專利名稱：基于TD-OFDMA的動態分層PMP/Mesh混合網絡系統及其超幀結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于通信技術領域，涉及PMP/Mesh混合網絡系統，特別是無線網絡拓撲結構和 幀結構的設計，用于民用通信、野戰通信、緊急搜救、臨時會議等所需的常規或緊急通。
背景技術：
通信網絡的拓撲結構與系統性能，如網絡容量、吞吐量、時延等密切相關。傳統的多小 區PMP系統，如圖1所示，該系統中由于有中心節點，如基站的調度與控制，在一定程度上 能夠很好的對通信資源做出合理的分配，同時能夠有效地避免各個通信節點的碰撞問題。然 而，正是因為中心節點有著極高的控制權，因此如果基站癱瘓，如軍事打擊或是自然災害或 是覆蓋范圍不足或容量過小，則會大大影響整個網絡的通信性能，網絡抗毀性很低。此外， 在PMP網絡中，用戶，即終端或站點必須首先訪問基站才能進行無線連接。因此，即使兩個 用戶實際上互相緊挨著，它們也必須通過基站才能進行通信，從而帶來不必要的網絡開銷， 降低資源利用率。
無線Mesh網絡，如圖2所示，它是一種大容量高速率的多點對多點網絡，是一種新型的 可以解決"最后一公里"瓶頸問題的分布式網絡。在無線Mesh網絡中，每個終端都具備路 由選擇的功能，而且每個終端只與其相鄰終端進行通信，各節點都可以充當其他節點的中繼 節點或協同通信節點。Mesh網絡具有自組織、自管理、自診斷和自恢復功能，因此有較高的 抗毀性，可廣泛應用于軍用通信和應急通信領域。Mesh網絡作為未來寬帶無線移動通信的一 項關鍵技術，已經逐步成為學術和企業界矚目的焦點。目前，基于無線局域網構建的Mesh 網絡巳投入試商用。
但是，由于基于無線局域網的單層扁平結構，使Mesh網絡并不能充分發揮其技術優勢， 因此它存在著以下不足
1. 不能顯著提高網絡容量，不能有效地管理和優化整個網絡資源，
2. 隱藏節點和入侵節點問題突出，影響網絡性能。
發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的缺點，提出一種基于TD-OFDMA的動態分層 PMP/Mesh混合網絡系統及其幀結構，以提高網絡容量，網絡抗毀性以及網絡覆蓋范圍，實 現整個網絡資源的有效地管理和優化；并減小隱藏節點和入侵節點對網絡性能的影響。為實現上述目的，本發明基于TD-OFDMA的動態分層PMP/Mesh混合網絡系統，包括無 線PMP/Mesh接入網和無線Mesh中繼網，該無線PMP/Mesh接入網包括一個基站、多個的 移動終端和，這些移動終端通過PMP/Mesh混合方式連接，并通過超幀傳輸信令與數據；該 無線Mesh中繼網，由基站通過無線鏈路構成上層通信網，以Mesh或PMP方式進行各個基 站之間的互聯與互通。
所述的混合網絡系統，其中接入網中每個終端節點選用以PMP方式，利用網絡超幀中 的PMP部分，通過所屬基站訪問核心網或與其他小區節點通信。
所述的混合網絡系統，其中接入網中每個終端節點選用以Mesh方式，利用網絡超幀中 的Mesh部分，與小區內其它節點直接進行數據交換或協同中繼傳輸。
所述的混合網絡系統，其中接入網的移動終端通過分布式中間節點的多跳中繼的 PMP/Mesh混合方式，與基站或其他節點超視距節點之間的進行通信，實現對網絡覆蓋范圍 的擴展。
所述的混合網絡系統，其中接入網的每個終端節點根據需要都能夠動態充當PMP/Mesh 混合網絡的臨時基站，以在無需網絡基礎設施支持條件下，提高網絡抗毀性。
為實現上述目的，本發明基于TD-OFDMA的動態分層PMP/Mesh混合網絡的超幀結構， 包括一個網絡管理幀和多個業務傳輸幀構成，每個業務傳輸幀由PMP上行部分、PMP下行 部分和采用動態令牌環協議的Mesh部分三部分組成，且各個部分的資源依網絡需求動態調 整。
所述的超幀結構，其中網絡管理幀是由基站在每個超幀中隨機選擇一個時幀承擔，主 要用于用戶入網注冊、網絡拓撲管理、移動用戶幀同步更新、載波頻率跳變預置、用戶功率 控制、PMP上下行業務資源分配和調整，以及Mesh網絡動態群首任命的工作。
所述的超幀結構，其中每個業務幀的PMP與Mesh長度按需增加或減小，該兩部分的 幀長總和保持不變，以保證空中傳輸業務速率峰值不變。
所述的超幀結構，其中網絡管理幀和多個業務傳輸幀均是以TD-OFDMA方式構建的時 針；每個時針劃分為多個時隙，1個時隙對應于1個OFDMA符號，每個時隙在時域由保護 間隔CP和有效時隙構成，在頻域由有效載荷子載波K、信令子載波S和置零子載波構成。
本發明具有如下顯著效果
1)本發明由于采用分層PMP/Mesh混合網絡結構，能兼容現有PMP網絡，擴展Mesh 資源，最大限度提升網絡容量，并且提高了網絡的覆蓋范圍，使得一些不在基站覆蓋范圍內 的節點通過Mesh網絡加入到小區中；2) 本發明由于采用動態PMP/Mesh網絡結構，可以提高網絡的抗毀性，小區內只要有一 個節點可以同外界通信，則整個網絡就可以通過這條路徑與外界聯系，最大化網路的魯棒性；
3) 利用Mesh網絡支持集中/分布式和異構網絡融合的特點，每個節點都可按照需要動態 充當PMP/Mesh混合網絡的臨時基站，無需網絡基礎設施支持，自組織和自管理，具有很強 的抗毀性；
4) 本發明由于基于TD-OFDMA的PMP/Mesh混合網絡超幀結構的PMP與Mesh部分能 夠相互調劑使用，使得網絡能夠根據用戶的業務需求，動態分配網絡資源，提高資源利用率；
5) 本發明由于在Mesh組網部分采用無線動態令牌環多指接入協議，因此有效解決了 Mesh子網內部傳輸碰撞問題以及隱藏節點和入侵節點問題；并且該協議能夠適應Mesh子網 拓撲結構的動態變化，具有更好的網絡適應性。
圖1為現有PMP通信網絡拓撲結構圖2為現有Mesh通信網絡拓撲結構圖； 圖3為本發明的分層PMP/Mesh混合網絡拓撲結構圖； 圖4為本發明中的各種通信模式的網絡拓撲結構圖； 圖5為本發明的超幀結構圖； 圖6為本發明超幀中的管理幀結構圖； 圖7為本發明的超幀運行流程圖
具體實施例方式
以下參照附圖對本發明的技術方案作進一步詳細描述。 一、PMP/Mesh混合網絡系統拓撲結構及其通信模式
參照圖3，本發明是一個多層網絡，包括無線PMP/Mesh接入網和無線Mesh中繼網。 該無線中繼網是由各個基站，按照Mesh結構進行互聯互通，每個基站都與它相鄰的基站相 互連接，最后整個中繼網通過網關基站與其他網絡連通，如Internet或2G/3G移動通信網或 固定電話網等。中繼網的網絡內部為對等網絡，各個基站均是按照分布式網絡協議相互通 信。該無線接入網是由一個基站和眾多的移動終端構成的，是本系統的核心部分。它以PMP， Mesh并存的模式進行組網，該混合網絡拓撲結構，是在現有的PMP網絡基礎上，擴展Mesh 網絡，而且擴展的Mesh功能與原有的PMP網絡兼容。若終端在基站的視距范圍內，則基 站與終端存在直達鏈路，這是終端與基站構成PMP網絡結構；若終端與其鄰近終端，以及 鄰近終端與它的其他鄰近終端存在通信鏈路，這時這些終端組成一個全連通的網狀子網，
6即Mesh網絡結構。該Mesh網絡結構能夠實現子網內部的終端節點在無需基站參與的條件 下，與其子網內部的其它終端進行通信；同時，那些沒有與基站之間存在直達鏈路的節點， 以及存在的直達鏈路信道條件差的節點，可以利用這些Mesh子網內的節點進行中繼傳輸， 實現其與基站的相互連通。
參照圖4， PMP/Mesh混合網絡系統的通信拓撲結構在某一具體時刻會形成如下不同類 型的網絡連接方式
當終端通過基站與其他終端通信時，終端與基站構成PMP網絡結構，如圖4a所示，終 端節點用戶A通過基站與小區內部終端用戶B或小區外部通信。
當終端節點需要與其Mesh子網內部節點通信時，此時的網絡為Mesh結構，如圖4b所 示，終端利用Mesh網絡模式與子網內部終端直接通信，而不需要申請PMP資源，不需要 基站的轉發。該圖4b中，由于用戶A與用戶B相鄰，則用戶A可與用戶B進行之間互聯 通信，另外，用戶A與用戶D雖然不相鄰，但同屬于一個Mesh子網，因此，他們利用子 網內部的節點用戶進行中繼，從而實現Mesh子網內部通信；同時在此模式下，當網絡中基 站因故障不能繼續工作時，網絡中其他終端節點可申請成為網絡群首節點，擔當臨時基站 的作用，繼續維持網絡工作。
當終端與基站的直接鏈路通信環境惡化時，甚至終端已不在基站覆蓋范圍內，它可利用 Mesh網絡中其他信道環境較好的終端進行中繼或協同通信，以多跳方式尋找到一條有效地 通信鏈路實現與基站通信，在此情況下有兩中多跳通信模式 一種為如圖4c所示的中繼模 式，另一種為如圖4d所示的協同模式。其中在圖4c所示的中繼模式中，終端A不能直接 與基站通信，但終端B、 C與A構成一個較小的Mesh網絡，且C可以和基站通信，則終 端B， C就可以充當A的中繼節點，將A的數據通過B和C進行多跳轉發，從而實現終端 用戶A與基站的通信，通過此模式，基站能夠實現與不在其視距范圍內的節點進行通信， 從而擴大了基站的通信范圍；在圖4d所示的協同模式中，終端A與基站之間可以通信，但 是信道環境不理想，而終端B與基站有著較好的信道環境，且B有剩余的資源，則終端B 可以幫助A分擔一部分傳輸業務，達到協同傳輸的目的，有效提高終端A的通信能力。 二、 PMP/Mesh混合網絡系統的超幀結構 參照圖5，本發明在時序上將PMP/Mesh混合網絡的運行時間劃分成周期性的超幀。 超幀是一個邏輯概念，并非一個數據幀，即它是一個長時幀，包括1個網絡管理時幀和 多個業務傳輸時幀。網絡管理幀和業務傳輸幀又進一步劃分為多個時隙。在超幀結構中， 時隙是最小的時間單位。業務傳輸幀分為PMP幀和Mesh幀。基站覆蓋小區內的大多數用戶要與基站通信， 個別用戶之間有時需要直接互連，需要與基站通信的用戶共享PMP幀。PMP幀分為上行 部分和下行部分，每一部分都含有相應的信道估計時隙。另外，在上行信道估計前，考 慮到小區范圍比較大，為了保障同步性能的要求，額外加入了一個同步調整階段。需要 直接互連的用戶，在獲得令牌后，即在Mesh幀中廣播發送，其它用戶接收，該Mesh幀 中也包含有同步時隙。另外，在業務傳輸幀中，設定特殊的子信道頻段為信令信道，用 來傳輸信令信號。
正常情況下，為了保證PMP/Mesh混合網的傳輸效益，將一個傳輸幀分為三部分:PMP 部分的下行LD、上行LU和Mesh部分的LM幀。這三部分時隙資源可調劑使用，但空 中業務速率峰值不變，也就是說每個業務幀的總長度保持不變。因此，當LM-0時，Mesh 資源為PMP征用，瞬時變為純PMP網絡，兼容現有網絡；LD和LU部分也可以全部為 Mesh用戶征用，此時瞬間變為純Mesh網絡。例如，當網絡業務主要是小區內用戶之間 的通信，基站通過檢測發現Mesh幀的資源利用率很高甚至出現資源不夠時，可以判斷出， 網絡業務應以Mesh業務為主，則基站可將后續業務幀的PMP資源減少，同時增加Mesh 資源；反之，則減少Mesh資源。還有，當基站統計發現下行請求大于上行資源請求時， 則增加下行資源，減少上行資源；反之則減少下行資源，增加上行資源。
本發明采用的幀結構是由基于TD-OFDMA方式構成的時幀組成，每一個時幀包含多 個時隙，l個時隙對應l個OFDMA符號，每個時隙在時域有保護間隔CP和有效數據構 成，在頻域由有效載荷子載波K，信令子載波S和置零子載波構成。子載波用于傳輸數 據內容，信令信道用于傳輸信令信號。在每個時隙，根據用戶傳輸容量，將K個有效子 載波被動態分配給每個用戶。S個信令子載波完成用戶接續、資源分配、時頻同步調整控 制、Mesh令牌發放等工作。按照網絡容量、信令控制以及射頻帶寬要求設計K和S的值， 以實現不同的網絡性能需求。例如，當設置較大的K值時，每個用戶的傳輸帶寬可以提 高，但是系統所容納的總用戶數就相應減少。
參照圖6，在每個超幀中，基站隨機選擇l個時幀作為網絡管理幀，各種網絡系統的 管理信息和網絡配置信息，例如用戶入網同步和注冊、網絡拓撲管理、移動用戶幀同步 更新、載波頻率跳變預置、用戶功率控制、上下行劃分調整以及Mesh網絡動態群首任命 的工作，均在該網絡管理幀中進行發送。各個終端節點收到該網絡管理幀后，按照其發 送的管理、配置要求，調整自己的網絡配置數據。
在該網絡管理幀中，其結構由下行同步信道估計期，上行同步信道調整期，上行同步信道估計期以及入網同步期構成。
三、PMP/Mesh混合網絡超幀的具體運行過程
參照圖7，本發明的超幀的運行過程如下 第一步，網絡管理幀的運行。
每個超幀開始時，基站根據前一超幀的資源使用情況，先預測本幀PMP與Mesh資 源利用度；再由基站進行常規的通信環境檢測、用戶入網同步、幀同步、載波頻率跳變、 功率控制等；然后將這些信息作為網絡管理信息組成一個網絡管理幀，配置整個網絡資 源，并按PMP的下行期、PMP的上行期與入網同步期進行
1. 網絡管理幀的PMP下行期
1.1基站在前兩個時隙的時間內發送下行信道的同步以及信道估計信息，此時新到達 的用戶檢測基站在網絡管理幀的下行期廣播網絡信息，確定網絡管理幀同步申請期的位置。
1.2在其后的下行業務期中，對每個申請入網的用戶發送入網同步應答幀，或是對申 請業務資源的用戶發送業務許可幀，同時發送功率控制指令；
1.3基站廣播本超幀采用的工作頻率以及Mesh資源的動態群首任命，以及本超幀內 業務采用的上下行資源分配方案。；
2. 網絡管理幀的PMP上行期
2.1進行若干時隙的同步調整，協調由于各個用戶距離不同而帶來的不同步； 2.2已獲得資源分配的各用戶根據各自的同步誤差，調整發送時刻與發送功率，發送 各自的用戶獨特丑碼，用于基站完成上行鏈路信道估計。
3. 網絡管理幀的入網同步期
3.1用戶在同一個業務傳輸幀的上行鏈路同步調整期的起始時刻，發送網絡同步丑碼， 基站根據接收的網絡同步丑碼，計算用戶的網絡同步誤差，并在下一個業務傳輸幀下行 期的信令信道通知該用戶；
3.2基站收回網絡同步丑碼，用于其他用戶的網同步，該用戶根據基站廣播的信息， 繼續維持網絡同步；
3.3如果用戶沒有收到入網同步應答幀，表明申請失敗，該用戶需要重新競爭信道， 發送入網同步申請幀。
第二步，業務傳輸幀的運行。
網絡管理幀結束后，開始多個業務幀的傳輸，每個業務傳輸幀按照PMP下行期、PMP
9上行期與Mesh期進行傳輸。在上述三個時期中，每個時期中的所有時隙在頻域上均包含 業務信道與信令信道，他們在時間上是同時并行發送的。
A. 業務傳輸幀的PMP下行期
在本時期的業務信道中首先，基站在前兩個時隙內發送下行信道的同步與估計信息;
然后，基站根據預先分配指定好的時隙和子載波內發送各個用戶的下行數據業務，每個
時隙由一個OFDMA符號構成。
在本時期的信令信道中對于已入網用戶，首先由基站發送資源申請允許幀，通知用
戶申請資源；然后，告知其上一幀的資源請求允許狀態以及同步誤差供用戶節點進行同 步調整。對于新申請入網的用戶，則發送入網同步應答，表示接受該用戶的入網同步申 請。
B. 業務傳輸幀的PMP上行期
在本時期的業務信道中首先，進行信道的同步調整，以消除用戶距離不同產生的同 步誤差；然后，進行上行信道估計，根據上行鏈路同步調整的結果，確定各自的發送時 刻，發送各自的業務丑碼，用于基站完成上行鏈路同步和信道估計；最后，用戶開始發 送上行數據業務。
在本時期的信令信道中，用戶發送資源申請，請求增加或減少自己占用的資源。
C. 業務傳輸幀的Mesh期
在本時期的業務信道中首先，由獲得令牌的用戶成為Mesh子網內部的臨時基站， 完成它與之要通信的用戶之間的信道估計；然后，由獲得令牌的用戶判斷是否有業務進 行發送，如果有，則發送相應的業務，如果沒有，則處理新的Mesh用戶加入請求；最后， 令牌傳遞給下一個用戶，該用戶若判定剩余資源足夠進行其業務傳輸，則發起新的傳輸 過程；否則，持有該令牌，等待下一個Mesh資源的到來。
在本時期的信令信道中，持有令牌用戶發送傳輸功率控制信息，然后廣播通知令牌隊 列中下一個節點準備接收令牌。
以上是本發明的一個具體實例，對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和 原理后，都可能在不背離本發明方法、原理的情況下，進行形式和細節上的各種修正和 改變，但是這些基于本發明思想的修正和改變仍在本發明權利要求保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于TD-OFDMA的動態分層PMP/Mesh混合網絡系統，其特征在于它包括無線PMP/Mesh接入網和無線Mesh中繼網，該無線PMP/Mesh接入網包括一個基站和多個的移動終端，這些移動終端通過PMP/Mesh混合方式連接，并通過超幀傳輸信令與數據；該無線Mesh中繼網，由基站通過無線鏈路構成上層通信網，以Mesh或PMP方式進行各個基站之間的互聯與互通。
2. 根據權利要求l所述的混合網絡系統，其特征在接入網中每個終端節點選 用以PMP方式，利用網絡超幀中的PMP部分，通過所屬基站訪問核心網或與其他 小區節點通信。
3. 根據權利要求1所述的混合網絡系統，其特征在于接入網中每個終端節點 選用以Mesh方式，利用網絡超幀中的Mesh部分，與小區內其它節點直接進行數據 交換或協同中繼傳輸。
4. 根據權利要求1所述的混合網絡系統，其特征在于接入網的移動終端通過 分布式中間節點的多跳中繼的PMP/Mesh混合方式，與基站或其他節點超視距節點 之間的進行通信，實現對網絡覆蓋范圍的擴展。
5. 根據權利要求1所述的混合網絡系統，其特征在于接入網的每個終端節點 根據需要都能夠動態充當PMP/Mesh混合網絡的臨時基站，以在無需網絡基礎設施 支持條件下，提高網絡抗毀性。
6. —種基于TD-OFDMA的動態分層PMP/Mesh混合網絡的超幀結構，其特征 在于它包括一個網絡管理幀和多個業務傳輸幀，每個業務傳輸幀由PMP上行部 分、PMP下行部分和采用動態令牌環協議的Mesh部分三部分組成，且各個部分的 資源依網絡需求動態調整。
7. 根據權利要求6所述的超幀結構，其特征在于網絡管理幀是由基站在每個超 幀中隨機選擇一個時幀承擔，主要用于用戶入網注冊、網絡拓撲管理、移動用戶幀 同步更新、載波頻率跳變預置、用戶功率控制、PMP上下行業務資源分配和調整， 以及Mesh網絡動態群首任命的工作。
8. 根據權利要求6所述的超幀結構，其特征在于每個業務幀的PMP與Mesh 長度按需增加或減小，該兩部分的幀長總和保持不變，以保證空中傳輸業務速率峰 值不變。
9. 根據權利要求6所述的超幀結構，其特征在于網絡管理幀和多個業務傳輸幀 均是以TD-OFDMA方式構建的時針；每個時針劃分為多個時隙，l個時隙對應于l個OFDMA符號，每個時隙在時域由保護間隔CP和有效數據構成，在頻域由有效 載荷子載波K、信令子載波S和置零子載波構成。
10.根據權利要求9所述的超幀結構，其特征在于有效載荷子載波K和信令子 載波S按照網絡容量、信令控制以及射頻帶寬要求設計，以實現不同的網絡性能需求。
全文摘要
本發明公開了一種基于TD-OFDMA的動態分層PMP/Mesh混合網絡系統及其超幀結構。該系統包括無線PMP/Mesh接入網和無線Mesh中繼網，其中無線PMP/Mesh接入網包括一個基站和多個的移動終端，這些移動終端通過PMP/Mesh混合方式連接，并通過超幀傳輸信令與數據；該無線Mesh中繼網，由基站通過無線鏈路構成上層通信網，以Mesh或PMP方式進行各基站之間的互聯與互通。該超幀結構由一個網絡管理幀和多個業務傳輸幀構成，每個業務傳輸幀由PMP上、下行部分和Mesh部分組成，且各部分的資源依網絡需求動態調整。本發明利用PMP網絡和Mesh網絡各自的優點，實現PMP/Mesh混合網絡拓撲結構，提高了網絡的抗毀性，其超幀結構能最大限度符合網絡結構變化所帶來的資源需求變化，可用于民用、野戰、緊急搜救和臨時會議等通信。
文檔編號H04W84/18GK101610594SQ200910023419
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月24日 優先權日2009年7月24日
發明者新 張, 張海林, 趙力強 申請人:西安電子科技大學