TWI469675B - 無線自組網路的快速部署裝置及方法 - Google Patents

Description

無線自組網路的快速部署裝置及方法 【相關申請案】

本發明係關於並主張2011年9月13日由申請人智格網信息科技(上海)有限公司及上海智格網通訊科技有限公司所申請，標題為「無線自組織網絡的快速部署方法及裝置」之中國專利案申請號201110269225.3以及2011年9月13日由申請人智格網信息科技(上海)有限公司及上海智格網通訊科技有限公司所申請，標題為「無線自組織網絡的快速部署裝置」之中國專利案申請號201120341668.4。

本發明係關於無線網路快速部署技術，具體而言，係關於無線自組網路的快速部署方法及裝置。

近年來，地震、火災、海嘯等重大災難性突發事件時常發生，導致通訊基地台瞬間癱瘓，而複雜的地勢又使得衛星通訊車無法接近現場，使得傳统的通訊手段和組網技術已無法滿足快速有效應對突發事件的需求。無線自組網路以其獨立性、多 跳性、自組性、自愈性、移動性等特點在應急通訊保障中異軍突起，得到越來越廣泛的應用。

無線自組網路的拓樸通常為無線鏈路的多次中繼，並且節點的位置可能會隨機變化，如圖10所示。而節點間的無線信號質量會因節點位置的變化、無線干擾以及地形等因素的影響而發生快速且無法预測的變化，如圖11所示。

無線自組網路的實際使用者(如警察、消防隊員等)通常没有足夠的無線經驗，往往花費很長時間也無法進行節點的有效部署，即使部署成功，後續也可能出現由於節點的移動，導致先前部署失效的情况。因此，此領域迫切需要發展一種無線自組網路的快速部署方法，從而在突發事件應急通訊保障中發揮重要的作用。

一般無線自組網路中的節點到參考點需要通過多次無線鏈路中繼，且該節點到參考點的最佳傳輸路徑會因位置的變化而有所改變。參照圖1，其繪示從時間點1到時間點2各節點位置的相互變化，其中節點A為指定的參考點。在此範例中，任一節點(如節點E)到參考點A的傳輸路徑隨時都有可能變動，例如，在時間點1，節點E可透過節點C與參考點A通訊，但是在時間點2，節點E則需先經過節點B(或節點D)，再通過節點C才能與參考點A通訊。

在判斷無線鏈路多次中繼後的連通性時，如果僅考量到鄰居節點的連通性(即無中繼的情況)，容易出現錯誤的判斷。參照圖2，其繪示從時間點1到時間點2各節點間連通性的變化。如圖2所示，在時間點1，恰好所有節點都處於互連的狀態，節點E通過到節點C的連通性判斷，認為到參考點A是可以通訊的。由於習知節點僅判斷自己到鄰居節點的連通性，在移動中很容易發生如時間點2所示的情况，即節點B、D、E與參考點A和節點C已經脫離，而節點E卻始終認為到參考點A是可以通訊的。

因此，本技藝需要一種有效方法，能克服現有技術中這種缺失，達到快速部署的目的。

本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種傳輸一節點到其參考點的最佳路徑之成本序列以及量化此節點到其參考點經過多次無線中繼的鏈路質量的裝置及方法，進而提供一種可靠且有效的連通性指示。同時，本發明將連通性狀況量化為多個级别，以一種直觀的方式顯示给用户，藉此，使用者在進行節點部署的同時，可觀察連通性狀況，以判斷自己所處的位置是否能夠與參考點獲得較好的通訊質量，進而達成快速部署節點的優勢。

本發明之一面向，係提供一種無線自組網路的快速部署裝置，其包含：一控制單元，係具有一快速部署資訊字段設置模塊；一無線通訊單元，係與控制單元相連，此無線通訊單元廣播一鄰居信令(neighbor beacon)給至少一鄰居節點，其中快速部署資訊字段設置模塊在鄰居信令中擴展設置一快速部署資訊字段，以供傳輸一快速部署資訊，以及其中快速部署資訊包含至一參考點的一成本(cost)序列。

本發明之另一面向，係提供一種無線自組網路的快速部署方法，其包含：在一網路中指定一參考點；廣播一本節點的一鄰居信令給至少一鄰居節點；在鄰居信令中，擴展設置一快速部署資訊字段；在快速部署資訊字段中填入一快速部署資訊，其中快速部署資訊包含本節點到參考點的一成本(cost)序列；以及根據至少一鄰居節點的快速部署資訊，週期性地更新本節點的快速部署資訊。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下结合實施例和附圖，對本發明實施例做進一步詳細說明。熟此技藝者當知，本發明的示意性實施例及其說明僅用於解釋本發明，但並不限定本發明的範圍。

本發明較佳係透過傳輸一節點到其參考點的最佳路徑之成本序列，以及量化此節點到其參考點經過多次無線中繼的鏈路質量，進而提供可靠且有效的連通性指示，同時本發明將連通性狀況量化為多個级别，並以一種直觀的方式顯示给用户，藉此，使用者在進行節點部署的同時，可觀察連通性狀況，以判斷自己所處的位置是否能夠與參考點獲得較好的通訊質量，進而達成節點的快速部署。

參照圖3，其繪示本發明之一實施例中一無線自組網路的快速部署裝置之方塊圖。在本發明之一實施例中，本裝置300包含一控制單元310，如圖3所示。在此實施例中，控制單元310包含一中央處理器311，設置於主電路板上。在本發明之一實施例中，本裝置300亦包含一無線通訊單元320，係可透過主電路板的PCI總線與控制單元310相連接。在一實施例中，本發明的無線通訊單元320係可選擇一無線射頻網卡，以接收及/或發射無線信號，例如，廣播一鄰居信令。

在本發明之一實施例中，本裝置300亦包含一介面單元330，係與主電路板上的控制單元310相連接。根據本發明，介面單元330係可與外部設備進行連接。舉例而言，本發明之介面單元330可以10/100/1000M自適應乙太網埠、或以其他實現通訊連接的埠實施。

在本發明之一實施例中，本裝置300亦包含一無線鏈路質量指示單元340，係與主電路板上的控制單元310相連接。根據本發明，無線鏈路質量指示單元340係可用於指示無線鏈路連接質量。舉例而言，本發明之無線鏈路質量指示單元340可以多個LED、或液晶顯示螢幕等能夠表示出鏈路連接狀況的輸出設備實施。

參照圖4，其繪示本發明之一實施例中，控制單元310可進一步包含的元件。如圖4所示，在本發明之一實施例中，控制單元310更可包含一參考點確定模塊412，係與中央處理器311相連。根據本發明，參考點確定模塊412係可在網路中指定一參考點，如圖1中的參考點A。根據本發明，在無線自組網路節點部署的過程中，經參考點確定模塊412指定一個參考點後，每個節點關注的即是到該參考點的連通性狀況。舉例而言，在應急通訊應用中，參考點通常為距離指揮中心最近的節點，這個參考點在網路中是唯一的。

通常在一無線自組網路中，可與一節點直接通訊的節點稱作鄰居節點，而節點間係透過週期性地傳輸鄰居信令(neighbor beacon)來維護節點間的關係。換句話說，鄰居關係是無線自組網路的基礎。本發明即係利用既有的鄰居信令來傳輸快速部署資訊。

在本發明之一實施例中，控制單元310可包含一快速部署資訊字段設置模塊413，係可在每個節點的鄰居信令中，擴展設置一快速部署資訊字段，以傳輸快速部署資訊，其中快速部署資訊可包含本節點到其參考點的一成本序列。在本發明之一實施例中，快速部署資訊字段設置模塊413係與中央處理器311相連。

根據本發明之一實施例，一成本(cost)值係定義為從發送節點傳送資料到目的節點所佔用的媒質時間，實際上即係鏈路頻寬的反應，而一節點到其鄰居節點的cost值即可係依靠該節點週期性地對其鄰居節點進行評估而取得，也就是說，每一個節點會維護一個鄰居列表以及到這些鄰居的cost值。

根據本發明之一實施例，成本(cost)序列是指從當前節點到參考點的一較佳資料傳輸路徑(較佳係一最佳路徑)上，每一次中繼的cost值所組成的序列。本發明可利用既有的鄰居信令來傳輸任一節點到參考點的cost序列，作為傳輸快速部署資訊的方式，僅會增加很小的鄰居協議開銷，因為新增快速部署資訊字段的鄰居信令較原始的鄰居信令略長，但不會產生不必要的路由協議開銷，所以不會佔用資料發送的頻寬，且通常鄰居信令發送的週期都較短，因此快速部署資訊的傳遞具有很好的即時性。

在本發明之一實施例中，快速部署資訊字段設置模塊413在鄰居信令中添加如下範例擴展字段，以發布自己到參考點的cost序列，如下表所示：

在應急場景中，通常節點到參考點需經過多次無線鏈路的中繼，由於即時頻寬測試代價高、效率低，因此本發明使用一種快速、高效、網路資源佔用低、節點運算量少的方法進行頻寬的大體評價。為使評價结果直觀、易於理解，並方便量化指示，本發明將節點到參考點的最佳路徑的cost序列(X ₁,X ₂,...,X _n )透過一多跳路徑綜合評價算法轉化為單個標量(X _δ )。

參照圖5，其繪示本發明之一實施例透過多跳路徑綜合評價算法量化節點到參考點的最佳路徑的cost序列的一示意圖。在此範例中，A為參考點，E點到A點的cost序列中(X₁指Cost_E-D，X₂指Cost_D-C，X₃指Cost_C-B，X₄指Cost_B-A)，如圖5所示。在本發明之一實施例中，每一次中繼的cost值可定義為資料從發起節點到達目的節點所需要的一時間參數。此時間參數可根據一無線狀態、一網路流量、一封包大小、一資料傳輸率、或任一结合者的影響而有所改變。然而，熟此技藝者當知，本發明之cost值並不限定於發起節點到目的節點所需要的時間參數，任何可代表節點間的連通性的參數皆在本發明之範疇。

根據本發明，無線自組網路的通訊具有二項特點，即水桶效應與兩跳減半。在水桶效應下，多次中繼通訊中，如果出現任意一次中繼的cost值(X)極大時(例如大於1024或2047)，會大大地降低整體頻寬，而在兩跳減半的情況下，多次中繼通訊的前兩次中繼必然處於半雙工狀態，頻寬減半。

因此，本發明考量上述特點設計多跳路徑综合評價算法如下：當cost序列中存在大於等於Cmax(成本最大值)的資料時，X _δ 趨近於無窮大；當cost序列中的所有資料都小於Cmax時，按如下方法進行計算：cost序列中的前兩個資料獨立加和(X₁+X₂)，計入X _δ 中，其餘資料計算平均值與其正偏差調整之和(調整系數D)，計入X _δ 中： 其中Cmax和D可根據實際情況調整。

根據本發明的一實施例，要使用多跳路徑综合評價演算法，每個節點必須即時了解自身到參考點的較佳路徑(較佳地係了解自身到參考點的最佳路徑)的cost序列，並且根據算法得到一個大略的頻寬評價值。

本發明係利用既有鄰居信令來傳輸到參考點的cost序列，已如上述。如果使用傳輸資料的方式來傳遞cost序列，會佔用普通資料的頻寬，而且要求信息越即時，則佔用的頻寬會越大；同時每個節點都需要維護到達參考點的路由，由此產生的路由協議開銷十分可觀，且是不必要的。

回到圖4，在本發明之一實施例中，控制單元310更可包含一初始化模塊414，係與中央處理器311相連接。在本發明之一實施例中，初始化模塊414係負責對每個節點的快速部署資訊字段進行初始化。

舉例而言，初始化模塊414可將參考點的htd_total(即中繼次數)域初始化為0，無cost值位，藉此非參考點可透過htd_total=0來辨識參考點。另一方面，初始化模塊414可將非參考點的htd_total域初始化為255，無cost值位，以表示不存在到參考點的路徑。

參照圖6，其描述本發明之一範例初始化的階段，其中參考點A的htd_total為0，而非參考點(節點B、C、D、E)的htd_total為255。

回到圖4，在本發明之一實施例中，控制單元310更可包含一快速部署資訊更新模塊415，亦係與中央處理器311相連接。根據本發明，快速部署資訊更新模塊415係可在每個節點接收鄰居信令，並更新鄰居節點的快速部署資訊。根據本發明，每個節點都會不斷的接收到鄰居節點發送的鄰居信令，並保存其中包含的快速部署資訊，以更新本節點的快速部署資訊。

舉例而言，節點A在某個時間點，其鄰居節點有B、C、D，因此節點A會保存節點B、C、D到參考點的快速部署資訊，並且不斷的更新。如下表所示：

在本發明之一實施例中，控制單元310更可包含一成本(cost)值更新模塊416，係與中央處理器311相連。根據本發明， cost值更新模塊416係負責週期性的替節點更新到鄰居的cost值。舉例而言，節點A在某個時間點，其鄰居節點有B、C、D，則節點A會維護一個類似如下內容的表：

在本發明之一實施例中，cost值係可為資料從發起節點到達鄰居節點所需的時間參數，然，熟此技藝者所知的其他參數亦可作為本發明中的cost值。

在本發明之一實施例中，控制單元310更可包含一快速部署資訊填充模塊417，係與中央處理器311相連。根據本發明，快速部署資訊填充模塊417係負責填充最新的快速部署資訊並發送鄰居信令，其中最新快速部署資訊可包含最優鄰居的快速部署資訊。在本發明之一實施例中，每個節點可週期性的發送鄰居信令。在發送鄰居信令時，需結合先前步驟中的資訊，以進行快速部署字段的填充。

在本發明之一實施例中，節點發送鄰居信令時，會查看鄰居表中的相關信息，快速部署資訊中htd_total=255(即中繼次數 =255)的鄰居不在選擇範圍內，設該節點到某鄰居的cost值為Cn，且記錄有該鄰居發送的有效的至參考點的cost序列(X1，X2，......，Xn)，分別計算每一個鄰居的，其中總和最小的鄰居係稱作最優鄰居。在鄰居信令中：Htd_total域=最優鄰居的htd_total+1

Cost序列：使用最優鄰居的Cost序列，並在序列頭部添加自己到最優鄰居的cost值。

如前述，節點A在這一時間點發送鄰居信令時，其快速部署字段中的htd_total=2+1=3；cost序列為(Cn(B),B1,B2)。

如果最優鄰居的htd_total突然增加至255，則在一段時間內(如1秒)，在發送鄰居信令中標識自己無法到達參考點，即最佳路徑不存在；在過了這段時間後，再重新進行最優鄰居的選擇。

如果一段時間內(如1秒)內都未收到最優鄰居的鄰居信令，則按照上一步進行操作。

參閱圖7和圖8，其繪示本發明之一實施例中快速部署資訊填充模塊417填充最新的快速部署資訊的運作。

在此範例中，假設目前網路內有5個節點，即A、B、C、D、E，其中A為參考點，圖中有連線者表示節點間互相可見，連線上的數值表示節點間的cost值。

圖7描述參考點A的鄰居(即可以直接通訊的節點)B、C收到參考點A發出的鄰居信令後，更新自己的鄰居信令中的內容。

圖8描述離參考點次遠的節點更新cost序列內容。對於節點E而言，其可同時收到節點B和C發出的鄰居信令，通過B：Cn=80，，節點E到參考點A的cost值總和為95；通過C：Cn=30，，節點E到參考點A的cost值總和為50，因此，節點E選擇節點C的cost序列進行更新鄰居信令。根據本發明，以上步驟都是以很小的週期快速進行更新資料，即時反映網路的情況。

回到圖4，在本發明之一實施例中，控制單元310更可包含一評價及指示模塊418，係分別與中央處理器311和無線鏈路質量指示單元340相連接。根據本發明，評價及指示模塊418係負責週期性進行一節點至參考點的連通性評價及指示，並透過無線鏈路質量指示單元340，將處理結果以例如標量方式顯示出來，以對用戶進行直觀的指示。

在本發明之一較佳實施例中，每個節點可查詢計算出至參考點的最佳路徑。根據本發明之一較佳實施例，如果一節點查出其存在最佳路徑，則利用多跳路徑綜合評價演算法，對本節點到參考點的連通性情況進行一個量化計算，即從一個cost 序列，變為一個標量的值對用戶進行指示。舉例而言，本發明可以透過節點的設備面板的LED指示燈，進行多級指示，或者如手機信號一樣，進行多級指示，或者以其他用戶易於理解的方式進行指示。比如使用4個LED指示燈進行5級指示。

根據本發明之一較佳實施例，如果一節點查出其不存有最佳路徑，也就是判斷節點到參考點的中繼次數還是初始化設置的255，則判定最佳路徑不存在，並顯示為該節點到參考點的路徑不通。

參閱圖9，係繪示本發明之一實施例中無線自組網路的快速部署方法的流程圖。如圖9所示，本方法始於步驟900。於步驟910，參考點確定模塊(例如圖4中的參考點確定模塊412)在網路中指定參考點，如圖1中的參考點A。在本發明之一實施例中，在網路中的每一節點可週期性地廣播本節點其鄰居信令給鄰居節點，以告知本節點到此參考點的連通性。

接著，於步驟920，快速部署資訊字段設置模塊(例如圖4中的快速部署資訊字段設置模塊413)在每個節點的鄰居信令中擴展設置快速部署資訊字段。在本發明之一實施例中，此快速部署資訊字段可填入一快速部署資訊，係可包含本節點到參考點的一成本序列。於步驟930，初始化模塊(例如圖4中的初始化模塊414)初始化快速部署資訊字段。如前述，初始化模塊414可將參考點的htd_total(中繼次數)域初始化為0，無cost值 位，藉此非參考點可透過htd_total=0來辨識參考點。另一方面，初始化模塊414可將非參考點的htd_total域初始化為255，無cost值位，以表示不存在到參考點的路徑。

爾後，於步驟940，每個節點中的快速部署資訊更新模塊(例如圖4中的快速部署資訊更新模塊415)接收鄰居節點所發送的鄰居信令，保存此鄰居信令中所包含的快速部署資訊，並更新本節點的快速部署資訊。於步驟950，cost值更新模塊(例如圖4中的成本值更新模塊416)更新本節點到鄰居的cost值。在一實施例中，所述cost值為資料從發起節點到達鄰居節點所需的時間參數。接著，於步驟960，快速部署資訊填充模塊(例如圖4中的快速部署資訊填充模塊417)填充最新的快速部署資訊並發送鄰居信令。如前述，參考點A的鄰居(即可以直接通訊的節點)B、C收到參考點A發出的鄰居信令後，更新自己的鄰居信令中的內容。在本發明之較佳實施例中，對於離參考點次遠的節點而言，則選擇最優鄰居的cost序列進行更新鄰居信令。

接著，於步驟970，評價及指示模塊(例如圖4中的評價及指示模塊418)週期性進行至參考點的連通性評價及指示。在本發明之一實施例中，週期性地對參考點的該連通性進行評價及指示可包含根據到達參考點的一中繼次數判斷是否存在一最佳路徑，如果存在最佳路徑，則將成本序列轉換為一標量數值 予以顯示；如果不存在最佳路徑，則顯示到達參考點的路徑不通，並透過無線鏈路質量指示單元340，將處理結果顯示出來，以對用戶進行直觀的指示。在本發明之一實施例中，標量係透過一多跳路徑綜合評價算法算出產生，以及標量可以多級方式指示進行輸出，已如上述。本方法於步驟980結束。

本發明之無線自組網路的快速部署裝置與方法，有效的對節點進行快速部署，包括對多次中繼的無線鏈路進行量化評估，節點間量化信息的傳遞，使得無線自組網路中的節點具有即時的連通性指示，方便使用者進行節點的快速部署。本發明具有指示精準，即時性高及較低的額外開銷的優勢。

本發明已透過以上具體實施例作一詳細說明，惟以上所述者，僅用以說明本發明的較佳實施例，並不能限定本發明的實施範圍。即凡依本發明權利要求所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明專利涵蓋範圍內。

300‧‧‧無線自組網路的快速部署裝置

310‧‧‧控制單元

311‧‧‧中央處理器

320‧‧‧無線通訊單元

330‧‧‧介面單元

340‧‧‧無線鏈路質量指示單元

412‧‧‧參考點確定模塊

413‧‧‧快速部署資訊字段設置模塊

414‧‧‧初始化模塊

415‧‧‧快速部署資訊更新模塊

416‧‧‧成本(cost)值更新模塊

417‧‧‧快速部署資訊填充模塊

418‧‧‧評價及指示模塊

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明的限定。在附圖中：圖1係本發明之一實施例中一無線自組網路的示意圖；圖2係本發明之另一實施例中一無線自組網路的示意圖； 圖3係本發明之一實施例中一無線自組網路的快速部署裝置的方塊圖；圖4係本發明之一實施例中一控制單元的方塊圖；圖5係本發明之一實施例中一無線自組網路的快速部署方法所使用之一範例cost序列的示意圖；圖6係本發明之一實施例中一初始化階段各個節點快速部署資訊的示意圖；圖7係本發明之一實施例中離參考點最近的節點最先獲得有效更新的示意圖；圖8係本發明之一實施例中離參考點次近的節點獲得更新的示意圖；圖9係本發明之一實施例中無線自組網路快速部署方法的流程圖；圖10係本發明之一實施例中無線自組網路的節點位置隨機變化的示意圖；以及圖11係本發明之一實施例中無線信號快而無序的變化態勢的示意圖。

310‧‧‧控制單元

311‧‧‧中央處理器

412‧‧‧參考點確定模塊

413‧‧‧快速部署資訊字段設置模塊

414‧‧‧初始化模塊

415‧‧‧快速部署資訊更新模塊

416‧‧‧成本(cost)值更新模塊

417‧‧‧快速部署資訊填充模塊

418‧‧‧評價及指示模塊

Claims (8)

1. 一種無線自組網路的快速部署方法，該方法包含：在一網路中指定一參考點；廣播一本節點的一鄰居信令給至少一鄰居節點；在該鄰居信令中，擴展設置一快速部署資訊字段；在該快速部署資訊字段中填入一快速部署資訊，其中該快速部署資訊包含該本節點到該參考點的一成本(cost)序列；以及根據該至少一鄰居節點的該快速部署資訊，週期性地更新該本節點的該快速部署資訊；週期性地對該參考點的一連通性進行評價及指示，其中週期性地對該參考點的該連通性進行評價及指示包含根據到達該參考點的一中繼次數判斷是否存在一最佳路徑，如果存在該最佳路徑，則將該成本序列轉換為一標量予以顯示；如果不存在該最佳路徑，則顯示到達該參考點的路徑不通，以及其中該標量係透過一多跳路徑綜合評價算法算出，該多跳路徑綜合評價算法的公式為： 其中D為一調整係數，X為一成本值，Cmax為一成本最大值。
2. 如請求項1所述的方法，其中該參考點是唯一的參考點。
3. 如請求項1所述的方法，其中該成本序列係由該本節點到該參考點的一最佳路徑中，每一中繼的一成本(cost)值所組成，其中該成本值為一資料從一發送節點到一目的節點所需的一時間參數。
4. 如請求項1所述的方法，更包含初始化該快速部署資訊字段，以將該參考點的一中繼次數設置為0，該成本值設置為空；以及將一非參考點的該中繼次數設置為255，該成本值設置為空。
5. 如請求項1所述的方法，其中更新該快速部署資訊包含不斷接收該鄰居節點所發送的該鄰居信令，並保存該鄰居信令中所包含的該快速部署資訊。
6. 如請求項1所述的方法，其中若該中繼次數為255，則判定為不存在該最佳路徑。
7. 如請求項1所述的方法，更包含週期性地更新該本節點到該至少一鄰居節點的該成本值。
8. 如請求項1所述的方法，更包含輸出該標量，其中該標量可以多級方式指示。