无线网络系统与无线网络连线方法与流程

本发明涉及无线网络，特别涉及无线网络系统及其连线方法，此无线网络系统中的网络装置可因应网络环境变化，重新选择链结的标的，以与网络基站保持连线。

背景技术：

无线网状网络意指在网络中允许网络装置通过动态路由的方式进行数据的传输。当网络中的某网络装置失去网络连线能力时，其他网络装置可选择其他路由持续进行数据传输。在此种网络中，网络装置允许使用跳跃(hopping)的方式传输数据，亦即通过其他的网络装置将数据传递至预设的目的地。

无线网状网络中网络装置可有多重路由可选择，但每一路由的通信状况可能不一，甚至有可能断线无法进行通信。路由的选择与维护可影响整体网络的效能。

技术实现要素：

本发明提供一种无线网状网络系统与其动态路由建立与维护的方法，以解决上述问题。本发明无线网络系统包括：一网络基站(ap)；多个网络装置(n1～nn)，每一该等网络装置(nx，x＝1～n)可直接连线该网络基站、或经由该等网络装置中其他的一至多个网络装置(nk，k≠x)而间接连线至该网络基站。其中，每一该等网络装置具有设定好以直接连线该基站的连线路由(rx-x)、或以间接连线至该基站的连线路由(rx-k)、并且具有对应于该连线路由(rx-x、或rx-k)的连线路由权重值(wx-x、或wx-k)。该系统亦包括一第一网络装置，取得分别链结该网络基站(ap)和每一该等网络装置(nx)的多个信号强度值(rssi0和rssi1～rssin)，且依据该等信号强度值(rssi0和rssi1～rssin)与该等连线路由权重值(wx-x和wx-k)，得出分别对应于该网络基站和每一该等网络装置的多个路由决定值(rw0和rw1～rwn)，并选择具有该等路由决定值中(rw0和rw1～rwn)的最大者所对应的该网络基站(ap)或一网络装置(nx，x＝1～n)作为链结的标的。

本发明还提供一无线网络连线方法，适用于包括一网络基站(ap)，多个网络装置(n1～nn)以及一第一网络装置的无线网络系统。其中每一该等网络装置(nx，x＝1～n)可直接连线该网络基站、或经由该等网络装置中其他的一至多个网络装置而间接连线至该网络基站。该无线网络连线方法，包括：使每一该等网络装置具有设定用以连线至该基站的连线路由(rx-x)、或间接连线至该基站的连线路由(rx-k)、并且具有对应于该连线路由(rx或rx-k)的权重值(wx-x或wx-k)。由该第一网络装置，取得分别链结该网络基站(ap)和每一该等网络装置(n1～nn)的多个信号强度值(rssi0和rssi1～rssin)。由该第一网络装置依据该等信号强度值(rssi0和rssi1～rssin)与该等连线路由权重值(wx-x、或wx-k)，得出分别对应于该网络基站和每一该等网络装置的多个路由决定值(rw0和rw1～rwn)。由该第一网络装置选择具有该等路由决定值中(rw0和rw1～rwn)的最大者所对应的一网络装置(nx，x＝1～n)或该网络基站(ap)作为该第一网络装置的链结标的。

附图说明

图1a～图1d为依据本发明实施例的一无线网络范例系统的连线状态图。

图2为一现时信号强度值总和rssi(t)与其指数移动平均ea(t)的比较范例图。

图3为一无线网络系统中的一网络装置无法连线至网络基站的范例系统。

图4为用于本发明的wifi规格的信标分组的示意图。

图5为依据本发明实施例的无线网络连线方法。

图6a～图6h为依据本发明的网络连线方法的网络系统的连线状态示意图。

图7是依据本发明实施例的网络装置的电路方块示意图。

【符号说明】

100～无线网络系统

ap～网络基站

n1～网络装置

n2～网络装置

n3～网络装置

n4～第一网络装置

ub～既定上限

lb～既定下限

rssi(t)～信号强度值总和

e(t)～信号强度值总和的指数移动平均值

400～信标分组

402～表头

404～讯息主体

406～错误验证码

408～连线路由权重值

410～连线状态

500～连线方法

502-516～执行步骤

700～网络装置

702～处理装置

704～天线

706～存储装置

708～接收发送装置

具体实施方式

图1a至图1d显示依据本发明实施例的一无线网络范例系统的连线状态图。无线网络系统100包括一网络基站ap、三个网络装置n1、n2、n3以及一欲连线至网络基站ap的第一网络装置n4。在此实施例中，为说明简便起见，无线网络系统100中仅举例公开4个无线网络装置n1～n4，但是并非限定于此。

无线网络系统100中，每一该等网络装置nx(x＝1～3)分别具有设定好以直接连线至该基站ap的连线路由(rx-x)、或经其他网络装置(nk，k≠x)以间接方式连线至该基站ap的连线路由(rx-k)，并且具有对应于该连线路由(rx-x、rx-k)的权重值(wx-x、wx-k)。

参照图1a，以网络装置n1为例，若网络装置n1设定为直接连线该基站ap，则具有路由r1-1；若设定为经其他网络装置n2(或n3)以间接方式连线至该基站ap，则具有路由r1-2(或r1-3)。在图1a，网络装置n1和n2分别设定为直接连线该基站ap，因此网络装置n1具有路由r1-1，而网络装置n2具有路由r2-2。网络装置n3为通过网络装置n2间接连线至网络基站ap，因此网络装置n3具有路由r3-2。网络装置n1、n2与n3分别具有对应于其连线路由r1-1、r2-2与r3-2的连线路由权重值w1-1、w2-2与w3-2。在一具体实施例中，若一网络装置直接与网络基站ap连接。则该网络装置的路由权重值为该网络装置与网络基站ap之间的信号强度值(rssi)。

第一网络装置n4为可直接连线至网络基站ap，或通过链结至网络装置n1、n2或n3而间接连线至网络基站ap的无线网络装置。该第一网络装置n4可藉由取得自身分别与网络基站ap及网络装置n1～n3间的多个信号强度值rssi0及rssi1～rssi3，以及网络装置n1、n2、n3的连线路由权重值w1-1、w2-2、w3-2，进而计算出分别对应于网络基站ap和每一个网络装置n1～n3的路由决定值rw0和rw1～rw3。该第一网络装置n4并且选择该等路由决定值中最大值所对应的网络基站ap或网络装置n1、n2或n3之一作为链结的标的。

参照图1a，网络装置n3，依其对应的连线路由r3-2先通过网络装置n2进而连线至该基站ap。该网络装置n3的连线路由权重值w3-2取决于a×rssi3-2+b×w2-m；其中，rssi3-2为该网络装置n3和该网络装置n2之间的信号强度值，而且w2-m为该网络装置n2与网络基站ap直接连线、或通过又另一网络装置(nm，m≠2)而间接连线的连线路由权重值，且a和b的和为1；在此以a＝2/3，b＝1/3为例，但是并非限定于此。在此实施例中，网络装置n2并未再通过另一网络装置nm(例如可以是n1)间接连接网络基站ap，而是直接与网络基站ap连接。因此，前述路由权重值w2-m为该网络装置n2与网络基站ap之间的信号强度值(rssi2)，在此实施例将其表示为w2-2。基于上述可知，该网络装置n3的连线路由权重值w3-2设定为a×rssi3-2+b×w2-2。举例来说，网络装置n2与网络基站ap之间的信号强度值(rssi2)亦即w2-2为92且rssi3-2为75，因此该网络装置n3的连线路由权重值为：

w3-2＝2/3×rssi3-2+1/3×w2-2

＝2/3×75+1/3×92＝80.67。

网络装置n1、n2为直接连线网络基站ap，因此对应其连线路由r1-1、r2-2的连线路由权重值w1-1、w2-2分别为网络装置n1、n2对应于网络基站ap的信号强度值rssi1、rrsi2，在此实施例中分别为93、92。

参照图1b，第一网络装置n4，取得分别链结该网络基站ap和每一该等网络装置n1～n3的多个信号强度值rssi0和rssi1～rssi3(在此实施例分别为40、63、73和42)，且依据该等信号强度值与该等连线路由权重值w1-1、w2-2和w3-2(在此实施例分别为93、92和80.67)，得出分别对应于该网络基站和每一该等网络装置的多个路由决定值(rw0和rw1～rw3)，并选择具有该等路由决定值中的最大者所对应的该网络基站(ap)或网络装置(n1～n3其中之一)作为链结的标的。

该第一网络装置n4对该网络基站ap、该网络装置(nx，x＝1～3)的路由决定值(rw0、rw1～rw3)对应于a×rssix+b×wx-k。参照图1b，在此实施例中，rssi0和rssi1～rssi3在此分别为40、63、73和42；该等连线路由权重值w1-1、w2-2和w3-2在此分别为93、92和80.67。因此，基于以下算式：

rw0＝rssi0＝40，

rw1＝2/3×rssi1+1/3×w1-1＝2/3×63+1/3×93＝73，

rw2＝2/3×rssi2+1/3×w2-2＝2/3×73+1/3×92＝79.33，

rw3＝2/3×rssi3+1/3×w3-2

＝2/3×rssi3+1/3×(2/3×rssi3-2+1/3×w2-2)

＝2/3×42+1/3×80.67＝54.89，

可知，具有最大路由决定值者是rw2，因此第一网络装置n4将选择网络装置n2作为链结的标的，进而通过网络装置n2而连线至网络基站ap。

图1c为第一网络装置n4链结至n2后的网络连线示意图。其中n1与n2为直接连线至网络基站ap，所以分别具有连线路由r1-1和r2-2、以及连线路由权重值w1-1和w2-2。n3与n4为通过n2间接连线至网络基站ap，分别具有连线路由r3-2和r4-2、以及连线路由权重值w3-2、w4-2，其中连线路由权重值w4-2的值即为其链结标的相对应的路由决定值rw2＝79.33。在此状态下网络基站a与n1～n4已为一所有连线路由皆建立完成的无线网络系统100，且n1～n4皆可做为其他网络装置的链结的标的。因此若有一第二网络装置(未图示)欲连线至网络基站ap，该第二网络装置可依循上述第一网络装置选择链结标的的同样方式，在网络基站ap与n1～n4中选择一最佳的链结标的。

本发明的无线网络系统可为一动态网络，其中的网络装置可改变在空间中的位置，且网络装置的数目也可能改变。网络装置移动会导致路由无线信道环境的改变，网络装置数目的改变也会造成网络中路由的新增与消失，因此本发明无线网络中的网络装置即使网络环境产生变化，例如移动或新增网络装置，亦能有效地重新连结至新的链结标的。图1d即为图1c范例系统中第一网络装置n4移动位置后的范例系统，而图1d范例系统中的第一网络装置n4可能已有更适合的链结标的，因此可重新依本发明所述的方发重新选择一新的链结的标的。

在图1d的范例系统中，网络装置n1～n3的路由权重值与图1a的范例系统相同，即w1-1＝93、w2-2＝92、w3-2＝80.67。而网络装置n4和网络基站ap、网络装置n1～n3间的信号强度分别为rssi0＝90、rssi1＝80、rssi2＝40、rssi3＝30。同上述教示的路由决定值决定方式可得图1d的范例系统中，网络装置n4对应ap102与n1～n3路由决定值分别为：

rw0＝rssi0＝90、rw1＝(2/3)×rssi1+(1/3)×w1-1＝(2/3)×80+(1/3)×93＝84.33、rw2＝(2/3)×rssi2+(1/3)×w2-2＝(2/3)×40+(1/3)×92＝57.33、rw3＝(2/3)×rssi3+(1/3)×w3-2＝(2/3)×30+(1/3)×80.67＝46.89。

因此在图1d的范例系统中，第一网络装置n4将选择网络基站ap作为新链结标的。

在一实施例中，第一网络装置n4可通过所接收的信号强度值(rssi0～rssi3)总和的一平均值以判断是否重新计算路由决定值以决定新的链结标的。第一网络装置n4可计算其信号强度值总和的指数移动平均ea(t)＝α×ea(t-1)+(1-α)×rssi(t)，其中ea(t-1)为前一次计算的指数移动平均，rssi(t)为现时接收的信号强度值总和，α为一介于0～1的常数。如果第一网络装置n4的现时信号强度值总和指数移动平均ea(t)超过一既定上限ub(upperbound)或低于一既定下限lb(lowerbound)，例如超出或低于一既定比例时，该第一网络装置n4重新计算其所有路由决定值并重新决定链结标的。使用指数移动平均的优点为可同时参照系统现时与过去时间点的状态，以作为是否重新选择链结标的的准则，可以避免单独使用rssi(t)可能造成的太过频繁链结标的选择，且指数移动平均中旧时信息的影响会呈现至指数性的降低，也可避免过时信息产生过多的影响。图2为一现时信号强度值总和rssi(t)与其指数移动平均ea(t)的比较范例图，由图可知如单纯考虑rssi(t)作为重新选择链结标的的准则，会较常出现超过上限ub和下限lb的情况，可能会导致太过频繁的链结标的选择，而使用指数移动平均ea(t)则可以降低链结标的选择的频率，并仍可准确判断出信号强度值总和的大幅度变化。

本发明的一实施例中，当无线网络系统中的第一网络装置n4与一网络装置例如网络装置nx间的已知信号强度rssix小于一既定值，则该第一网络装置n4可排除将该网络装置nx作为链结的标的。由上述教示可知，第一网络装置n4相对于网络装置nx的路由决定值rwx可由第一网络装置n4对网络装置nx的信号强度rssik与网络装置nx的路由权重值wx-k所得。但第一网络装置n4与网络装置nx之间过低的信号强度rssix即表示该第一网络装置n4与网络装置nx间无线信道的质量不佳，因此即有良好的路由权重值wx-k也无法确保整体连线路由的质量。因此，排除网络装置nx做为该第一网络装的链结标的。

本发明的一实施例中，若无线网络系统的一网络装置例如n2如果显示为状态异常，则该第一网络装置n4将排除网络装置n2作为链结的标的。状态异常的网络装置n2也许仍可连线至网络基站ap，但可能具有其他的风险，例如该网络装置已为恶意使用者所操控，而使用该网络装置作为链结的标的具有安全和隐私的顾虑，因此不适合做为链结标的。

图3为无线网络系统中的一网络装置无法连线至网络基站的范例系统，其中图3的无线网络系统连线与图1c的无线网络系统连线大致相同，但网络装置n2失去与网络基站ap的连线能力，而在网络装置n2重新计算路由决定值后，有可能会将网络装置n3作为链结标的。而n3将n4作为新的链结标的。此时如果n4重新计算路由决定值后仍将n2作为链结标的，即会形成一封闭路径，其中在此路径中n2～n4皆有链接标的可传递分组，但这些分组只会在封闭路径中循环但无法到达ap，反的n4将链结标的设为n1或ap即可解决此问题。因此，失去与网络基站连线能力的网络装置不可作为链结的标的。

本发明的无线网络系统(例如图1a所示的系统)的网络基站(ap)及网络装置(n1～n3、n4)，均可定期广播分组，例如wifi规格下的信标分组(beaconpacket)，以通知网络系统中的网络装置关于该网络基站或该等网络装置的更新信息。每一个网络装置(nx)发送的该广播分组包含的信息，例如为：该网络装置(nx)与该网络基站的连线状态、以及该网络装置(nx)连线至该网络基站的连线路由与连线路由权重值。图4是用于本发明的wifi规格的信标分组的示意图。其中信标分组(packet)400，包含表头(header)402、讯息主体(body)404与错误验证码(fcs)406。讯息主体(body)404可还包括连线路由权重值(weight)408和连线状态(connectionstatus)410。当连线状态410显示为无法连线至网络基站ap时，发出该信标分组的网络装置不可作为链结的标的。例如，第一网络装置n4收到自网络装置n2的信标分组400，而从讯息主体404的连线状态410得知网络装置n2无法与网络基站ap连线时，则将网络装置n2除而不作为链结标的。

图5为依据本发明实施例的无线网络连线方法，网络装置可因应网络状态变化而调整或更新连线状态。本实施例的无线网络连线方法500，例如应用于如图1c所示的无线网络系统。首先，前述无线网络系统的一网络装置(例如第一网络装置n4)定期接收来自网络基站ap与其他网络装置(n1～n3)发送的信标分组(步骤502)。

在步骤504中，第一网络装置n4依据原本链结标的所发送的信标分组判断该链结标是否可连线至网络基站。在此实施例中，第一网络装置n4依据所链结的网络装置n2所发送的信标分组的连线状态，判定网络装置n2是否可连线至网络基站ap。若判断为可连线至网络基站，进入步骤506；若判断为无法连线至网络基站ap，进入步骤508。

在步骤506中，第一网络装置n4计算接收的所有信号强度值总和的指数移动平均(图2，e(t))，若该指数移动平均大于一既定上限ub或小于一既定下限lb，进入步骤508；若该指数移动平均介于上述的上限与下限之间，则第一网络装置n4不需选择新的炼结标的，回到步骤502以等待接收下一个既定时间更新的信标分组。

在步骤508中，依据前述的方式，该第一网络装置n4重新计算与网络基站ap与其他网络装置n1～n3间的路由决定值(rw0与rw1～rw3)，并选择相对应该等路由决定值中最大者所对应的网络基站ap、或其他网络装置，作为链结的标的。

在步骤510中，该第一网络装置n4重新连线至网络基站ap。在步骤512中，该第一网络装置n4检测连线是否成功。若连线成功，则回到步骤502等待接收信标分组。若连线不成功，进入步骤514。

在步骤514中，该第一网络装置n4检查该重新连线是否逾期。该逾期可包括：尝试重新连线的次数超过一既定值，或自第一次尝试重新连线已超过一既定时间。若该第一网络装置n4判断重新连线未逾期，回到步骤510；若该第一网络装置n4判断重新连线已逾期，进入步骤516。

在步骤516中，该第一网络装置n4判断自身已无法连线至无线网络基站ap，并在后续广播的信标分组的连线状态显示为断线。该第一网络装置n4并可藉由硬件或软件的方式发出错误通知，例如：通过装置外部的错误警示灯，或通过软件通知使用者该网络装置已无连线至网络基站的能力，并回到步骤502以等待下一个既定时间更新的信标分组。

图6a至图6h显示依据本发明的网络连线方法的网络系统的连线状态示意图。在此等图中省略连线路由权重值与路由决定值的计算，仅显示路由建立后的网络连线状态。图6a是该无线网络系统的起始状态，包括一无线网络基站ap以及三个无线网络装置n1、n2、n3，其中该等网络装置n1、n2、n3的链结标的皆为网络基站ap。

若图6a的网络装置n3移动至一新的位置，通过依据本发明的连线方法(图1a～图1c所述的方式或上述本发明的连线方法500)，网络装置n3可决定其链结的新标的。依据本发明的连线方法，网络装置n3例如链结网络装置n2以连线至网络基站ap，而更新后无线网络的连线状态则如图6b所示。

若新增一网络装置n4至图6a的网络系统中，则n4依据本发明的连线方法(第1a～1c、图5)决定路由决定值后，例如选择网络基站ap为链结的标的，更新后的无线网络连线状态如图6c所示。

图6c中的网络装置n4若移动至一新的位置，通过本发明上述的连线方法，网络装置n4例如选择网络装置n2为链结的新标的，则更新后的无线网络的连线状态如图6d所示。

若图6d中的网络装置n4又移动至一新的位置，通过本发明上述的无线网络连线方法，网络装置n4例如选择网络装置n3作为链结的新标的，则更新后的无线网络的连线状态如图6e所示。

若图6e中的网络装置n4移动回如图6d的位置，通过本发明的上述无线网络连线方法，n4例如可重新链结回网络装置n2，则更新的无线网络连线状态如图6f所示，而图6f的无线网状网络即为图6d的无线网状网络。

若图6f中的网络装置n2无法连线至网络基站ap或是被移除时，原本通过网络装置n2连线至网络基站的网络装置n3和n4，可通过本发明的上述无线网络连线方法，重新决定其链结的新标的，例如，网络装置n3、n4分别以网络基站ap和网络装置n1作为链结的新标的，则更新后的无线网络连线状态如图6g所示。

当图6g中的网络装置n2恢复连线能力，网络装置n2，可通过本发明上述的无线网络连线方法，例如决定其链结的新标的为网络基站ap。网络装置n2和n3再通过信标分组的接收，可通过信标分组的接收并且进一步应用本发明上述的无线网络连线方法，例如均选择网络装置n2作为链结的新标的，则更新后的无线网络连线状态如图6h所示，而图6h的无线网络连线状态即为图6f的无线网状网络。

图7是依据本发明实施例的网络装置的电路方块示意图。在此实施例例中，网络装置700包括包括一天线702，一接收发送装置704，一处理装置706，以及一存储装置708。通过该天线702，该接收发送装置704可传送信标分组、信号及相关的讯息或信息给其他网络装置，或者接收来自其他网络装置所发送的信标分组、信号、及相关的讯息或信息。存储装置708可存储该网络装置700的配置数据、连线及路由相关数据等。该处理装置706，例如为中央处理器、微控器、或嵌入式控制器等，其可藉由硬件电架构本身、或是藉由载入既定程序，以使网络装置700执行本发明前述的无线网络连线方法，并且进行与其他网络装置或网络基站连线及通信。该存储装置708用以存储该网络装置700的配置信息、以及信标分组信息等，以及接收自其他网络装置的信标分组信息等。信标分组信息，例如可包括连线路由、连线路由权重值、路由决定值等信息等，但是并非限定于此。

本发明的网络装置可为一具有无线网络功能的电子装置，包括但不限于；无线网络路由器，智能手机、数字个人助理、手提计算机、平板计算机、个人计算机、服务器计算机，具有无线网络功能的智慧型家电，等等。

本发明的网络基站包括但不限于：具无线网络功能的数据机、无线接入点(wirelessaccesspoint)、无线网络路由器、移动通信基站、小型基站(smallcell)、微型基站(microcell)，等等。

本发明的无线网络系统可使用的无线网络规格包括但不限于：wifi，蓝牙无线通信、红外线、长期演进技术(lte)、wimax、wcdma、cdma2000、近场通信(nfc)、紫蜂(zigbee)以及其他已知的无线网络规格。

本说明的规范与图例应为举例教示而非限制作用。本领域技术人员在不脱离本发明及所附权利要求书的精神与范围内，当可做些许的更动与润饰。