叶变换(IFFT和FFT)算法实施数字信息调制和 解调功能。由于无线信道的频率选择性，所有的子信道不会同时处于深衰落中，因此，可以 通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，利用信噪比高的子信道提升系统性能。由 于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OF匿系统在某种程度上能抵抗这种干扰。OF匿 技术结合了分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大程度地提高系 统性能，使无线Mesh系统性能得到进一步优化。 另外，除了可采用MSR路由算法，本发明无线网状网系统还可以采用基于多网卡 多信道MESH网的路由协议。无线MESH网不同于传统的无线多跳网络，路由器是固定的，移 动性不是主要问题。因此迫切需要一种新的准则适应这种网络。丽N使用多网卡和多信道 以提高网络容量。WCETT是为多网卡多信道无线MESH网络设计的准则，但是必需的带宽计 算很复杂。为此本发明提出一种新的路由准则SMETT，以避免复杂的带宽计算，并且设计一 种名为传输感染因子(TIF)的传输干扰模型使ETT更接近真正的传输。为此在本发明无线网状网系统中包括双网卡的无线节点增设路由单元，用于计算路径的预期传输时间SMETT 并形成路由计算结果，并依据所述结果控制所述第一、第二无线网卡中的分组路由或转发 操作。 无线MESH网络(丽N)在近几年里已经成为研究的热点。由于它的一些特殊的应 用已经引起了商业的注意和巨大的兴趣。虽然丽N是由Ad Hoc网络发展而来，但它是一种 全新的拓扑，Ad Hoc的路由已经不再适用于丽N。绝大部分传统的Ad Hoc路由准则是选择 从源节点到目的节点的最小跳数。如果丽N也使用最小跳数准则，则容易在路由中包括较 长的无线链路，导致较低的吞吐量，从而影响其达到最佳性能。因此路由准则可以根据无线 链路的质量来选择较好的路径。MESH路由问题的关键就在于改进网络容量和提高个别传输 的性能上。可以通过在每个节点上安装多个网卡来改进丽N容量的方法。这样可以使节点 能够同时地传输和接收数据。同时每个节点有多个网卡，也能提供一个实现多信道的策略。
本发明提供的新路由准贝U，称为SMETT(Sum of Motivated ExpectedTransmission Time)，是为多网卡多信道环境而设计的。与WCETT不同的是它不考虑无线链路的带宽。因 为无线网路的带宽不容易计算，该如何避免带宽的计算是一个主要议题。而且在研究中，当 计算ETT(预期的传输时间)的时候，也考虑到链路的干扰。在无线网路中，如果它们在彼 此的干扰范围里，无线链路上的传输可能互相干扰。因此，进一步提供一种传输感染因子 (TIF)用于我们的准则SMETT。 在无线MESH网络(丽N)体系结构中，每个节点有多个网卡和多条信道。这里不考 虑如何分配频道。假设体系结构的每个路由节点都是相对固定的，在给定区域的每个点至 少被一个AP覆盖。为了覆盖一个大的区域，需要很多的AP。通常情况下，把每个AP连接到 以太网上，再依次连接到Internet是不现实的。因此只有一些AP连进有线基础设施，作为 网关工作。移动终端用户直接从AP或从多跳AP访问互联网。 在有线网络中，因为各节点是独立的，所以链路上的任何传输都不会干扰其他链 路上的传输。然而，在本发明无线网状网系统中，如果它们在彼此的干扰范围内， 一个无线 链路上的传输就有可能干扰其他的链路。 这里采用IEEE 802. 11DCF子程序，其利用一个简单的载波侦听多路访问(CSMA) 算法。当一个分组想要传输时，它通过传输分组占用介质。如果侦听到介质是空闲的，那么 分组将会被传输。否则，在当前冲突窗口大小内任意选择的退避计算器工作，并且让退避计 算器开始倒计时，直到媒体空闲。当它感觉媒体忙碌时，节点中止计算器的倒计时窗口。这 称为二进制指数退避。 当本发明无线网状网系统中包括双网卡的无线节点传输一个分组时，它需要为可 能的重传将发送的分组存在缓冲器中。当分组被确认收到时，缓冲器中的分组才被移去。 如果有任何传输失败，缓冲器会为重传保护丢失的分组。因此缓冲器不空的时候将会增加。 由于如果一个分组仍然存在缓冲器中，节点会试着占用媒体，这会影响在它的干扰范围内 的节点的传输。 为此，本发明进一步提出预期传输时间(ETT)，之前，首先简短地描述ETX准则。 ETX度量准则用于测量传输的预期数量，包括重传(需要在链路上发送一个单播分组)。ETX 的推导开始于前向和反向链路的分组损失概率的测量，分别用Pf和pr表示，然后计算预期 传输数量。
从计算分组传输不成功概率开始，因为802. 11协议需要的是传输成功，所以分组 必须成功地被应答。让P表示从x到y的分组传输不成功的概率
p = Hi,) X (1-Pr) (1) 802. 11MAC将会重传一个传输不成功的分组。让S (K)表示分组从x到y经k次尝
试后成功发送的概率。 S(k) = p(k-l)*(l_p) (2) 最后，从x到y成功地传送一个分组的必需的预期传输数量用ETX表示 ETX准则用于路由选择。它将选择最低的积累ETX的路径。但是ETX准则不一定 能为丽N选择较高吞吐量的路径。例如，它可能选择802. llb链路，但不选损失概率比较低 的802. 11a链路。因此，本发明给出一个信道差异性优先选择，提供一种新的准则，称为预 期传输时间(ETT)。它定义为"带宽修正ETX"。让S表示分组的大小(例如1024个字节)， B表示链路的带宽(原始数据率)。那么ETT表示为
ETT = ETX*S/B (4) 根据方程(3)和(4)来计算ETT，需要知道向前和反向损失率(pf和pr)以及每个 链路的带宽。有两种方法可以获得每个链路的带宽。 一种方法是每个802. 11网卡给定值 的固定带宽，但是固定速率不可能适合实际传输。另一个方法是让网卡自动地为每个分组 选择带宽，这也是不现实的。 在前面，已经阐述802. 11DCF如何工作，说明无线节点的缓冲器能影响链路上的 传输。如果缓冲器是空的，只要它接受，节点能发送分组。那么它不影响其他传输。然而， 如果无线节点缓冲器长时间不空，就不会传输刚刚收到的分组。因此节点缓冲器不空的时 间会影响链路上其它的传输。 TIF不但解释一个链路上最初的传输负载，而且解释因丢失分组重传而增加的负 载。例如，传输时间是方程(4)ETT的2倍，如果链路的损失率是0，即ETX二 l，那么TIF二 0.5，因为节点的缓冲器一半时间不空，节点的传输是忙碌的。然而，如果链路的损失率是 0.5，缓冲器由于重传不会是空的。那么，TIF二1。 由于ETT表示链路的损失概率，因此TIF与它有关。现在假设链路K_l和链路K 是连续的链路，它们的ETT分别是ETXK—i和ETXK。当ETXK/ETXK—工小于1. 0时，链路K会比链 路K-1有较多的空闲时间，那么TIFK可表示为TIFK—^ETXk/ETXk—lt)当大于1. 0时，意味着节 点K缓冲器是充满的，一些分组可能被丢弃。因此，TIFK可以表示为
z —5t;^ 、 .，rd *-^
、 斑w乂 这里，进一步提出激励预期传输时间METT， METT考虑了传输干扰。它是一种"干 扰调整的ETT"。首先，假设路径的源节点是处于无干扰理想状态。因此，首先设定TIF初 值为TIF1 = 1 。然后，让ETXk表示链路k预期的传输次数，S是分组的大小(例如1024字 节)，而Dk是链路k发送数据速率。因此，链路的干扰调整k定义为
11<formula>formula see original document page 12</formula>A, (6) 因为干扰，如果缓冲器不空，所有的分组将会竞争占用媒体。如TIF定义，如果真 正的传输时间是方程(4)的2倍，那么TIF二0.5。因此TIF与METT是反比，且最初的ETT 被定义为(4)，链路的激励ETT(METT)必须分开TIFk。因为TIF能表示真正的传输，所以使 用B(链路的带宽)是不必要的，因此在这里改为使用Dk(链路的发送速率)。
根据方程(3) 、 (5)和(6)计算METT，还需要了解正向和反向的损失概率(Pf和p》、 传输率、每个链路的传输感染因子(TIF)。 Pf和Pr的值可通过用广播分组技术来估计，无线 节点定期地(每秒一次)送出广播探测分组。广播分组不由802. IIMAC转发。无线节点跟 踪从每个相邻节点在滑动时间窗口期间(十秒)收到的探测分组数，包括它们自己的探测 信息。无线节点能从相邻节点在时间窗口内收到的探测分组数直接计算Pr，还可以使用从 相邻节点收到的最后一个探测分组有关它们自己的信息来计算Pf。然后计算ETX。同样， 也能使用方程(5)计算TIF。 通过计算，可以得到所有链路的METT。下面提出如何计算在源节点上所有的 METT。本发明提出的路径准则称为SMETT(激励ETT的总和)。它是路径的预期传输时间。 因此能设定SMETT是路径上所有单跳的METT的总和。
(7) 同时，SMETT需要考虑信道差异性的影响。只是增加METT不能保证这个特性，因 为不能区别在不同的频道上的单跳。为了反映这一点，本发明提出的路径准则定义附加项 &。 A= 2>^^l《j《k 佶坦j上的单桷i (8) Xj是信道j上单跳的传输时间总和，总吞吐量受瓶颈频道支配，瓶颈频道有最大的 Xj。另外，可以引入一个可调参数13用来计算SMETT。S鹏7T = (1 一到* i METTi + * ， (Xj: 上述的新路由准则可以避免计算网络带宽，而且考虑可能是整个传输的瓶颈的干 扰，因此它更适合真实的世界。 在本发明人进行的路由仿真中，显示这个新的路由准则工作得很好与单跳计数 准则和WCETT准则相比较，平均吞吐量比单跳计数准则改进20%以上，比WCETT改进10% 以上，整个丢失概率也减少。 此外，本发明无线网状网系统可以应用到以下两种Mesh系统模式中
1)基础设施网状网模式(Infrastructuremeshing) 这里本发明无线网状网系统中包括双网卡的无线节点可以是无线路由器，该模式 在AP与终端用户之间形成无线回路。移动终端通过本发明无线网状网系统中包括双网卡 的无线节点的路由选择和中继功能与IAP形成无线链路，IAP通过路由选择及管理控制等功能，为移动终端选择与目的节点通信的最佳路径，从而形成无线回路。同时，移动终端通
过IAP可与其他无线网状网网络相连，从而实现无线宽带接入。采用该结构可降低系统成
本，提高网络覆盖率和可靠性。 2)终端用户网状网模式(Clientmeshing) 这里本发明无线网状网系统中包括双网卡的无线节点可以是终端设备，终端设备 自身配置无线收发装置-网卡，通过无线信道的连接形成一个点到点的网络，这是一种任 意网状网的拓扑结构，节点可以任意移动，可能会导致网络拓扑结构也随之发生变化。在这 种环境中，由于终端设备的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的终端设备可以借 助其他终端的分组转发进行数据通信。在任一时刻，终端设备在不需要其他基础设施的条 件下可独立运行，它可支持移动终端较高速率的移动，快速形成宽带网络，终端用户模式事 实上就是一个Adhoc网络，它可以在没有或不便利用现有网络基础设施的情况下提供一种 通信支撑环境。 由于两种模式具有优势互补性，因此，本发明可以应用到同时支持两种模式的无 线Mesh网络，这种网络能在一个广阔的区域内实现多跳的无线通信，移动终端设备既可以 与其他无线网状网网络相连，实现无线宽带接入，又可以在不具备基础设施网络的条件下 与其他用户进行直接通信，并且可以作为中间的路由器转发其他节点的数据，送往目的节 点。 此外，本发明特别适合应用于终端设备频繁移动于固定线路的无线通信区域中， 比如铁路、公路、河运系统中。 参阅图4，所述本发明无线网状网系统中包括双网卡的无线节点是作为星型Mesh 网络的二级基站。所述基站包括第一无线网卡和第二无线网卡。所述第一无线网卡包括 第一天线，为全向天线，所述第二无线网卡包括第二天线，是定向天线。其中第一无线网卡 与第二无线网卡通过处理单元连接，所述处理单元还连接双数据速率同步动态随机存储 器(DDR2)、闪速存储器(FLASH)、电可擦可编程只读存储器(EEPR0M)、两个设备的小型多协 议串行端口 (WAN1， WAN2)、通用串行总线(USB)、 JTAG调试端口、处理器跟踪端口 (TRACE PORT)、热感应器(TEMP&THEMEL)、时钟振荡器(RTC) 、RS-232端口以及多个LED指示灯。上 述各单元参数详细如下
处理单元AMCC PPC 405Ex(667Mhz) 第一无线网卡Atheros 802. lln Mini-PCI-E，通过PCI-E-1线路与处理单元连 接。 第二无线网卡Atheros 802. 11a/b/g/n Mini-PCI-E，通过PCI-E-2线路与处理单 元连接。双数据速率同步动态随机存储器(DDR2) :4*512Mb， 200Mhz， 1. 8v。
闪速存储器(FLASH) :Spansion(S29GL512N)。
电可擦可编程只读存储器(EEPROM) :AT2402。 两个设备的小型多协议串行端口 (WAN1，WAN2):通过88E1111与处理单元连接。
通用串行总线(USB):通过RTU433与处理单元连接。
JTAG调试端口 (2 X 8)。热感应器(TEMP&THEMEL):通过I2C与处理单元连接。
时钟振荡器(RTC) :X1205，通过fC与处理单元连接。 本发明所指的路由单元可由EEPROM和处理单元共同组成，路由单元的功能由 EEPROM和处理单元共同实现，比如路由计算规则、程序可以固化在所述EEPROM中，在计算 时由处理单元从所述EEPROM调出，并在处理单元内部进行运算，运算过程中产生的数据可 以暂存在所述DDR2或FLASH中，最后的运算结果用于控制第一、第二无线网卡进行实际的 分组路由或转发操作。 值得说明的是，本发明中的无线节点不限于只包括两个无线网卡，根据需要，可以
配备第三、第四或更多无线网卡。 综上，本发明至少可以产生如下技术效果 1)在网络间实现无缝连接； 2)有效提高无线MESH网络中的移动性，保障网络切换时通信的连续性和可靠性； 3)成本低，只需要在网络的一个无线节点中增设一无线网卡； 4)新路由准则可以避免计算网络带宽，更适合真实的世界，平均吞吐量比单跳计
数准则改进20%以上，比WCETT改进10%以上，整个丢失概率也减少。 此外，本发明应用在无线MESH网络中，还具备以下优点 1)自组织 无线节点和授权最终用户可即时加入网络，扩展网络覆盖范围，并可连接至所有
其他节点。 2)自愈 如果网络中的某台设备发生故障或从其拓扑位置上拆卸，网络会自动适应这种改 变。既使发端与对端之间的连接涉及多台中继设备，网络也会找到从发端到对端的新的路由。 3)多跳式 每个无线节点和终端设备均能转发和路由发送至另一个对端的数据包，能选择并
确定一个从发端到对端的最佳路由。 4)点对点网络 自组织网络通常由平等的网元构成，只要发端和对端的距离足够近，就能直接连 接发端和对端。而不必通过中央管理节点。 以上对本发明所提供的一种无线网状网系统通过具体实施方式
进行了详细介绍， 以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其思想；同时，对于本领域的一般 技术人员，在了解本发明所揭露的技术内容后可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发 明的保护范围之内，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明保护范围的限制。
权利要求
一种无线网状网系统，其特征在于，包括至少两个网络，每个网络包括多个无线节点，其中每个网络中的至少一个无线节点包括第一无线网卡，用于与本网络内的其他无线节点以及本无线节点覆盖的终端设备进行无线通信；第二无线网卡，连接所述第一无线网卡，用于将本网络内其他无线节点及本无线节点覆盖的终端设备连接至所述另一网络中相应无线节点的第二无线网卡。
2. 根据权利要求l所述的无线网状网系统，其特征在于，所述第二无线网卡中的天线 是定向天线，其无线发射与接收的角度正对所述另一网络中的相同无线节点。
3. 根据权利要求2所述的无线网状网系统，其特征在于，所述第二无线网卡进一步包 括功放，用于将所述天线需要进行发射的信号进行放大。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的无线网状网系统，其特征在于，所述第一无线网 卡与第二无线网卡通过处理单元连接，所述处理单元还连接双数据速率同步动态随机存储 器、闪速存储器、设备的小型多协议串行端口以及RS-232端口 。
5. 根据权利要求1至3任一项所述的无线网状网系统，其特征在于，所述本无线节点是 终端设备或无线路由器。
6. 根据权利要求1至3任一项所述的无线网状网系统，其特征在于，所述网络中包括所 述第一、第二网卡的无线节点处于所述多个无线节点的中间。
7. 根据权利要求l所述的无线网状网系统，其特征在于，所述网络中包括所述第一、 第二网卡的无线节点进一步包括路由单元，用于计算路径的预期传输时间SMETT并形成路 由计算结果，并依据所述结果控制所述第一、第二无线网卡中的分组路由或转发操作，所述 SMETT是路径上所有单跳的激励预期传输METT的总和，以下述公式表示<formula>formula see original document page 2</formula>其中，所述METT定义为<formula>formula see original document page 2</formula>其中，S是分组的大小，而Dk是链路k发送数据速率，ETXk表示链路k预期的传输次数， TIFk是传输感染因子，分别定义为<formula>formula see original document page 2</formula>其中，<formula>formula see original document page 2</formula>S(K)表示分组从x到y经k次尝 试后成功发送的概率，P表示从x到y的分组传输不成功的概率，pf和Pr表示前向和反向 链路上的分组损失概率。
8.根据权利要求7所述的无线网状网系统，其特征在于，所述预期传输时间SMETT进一步受信道差异性的影响，该影响定义为附加项Xi，如下<formula>formula see original document page 3</formula>佶遒jil的单賴i其中，Xj是信道j上单跳的传输时间总和，则，<formula>formula see original document page 3</formula>其中，e是可调参数。
全文摘要
本发明公开一种无线网状网系统。所述无线网状网系统包括至少两个网络，每个网络包括多个无线节点，其中每个网络中的至少一个无线节点包括第一无线网卡，用于与本网络内的其他无线节点以及本无线节点覆盖的终端设备进行无线通信；第二无线网卡，连接所述第一无线网卡，用于将本网络内其他无线节点及本无线节点覆盖的终端设备连接至所述另一网络中相应无线节点的第二无线网卡。本发明可以有效提高无线MESH网络中的移动性，保障网络切换时通信的连续性。
文档编号H04L12/56GK101729334SQ20081021673
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月13日 优先权日2008年10月13日
发明者曾小云, 黄帆波 申请人:深圳市华讯盈通讯技术有限公司