一种高铁移动通信系统及方法与流程

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种高铁移动通信系统及方法。

背景技术：

目前，随着高速铁路的不断发展和列车速度的不断提高，在高速移动场景下用户访问网络的可靠性和高效性引起广泛关注。列车速度的提升将导致更加频繁的切换，使得用户访问网络速度较低，甚至无法上网，严重影响人们在出行过程中对网络的需求，降低用户体验。传统tcp/ip网络下，由于在节点地理位置及拓扑结构发生改变时的复杂性，导致其在移动方面成为一个较难解决的问题。

为此定义了各种各样的附加协议以支持移动性，如移动ip(mobileip)、主机身份协议(host-identity)、位置/身份分离协议(locator/identifierseparationprotocol，lisp)，而这些协议可以看作是为了支持移动通信在基本的tcp/ip网络上打的补丁，却回避了设计上的核心根本问题。这些协议都需要明确数据传输的两个端点，建立和维护持续的连接为基础，使其在移动性方面受到较大限制。

尤其当移动速度达到200km/h以上时，频繁的切换带来严重的传输延迟问题，丢包问题，网络冗余问题以及网络吞吐量较低问题，甚至导致无法连接网络。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的高铁移动通信系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种高铁移动通信系统，包括多个网络实体，所述网络实体包括mesh网关节点、mesh接入节点和高铁接入终端；

每两个所述mesh网关节点由多个所述mesh接入节点构成，所述mesh网关节点连接互联网，所述mesh接入节点通过所述高铁接入终端连接用户侧移动终端；

所述mesh网关节点，用于通过网关桥接到互联网，利用ndn协议进行mesh接入节点与互联网之间的数据分发；

所述mesh接入节点，用于基于mesh网络技术，与其他mesh接入节点和mesh网关节点构成mesh主干网络，利用ndn协议进行用户侧高铁接入终端与所述mesh网关节点之间的数据分发；以及

所述高铁接入终端，用于与mesh接入节点之间构成无线mesh网络，利用ndn协议进行移动终端与mesh接入节点之间的数据分发。

根据本发明的另一个方面，还提供一种高铁移动通信系统，包括：

高铁接入终端接收移动终端的数据请求，向当前连接的mesh接入节点发送所述数据请求；

所述当前连接的mesh接入节点接收所述数据请求后，根据ndn协议，在mesh主干的其他mesh接入节点中进行选路并转发所述数据请求或者向mesh网关节点转发所述数据请求；

所述mesh网关节点将接收的所述数据请求发送至互联网，并接收所述互联网返回的服务端数据后，发送给所述数据请求来源的mesh接入节点。

本发明提出一种高铁移动通信系统及方法，利用ndn架构对移动性支持的优势结合mesh网络技术的灵活、可靠的组网方式，通过高铁接入终端与mesh接入节点之间形成点对点网络，无缝的支持移动终端的频繁切换，实现一种可以满足高速移动环境下进行通信的方法，解决高速移动环境下用户高带宽访问互联网问题。

附图说明

图1为本发明实施例一种高铁移动通信系统示意图；

图2为本发明实施例一种移动通信方法数据请求示意图；

图3a为本发明实施例一种移动通信方法数据分发第一示意图；

图3b为本发明实施例一种移动通信方法数据分发第二示意图；

图4为本发明实施例一种移动通信方法mesh接入节点切换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

无线mesh网络(wirelessmeshnetwork，wmn)是基于ip协议的无线宽带接入技术，它融合了wlan和adhoc(点对点)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。无线mesh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接入点(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。

命名数据网络(nameddatanetworking，ndn)采用以信息为中心的网络通信模型，取代传统的以地址为中心的网络通信模型，通信模式从主机到主机演进为主机到网络，传输模式由传统的“推”改为“拉”，安全机制构建在信息上而不是主机上，转发机制由传统的存储转发演进为缓存转发，体系结构支持主机移动，从而更好满足大规模网络内容分发、移动内容存取、网络流量均衡等需求。ndn旨在通过新体系结构设计，实现以地址、位置为中心的网络向以数据为中心的网络的转变，拟解决地址空间爆炸、动态性、地址可扩展等问题，同时借助存储优化流量，避免拥塞，提升网络吞吐量。

带宽不足和切换频繁是高速铁路现阶段发展宽带移动通信所面临的关键问题，本发明基于ndn和wmn架构思想，提出一种可支持高带宽的高铁移动通信系统和方法，以解决高速环境造成的切换延迟、传输速率低、数据延迟、丢包率、网络吞吐量等问题。

如图1所示，一种高铁移动通信系统，包括多个网络实体，所述网络实体包括mesh网关节点、mesh接入节点和高铁接入终端；

每两个所述mesh网关节点由多个所述mesh接入节点构成，所述mesh网关节点连接互联网，所述mesh接入节点通过所述高铁接入终端连接用户侧移动终端；

所述mesh网关节点，用于通过网关桥接到互联网，利用ndn协议进行mesh接入节点与互联网之间的数据分发；

所述mesh接入节点，用于基于mesh网络技术，与其他mesh接入节点和mesh网关节点构成mesh主干网络，利用ndn协议进行用户侧高铁接入终端与所述mesh网关节点之间的数据分发；以及

所述高铁接入终端，用于与mesh接入节点之间构成无线mesh网络，利用ndn协议进行移动终端与mesh接入节点之间的数据分发。

本实施例的一种高铁移动通信系统，包括三种类型的网络实体，即所述mesh网关节点(meshportalpoint，mpp)，所述mesh接入节点(meshaccesspoint，map)和所述高铁接入终端(trainaccessterminal，tat)，每一种类型的网络实体都有多个，根据具体的组网方式和组网面积灵活确定，本实施例对此不作限定。

这三种类型的网络实体的主要功能如下：

(1)mesh网关节点(meshportalpoint，mpp)：具有网关和桥接功能，连接互联网，之间由多个map构成；

(2)mesh接入节点(meshaccesspoint，map)：具有路由功能并与其它的map构成mesh主干网络，提供mesh服务和接入服务；

(3)高铁接入终端(trainaccessterminal，tat)：map与tat构成无线mesh网络，移动终端通过无线连接tat。移动终端通过tat发送请求，由map转发至服务端。

三种网络实体均安装ndn协议和路由功能。

所述高铁移动通信系统的组网方式为：移动终端用户通过高铁接入终端发送数据请求至mesh接入节点；mesh接入节点具有路由和ap功能，数据请求可以通过mesh接入节点转发至mesh网关节点或者转发至其它的mesh接入节点；mesh网关节点通过有线接入internet网络，并通过无线与mesh接入节点相连。mesh网关节点、mesh接入节点、高铁接入终端构成一种混合式的无线mesh网络。所有的网络节点均安装ndn协议，且所有的网络节点均带缓存功能和路由功能，数据请求、分发、路由均利用ndn协议处理。

本实施例的一种高铁移动通信系统，利用ndn架构对移动性支持的优势结合mesh网络技术的灵活、可靠的组网方式，通过高铁接入终端与mesh接入节点之间形成点对点网络，无缝的支持移动终端的频繁切换，实现一种可以满足高速移动环境下进行通信的方法，解决高速移动环境下用户高带宽访问互联网问题。

在一个实施例中，所述mesh接入节点还用于：当接收到所述高铁接入终端发送的请求内容相同的数据请求后，仅对请求内容相同的数据请求进行命名前缀的聚合。

本实施例中，所述mesh接入节点针对请求内容相同的数据请求进行聚合处理，对于多个请求内容相同的数据请求只向服务端发送一次数据请求，后续的请求内容相同的数据请求不再发送，这样可以节约网络资源，同时提高获取数据的效率。本实施例中所述聚合处理利用ndn网络协议的命名机制完成。

在一个实施例中，所述高铁移动通信系统中所有的所述mesh网关节点、mesh接入节点和高铁接入终端还用于：对接收到的来自互联网的服务端数据进行本地缓存。

本实施例中，所述高铁移动通信系统中所有的网络实体都具有缓存功能，这样在移动终端向服务端请求数据后，返回的服务端数据可以在返回路径上的所有节点中缓存。当移动终端在快速移动时，随时可能离开当前所在的mesh接入节点服务范围，而移动到另一个mesh接入节点的服务范围，这样可以通过各mesh接入节点、mesh网关节点或高铁接入终端缓存的服务端数据快速的获取数据，而不必另外再从服务端获取数据，从而实现无缝连接。

在一个实施例中，所述高铁接入终端还用于：当服务端数据未送达移动终端时，获取所述移动终端的当前mesh接入节点，向所述当前mesh接入节点转发所述移动终端的数据请求；

所述mesh接入节点还用于：获取本地缓存的所述服务端数据或者获取邻居mesh接入节点的缓存的所述服务端数据，通过所述高铁接入终端向所述用户终端转发所述服务端数据；所述邻居mesh接入节点为：所述移动终端的数据请求被转发到所述当前mesh接入节点之前，所发送到的mesh接入节点。

本实施例所应用的情况是，当移动终端通过一个特定高铁接入终端向服务端请求数据后，由于所述移动终端的快速移动而导致所述移动终端无法通过所述特定高铁接入终端获取到返回的服务端数据，即对于所述特定高铁接入终端而言，服务端数据未送达到所述移动终端。

此时，所述特定高铁接入终端获取所述移动终端的当前所在的mesh接入节点，即当前mesh接入节点，向所述当前mesh接入节点转发所述移动终端的数据请求。

所述当前mesh接入节点获取本地缓存的所述服务端数据或者获取邻居mesh接入节点的缓存的所述服务端数据，通过所述高铁接入终端向所述用户终端转发所述服务端数据；通过本实施例所述网络实体的缓存功能获取所返回的服务端数据，可以大大提高数据获取的效率，节约资源，实现无缝连接。

在一个实施例中，所述mesh接入节点还用于：基于所述ndn协议设置服务范围的重叠区域；

所述高铁接入终端还用于：基于自身当前移动速度，选择传输速度更高的mesh接入节点作为当前mesh接入节点，并建立连接。

本实施例中，所述高铁移动通信系统中的所有mesh接入节点实现通信服务的无缝覆盖；高铁接入终端在两个mesh接入节点重叠区域时需要选择连接哪个mesh接入节点，高铁接入终端依据自身当前移动速度判断与哪个mesh接入节点连接后的传输速度更高，然后选择传输速度更高高的进行连接。

在一个实施例中，所述高铁接入终端还用于：当自身当前移动速度大于设定阈值时，切换到下一mesh接入节点；或者当自身的传输速度与所当前连接的mesh接入节点的传输速度相同时，切换到下一mesh接入节点。

本实施例中，由于高铁接入终端也是移动的，高铁接入终端与mesh接入节点之间也是相对运动的，需要根据具体情况进行切换。

在一个实施例中，所述mesh网关节点通过有线方式连接到互联网，通过无线方式与所述mesh接入节点进行通信；

所述mesh接入节点通过无线方式与所述mesh网关节点及所述高铁接入终端进行通信；

所述高铁接入终端通过无线方式与所述mesh接入节点及移动终端进行通信。

本实施例所述的高铁移动通信系统具有以下特点：

(1)mesh网关节点接入有线网络，mesh网关节点之间由多个mesh接入节点构成；

(2)mesh接入节点之间构成mesh主干网络，具有ndn路由和缓存功能；

(3)mesh接入节点与高铁接入终端构成无线mesh网络，移动终端通过无线连接高铁接入终端。

如图2所示，本发明还提供一种移动通信方法，包括：

高铁接入终端接收移动终端的数据请求，向当前连接的mesh接入节点发送所述数据请求；

所述当前连接的mesh接入节点接收所述数据请求后，根据ndn协议，在mesh主干的其他mesh接入节点中进行选路并转发所述数据请求或者向mesh网关节点转发所述数据请求；

所述mesh网关节点将接收的所述数据请求发送至互联网，并接收所述互联网返回的服务端数据后，发送给所述数据请求来源的mesh接入节点。

本实施例所述方法是一种数据请求过程，移动终端首先发送数据请求至高铁接入终端，高铁接入终端在选择合适的mesh接入节点进行转发；然后mesh接入节点通过mesh网关节点转发所述数据请求至服务端或者通过其他mesh接入节点进行转发直至转发至mesh网关节点，通过mesh网关节点将所述数据请求发送至服务端。如果mesh接入节点收到请求相同内容的数据请求，则对数据请求的命名前缀进行聚合，不再转发该数据请求。在一个实施例中，所述移动通信方法还包括：按照与上行路径的相反路径将所述服务端数据返回至所述当前连接的mesh接入节点，并在所述相反路径上的每个mesh接入节点中缓存所述服务端数据。

在一个实施例中，所述移动通信方法还包括：

按照上行路径的相反路径将所述服务端数据返回至所述当前连接的mesh接入节点，并在所述相反路径上的每个节点中缓存所述服务端数据。

本实施例中所述上行路径，是指从用户侧移动终端向服务请求数据的节点路径。所述相反路径，也就是下行路径，是指从服务端向用户侧终端传输数据的节点路径。所述每个节点，指所述相反路径上所有的mpp、map和tat节点。

本实施例是一种数据返回的分发过程：服务端数据按照数据请求的相反路径逐跳返回至请求节点。数据在返回过程中缓存所请求的服务端数据到所经过的mesh接入节点。mesh接入节点与mesh接入节点之间构成mesh主干网络，如果无法到达发送请求的mesh接入节点，则需要终端重新发送请求。mesh接入节点与高铁接入终端之间构成无线mesh网络，返回的数据通过高铁接入终端传输给移动终端。

在一个实施例中，所述移动通信方法还包括：

当所述服务端数据未送达移动终端时，获取所述移动终端的当前mesh接入节点，向所述当前mesh接入节点转发所述移动终端的数据请求；

所述当前mesh接入节点获取本地缓存的所述服务端数据或者获取邻居mesh接入节点的缓存的所述服务端数据，通过所述高铁接入终端向所述用户终端转发所述服务端数据；所述邻居mesh接入节点为：所述移动终端的数据请求被转发到所述当前mesh接入节点之前，所发送到的mesh接入节点。

本实施例中，如果移动终端没有在初次发送数据请求的mesh接入节点范围内收到数据，而又移动到下一个mesh接入节点上，则需要重新发送请求将数据到当前所在的mesh接入节点，即当前mesh接入节点；所述当前mesh接入节点从离自己最近的一个mesh接入节点获取缓存的服务端数据，然后通过tat传输给移动终端；若所述当前mesh接入节点就是返回路径上的节点，则由于所述高铁移动通信系统中所有的网络实体都具有缓存功能，因此可以直接将本地缓存的服务端数据返回给所述移动终端。

在一个实施例中，切换过程是这样的：根据选择的无线传输协议设置合适的重叠区域，使mesh接入节点的服务范围互相覆盖。高铁接入终端在两个mesh接入节点重叠区域时需要选择连接哪个mesh接入节点，高铁接入终端依据自身当前移动速度判断与哪个mesh接入节点连接后的传输速度更高，然后选择传输速度更高高的进行连接。当高铁接入终端自身当前移动速度大于设定阈值时，切换到下一mesh接入节点；或者当自身的传输速度与所当前连接的mesh接入节点的传输速度相同时，切换到下一mesh接入节点。

图1为本发明所述高铁移动通信系统示意图，portala和portalb表示mpp，mapa1、mapa2、mapb1和mapb2构成map，tat表示高铁终端节点，移动终端通过tat接入网络。mpp通过有线接入网络，其它网络节点无法直接接入网络。

图2为本发明数据请求过程示意图。移动终端用户通过tat发送请求，如果用户没有在当前map获得数据，且移动下一个map，则只需要在下一个节点重新发送请求至map，由于节点都具有缓存功能，只需要在相邻的map就可以获取到数据，进而降低数据延迟。

图3a和图3b为本发明数据分发过程示意图。由于ndn网络所有节点具有缓存功能，所以数据分发有两种情况，如果所请求的数据已经缓存到当前的map，则直接从当前的map获取数据，如图3a所示；如果数据没有在当前的map获取到，则需要重新发送数据请求到下一跳map，所述下一跳map从相邻map获取返回数据，或者从上一跳map获取返回数据，最差则需要从服务端重新拉取数据，如图3b所示。

图4为本发明切换过程示意图。如果tat在当前的map未获得返回数据，且移动到下一跳map，则tat只需要在下一跳map重新发送数据请求，返回数据即可从所述下一跳map获取或者从相邻的map获取。

本发明是一种可支持高带宽的高铁移动通信系统和方法，结合ndn和wmn架构的优势，设计一种支持高速环境下高速访问网络架构，以解决由于移动终端高速移动导致的网络速度慢，无法连接网络，数据延迟大，以及切换代价高等问题。首先利用ndn架构以解决移动终端移动性问题，由于ndn通过名字进行数据的请求和路由，不需要对移动端的ip地址进行分配、管理以及网络地址转换等，无缝支持移动终端的频繁切换，有效解决由移动性引起的问题。同时所有的网络节点都带有缓存的功能。将网络节点按照wmn架构进行组网，进而提高移动环境网络的可靠性和灵活的拓展性。

本发明结合ndn和wmn架构各自的优势，有效解决高速移动性问题，同时利用ndn缓存机制，降低数据延迟并减轻服务端的压力。利用wmn架构的自组织和自恢复优势，使得高速环境移动终端接入更加灵活和健壮，且后期维护成本较低。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。