平灾兼容的无线通信网络及其通信方法

专利名称：平灾兼容的无线通信网络及其通信方法
技术领域：
本发明涉及无线通信网络，特别是一种平灾兼容的无线通信网络及其通信方法， 该无线通信网络在大容量高品质商用微基站无线网络的基础上，具备抵御重大灾难的能力。本发明网络平时能够提供超越现有移动通信和无线局域网的服务能力，同时还能够抵御重大灾难，在地面光纤和电力系统完全损毁的极端情况下，本发明几乎以零成本提供卓越的抗灾通信能力。
背景技术：
我们知道，传统无线技术受到带宽和品质限制，只能提供窄带服务。提升无线带宽只有三种方法，即增加使用频段、提高效率和提高频谱复用率。实际上，增加频段和提高频谱效率两种手段都存在不可逾越的理论极限，只有提高频谱复用率才具备局部提升万倍以上的潜力。因此，提高频谱复用率成为满足未来无线宽带应用的最佳途径，甚至可以说，是唯一的途径。
无线通信领域面临的最基本问题是许多用户如何共享公共的频谱资源。其中，向多用户发送混合数据，称为“复用(multiplexing)” ；占用公共资源发布个人数据，称为“多址(multiple access)”。迄今为止，无线复用和多址技术只有频分、时分和码分三大类。
关于无线通信、无线通信的容灾能力和相关固网领域的各项技术，前人已经作了大量的工作，并取得巨大成就。
这些技术已经广泛地见诸于各类文献。对此作了概括介绍的有
Matthew S. Gast 802. 11 Wireless Networks: The Definitive Guide, second edition (0，Reilly Media, 2005)，中译本书名为((802. 11无线网络权威指南》。
沈嘉、索士强等所著《3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计》(人民邮电出版社 2008)。
Ekram Hossain 禾口 Kin Leung 所著 Wireless Mesh Networks: Architectures and Protocols (Springerc Science, 2008),中译本《无线Mesh网络架构与协议》。
Siva Ram Murthy 和 B. S. Manoj 所著 XtZ Hoc Wireless Networks: Architectures and Protocols (2004)。
Klein S. Gilhousen et al.美国专利5056109: Method and Apparatus for Con trolling Transmission Power in a CDMA Cellular Mobile Telephone System, 1991-10-8.
高汉中，中国专利ZL02821413.7《一种多媒体通信的方法和系统》，授权公告日 2009-2-25。
高汉中，中国专利《中心控制时分复用无线通信微基站网络》，申请公布号 CN101707776 A，申请公布日2010-5_12。该项发明旨在解决高密度微基站网络架构及其引发的一系列问题，预期的主要性能都大幅度超越现有的移动通信技术，并将无线网络品质和容量首次提升到接近有线的水平。本发明就是在该项发明基础上的进一步发展。
首先，让我们回顾无线通信发展历史，并展望未来
第一代模拟无线通信开创了蜂窝网络结构。主要采用频分复用和频分多址(FDM/ FDMA),即不同用户使用不同无线频率，同时收发信号。蜂窝网络结构的核心优势是隔开一定距离，相同的频率段可以重复使用，因此，大大增强了系统的带宽能力，为了防止信号干扰，频分技术的相邻频道必须保持足够的频率间隔，导致频谱浪费。
第二代数字无线通信主要采用时分复用和时分多址(TDM/TDMA)，即小区内不同用户使用相同频率，不同时间收发信号。因此，具备优越的抗干扰性能，但由于时隙分配不灵活，导致资源利用率不高。
第三代无线通信主要采用码分复用和码分多址(CDM/CDMA)，不同用户用相同频率，同时收发信号，但使用不同的编码。为了形象化解释码分技术，可以用鸡尾酒晚会模型， 即许多人同时在一个大厅中交流，如果使用不同语言，别人的谈话可以当着背景噪音。从理论分析，码分技术的效率高于传统的频分和时分技术。
第三代以后(B3G，Beyond 3G)，随着数字处理技术进步，人们发现只要严格控制信号相位，可以大幅度缩小传统频分技术的频道间隔。这项改进后的密集频分技术，即所谓的正交频分复用和正交频分多址(0FDM/0FDMA)。由于分解多个子频道，有效降低了无线信号的码间干扰，同时具备很高的频谱效率。尤其与多天线技术(MIMO)结合，更加适合大带宽和复杂反射波的环境。
上述历史显示，无线通信从第一代发展到第四代，都沿用了所谓的蜂窝结构。具体表现在蜂窝内部，即一个无线基站的覆盖小区内，采用一种复用和多址技术。但是，在蜂窝之间，采用另外一层独立的技术，或者说，存在着明显的蜂窝边界。
另外，上述技术的核心原理全部依赖提高频谱效率。站在未来更高需求的角度，由于受信道容量限制(Shannon理论)，上述所有提高频谱效率的技术都不足以在现有蜂窝网络架构上，将无线通信技术推进到高品质视频所需的带宽能力。也就是说，不足以将网络业务主体从语音推进到视频，引发下一波有商业价值的应用。
前述专利《中心控制时分复用无线通信微基站网络》首次提出采用深度交叉覆盖的高密度微基站网络架构，提供无限量高品质无线带宽，实现无线和有线同质化服务。
我们知道，无线通信具备天然的便利性，尤其是在遭遇重大灾难，如地震海啸，更是关系生死的救命线。针对无线网络的容灾能力，前人开发出多种网络架构，如Mesh和Ad Hoc网络，还有多种卫星通信技术。但是，建设具备抗灾能力的商用无线通信网络，成本极高，尤其要求消费者的手持无线终端兼容抗灾通信，更加困难。普通消费者不可能为几十年不一定遭遇的事件买单。因此，迄今为止的无线通信技术尚不能提供平灾兼容的解决方案， 本发明是解决这些难题的有效方法。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种平灾兼容的无线通信网络及其通信方法，该无线通信网络应在平时能够提供超越现有移动通信和无线局域网的服务能力，同时还能够抵御重大灾难，在地面光纤和电力系统完全损毁的极端情况下，几乎以零成本提供卓越的抗灾通信能力。
本发明的技术解决方案如下一种平灾兼容的无线通信网络，其特点在于由完全同质的无线收发机组成，附加不同的管理功能后构成基站、中继站和终端，所述的无线收发机、基站、中继站和终端都具备频率相同、性能兼容的天线、相控阵和射频收发电路；具备调制和编码方式完全相同的时分复用/时分多址基带信号处理和媒体适配器；具备完全相同的通信协议和网络接口 ；所述的基站、中继站和终端具备互换的功能。
所述的基站由统一的收发机和具有不同带宽的固网接口模块组成。
所述的中继站由统一的收发机和固网接口模块组成，或由统一的收发机和GPS模块组成。
所述的平灾兼容的无线通信网络的通信方法，其特点在于
所述无线通信网络由同质无线网络设备，包括具有无线收发机的基站、中继站和终端自由组成，是无明确拓扑结构的随意网络；
每台无线收发机即无线设备可以设置自己的身份，包括基站、中继站和终端，在主基站和上级网络的管理指令下，所述的基站、中继站和终端的功能可以互换，根据无线设备的身份和分布状态确定网络层次结构；
主基站的确定当某个无线设备能够通过高带宽地面固网连通上级网络时，则由上级网络管理任命其为主基站；当区域内无法连通上级网络时，则由本地的无线设备群选举产生主基站；
根据网络管理协议，主基站负责统一规划和管理本地区无线通信带宽资源，包括任命其他无线设备终端为基站或中继站，接受终端入网，为所有无线设备提供最佳的通信服务。
所述的主基站责任的具体实施方式
包括
主基站在通信帧指定的位置，向本区内其他无线设备发送入网试探数据包或称为端口查询，本区内尚未入网的无线设备通过时隙竞争，回答端口查询，完成所述的无线设备入网；
主基站定时向已入网的无线设备发送查询数据包或称为状态查询，本区内已入网的无线设备在指定帧位置回答主基站的状态查询；
当本区内入网的无线设备被授予基站或中继站功能时，他们就执行类似主基站的端口查询和状态查询的职责，接受其他无线设备入网；
每台入网的无线设备被授予临时的逻辑信道号，由基站号加逻辑号组成，所述的基站号是指转发端口查询和状态查询的基站的标识号码，逻辑号是指该基站临时授予该无线设备的唯一识别号码；所述的逻辑信道号在无线覆盖区域内是唯一的，但也是临时的，只在维持状态查询和应答期间有效，在状态查询和应答这组双向持续的数据包构成一个管理通道，传递管理信息；但由于无线设备位置可能变化不定，每台无线设备与不同基站建立的管理通道是独立的。
所述的主基站根据每台入网的无线设备状态条件，包括无线信号强度、终端的重要性和业务的重要性，选定一条管理通道为服务通道，即主基站管理的区域内每台无线终端可能有多条管理通道，但只有唯一的服务通道，所有管理通道和服务通道都处于动态变化中，服务通道永远保持最佳通信能力，无线网络系统通过每台终端的服务通道提供网络业务。
所述的无线设备在网络覆盖区域内通过与主基站、或基站、或中继站的端口查询和状态查询，独立地完成管理通道的建立和服务通道的选择；该无线设备与主基站之间的业务数据包传输总是通过服务通道实现的，同时服务通道总是该设备与不同基站之间的最佳信号通路。
所述的无线通信网络没有固定的区域边界，网络拓扑结构随外界条件，包括用户流量、故障、或灾难的变化而变化，主基站管理的无线覆盖区域将随时分拆或合并。
根据网络实际连通状态包括故障或灾难，主基站指令终端执行中继站的功能，保持网络通信畅通；主基站会根据网络实际带宽能力，动态地调整服务项目，有选择地关闭部分非关键业务，确保紧急通信畅通。
本发明的核心原理包括
统一全网无线收发机，以及全网设备即插即用的管理体系；
本发明通过提高基站密度提升系统带宽，把基站密集优势发挥到极致，最终实现无限量无线带宽的境界，提供无线和有线同质化服务；
实际上，本发明的无线部分采用了对等通信(以下简称为P2P)的结构； 本发明平灾兼容的原理在平常时期，由网络管理强制限定于类似传统电信的点对多点的通信模式，由此得到卓越的品质。当发生故障或灾难，地面固网和部分基站损毁，本发明网络在受灾的局部区域自动启用P2P通信模式，即切换成Mesh或者Ad Hoc网络。由此， 最大程度保持无线网络畅通。
其实，提高基站密度能够提升系统带宽，这是无线行业的基本常识。但是，高密度基站必然带来许多其他问题，本发明的目的就是为了解决这些难题，建设新一代无线网络， 超越当前无线网络所局限的窄带应用。
另外，针对无线网络的容灾能力，前人已经开发出多种网络架构，如Mesh和Ad Hoc,还有多种卫星通信技术。但是，建设专用的容灾无线通信网络，成本极高，尤其要求消费者的手持无线终端具备抗灾通信能力，更加困难。普通消费者不可能为几十年不一定遭遇的事件买单。
本发明建立在全新的无线通信理论基础上，建设未来宽带无线网络的主要出路在于宏观上优化拓扑结构，突破传统蜂窝通信网络架构，而不是在微观上强化传输技术。也就是说，首先，必须认定微基站方向，其次，再看有什么辅助技术可以配合。本发明核心是用有线的优越性化解无线的难题，用大量深度交叉覆盖的微基站化解网络的抗灾难题。上述思路看上去极具挑战性，然而，Shannon理论告诉我们，这是唯一可能成功的道路。
传统无线蜂窝网络的基站分布大致均勻，基站覆盖小区有明确的蜂窝边界。本发明超越传统无线蜂窝网络结构限制，基站不均勻分布，并且取消小区或蜂窝边界。通过高密度基站群覆盖无线热点区域，通过高性能固网连接无数个无线热点、固网用户、内容和服务供应商，全面整合桌面、客厅和移动三大网络平台。
任何技术手段都有得有失，本发明的核心思路是下列五项创新的资源配置 第一，大幅度增加基站数量，牺牲单基站空间覆盖范围，换取大幅度增加全系统的带宽容量，即大幅度提高频谱复用率。由于空间面积与基站覆盖半径之间，存在平方关系，从宏蜂窝到微基站，系统局部带宽提升潜力可达万倍以上。
第二，既然带宽资源潜力充分，那么，只需使用天线附近的优质带宽，配合防止信号干扰的措施，就能够满足系统高品质的传输要求。或者说，采用多基站深度交叉覆盖，放弃使用弱信号的小区边缘区域，牺牲带宽利用率换取实时无线传输高品质。
第三，如果单个基站的覆盖范围很小，必然引发许多其他问题，例如，无线信号干扰，无线终端在不同小区之间频繁切换，以及大量基站的管理和成本。本发明认为，所有这些问题都必须从全局角度谋求解决方案，也就是说，用宏观的高性能固网优越性，解决微观的无线网络难题。
第四，既然使用大量微型基站，或者说，基站密切贴近用户，那么，采用不均勻的基站安装位置和动态基站边界调整手段，就能使资源配置更加符合需求分布。实际上，本发明用精确的动态管理方法，突破传统蜂窝网络的系统架构，提高无线资源配置的合理性。
第五，既然使用大量深度交叉覆盖的微型基站，那么，在遭遇重大灾难时(地震和海啸)，总会有少量幸存的无线微基站。在地面光纤和电力系统完全损毁的情况下，本发明能够在数秒钟内自动切换到Mesh模式，只需保存5%的带宽能力，就能通过民众平时随身使用的通信终端，维持密集不间断的语音和图文通信。显然，大量深度交叉覆盖的微型基站自然具备平灾兼容的潜力，或者说，本发明几乎以零成本获取卓越的抗灾通信能力。
综上所述，本发明是用工程上的复杂度，即大幅度增加基站数量，换取理论上的不可能，即在频段使用和频谱效率上不可逾越的瓶颈，实现传统技术不可比拟的无线网络环境。令人惊奇的是，根据本发明提出的优化方法，以成熟技术为基础，本发明工程上并不复杂。
在新的网络条件下，重新审视“复用和多址”技术，可以发现，时分技术的最大优点是只需单个无线收发机就能满足带宽和低价的基本要求。因此，本发明在时分基础上，增加了多基站统一资源协调和统计复用技术，突破蜂窝结构，取消蜂窝边界。本发明采用中心控制的时分复用和时分多址(CTDM/CTDMA)，是改进后的密集时分技术。实际上，本发明各项性能指标都大幅度超越现有的移动通信技术，甚至可以在免费的工业、科学和医疗(简称为 ISM)频段，将无线网络的品质和容量首次提升到接近有线固网的水平。整合以后的统一网络能够大大超越传统无线和固网服务的总和，极大地提升了社会资源配置的合理性，有效推动人类社会进步。
假定人类居住地普遍具备电力、自来水、燃气和排污管道，当然，很自然包括通信光缆。也就是说，现代人类居住结构具备了建设高密度无线基站的固网基础。如果单个无线基站能够提供的带宽远大于单个用户的需求，那么，不论用户密度有多高，只要适当调整发射功率或者天线波束，总是能够部署足够多的无线基站，将用户从信号干扰中区隔开来。 或者说，不论带宽需求多大，不论传输品质要求多高，中心控制的时分技术在理论上一定能够满足人类日常活动范围内无线通信的全部需求。当然，如果要集中控制无限多个微基站， 技术和经济上均不可行。因此，本发明的无线网络实际上是无线局域网概念，将网络管理的复杂度限制在一个局部可控的范围。实际上，所谓的局域网只是网络拓扑概念，本发明可以是单基站家庭网络，也可以是数千基站的大网。
本发明的技术有益效果
在遭遇重大灾难时(特大地震海啸)，地面光纤和电力系统可能完全损毁。本发明利用少量幸存的无线微基站，在数秒钟内自动切换到Mesh模式，只需保存5%的残存带宽能力， 就能通过民众平时随身使用的通信终端，维持密集不间断的语音和图文通信。甚至，可用火炮发射或直升机空投免安装自适应的微型中继站，自动融入幸存的网络片段，迅速将灾区的无线通信服务恢复到商用水平。
很明显，本发明完全以商业盈利为目标，平时通过可管理的地面固网连接和协调大量无线基站，同时向移动和固定终端提供高品质服务。一旦发生重大灾难，受灾的局部网络有选择地停止部分宽带视频服务，降格为救灾通信。
根据当时网络状态，动态调整服务项目，迅速开启呼叫中心，确保救灾业务畅通无阻。也就是说，面对无法预测的灾难地点和时间，充分利用民众手中握有的大量通信终端， 平灾兼容的无线通信网络是最理想的选择。
总之，本发明无线通信网络能在平时能够提供超越现有移动通信和无线局域网的服务能力，同时还能够抵御重大灾难，在地面光纤和电力系统完全损毁的极端情况下，几乎以零成本提供卓越的抗灾通信能力。


图1表示本发明平灾兼容的无线通信网络所使用的全部无线设备。
图2表示本发明平灾兼容的无线通信网络统一无线收发机结构。
图3表示本发明平灾兼容的无线通信网络系统结构。
图4表示本发明平灾兼容的无线通信网络管理流程。
图5表示本发明平灾兼容的无线通信网络无线终端地址映射结构。
图6表示本发明平灾兼容的无线通信网络网络遭遇灾难时的状态。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
为了明确地公开本发明的技术方案，首先，需要从系统角度说明本发明与众不同的建网思路，得出本发明在理论上的可行结论，然后，从功能角度说明本发明的主要技术原理。最后，参照

进一步从结构和实际应用角度解释本发明的实施细节。需要指出的是，功能和结构不一定一一对应，有时一项功能需要多个结构来实现，有时一个结构能够同时完成多项功能。现分别叙述如下
一、本发明平灾兼容的无线通信网络统一无线收发机本发明一种平灾兼容的无线通信网络，又称为无线微基站网络或简称为本发明网络， 主要特征包括采用同质通信(Homogeneous Communication),即每个无线网络设备(包括基站或终端)，采用相同频率、编码方式和协议流程。只要满足一定的信噪比，就能建立可靠的通信连接，包括基站之间、基站与终端、以及终端之间的通信连接。具体说，网络收发机的差别只是发射功率、天线波束和发送时间。
因此，本发明网络采用统一的无线收发机(Unified Radio "Transceiver)，其结构包括兼容的物理层模块和统一的网络模块。
图1表示本发明一种平灾兼容的无线通信网络所使用的全部无线设备。
如图1所示，1代表无线收发机，其中包括物理层模块11和网络模块12.
如图1所示，本发明无论哪种无线设备都采用同质的收发机。其中，无线终端由统一收发机1加上多样化的终端应用模块2组成。无线基站由统一收发机1加上不同带宽的固网接口模块3组成。无线中继站使用相同的收发机1，可选固网接口模块3，也可选GPS模块 4组成，提供精确时标和地理位置信息。
图2表示本发明平灾兼容的无线通信网络使用统一的无线收发机的结构。
如图2所示，10代表无线收发机的物理层，本发明假设采用但不限于IEEE802. Iln 无线局域网的廉价芯片。其中，101为天线部分，可能包括MIMO天线波束控制。102为射频电路，包括接收机和可控功率的发射机。如果基站覆盖半径较大，如空旷地区基站覆盖半径可能达到1公里以上，此时需要高性能无线收发机，包括定向增益天线、大功率发射器和低噪音接收器，其他部分不变。103为基带信号处理，包括调制解调和纠错编码、解码。
如图2所示，20代表网络模块，201代表空间接口的媒体接入层，满足CTDM/CTDMA 组帧要求，可能提供IOO-IOOOMbps的原始带宽。202代表执行本无线收发机所有软硬件流程的处理机。其中包括主基站地址导向和通用网络接口，假设采用但不限于介质独立MII 标准。本发明无线收发机的网络接口可能连接终端功能203、固网204和本地交换205，实际上，网络连接到什么对象，仅仅取决于基站地址的映射关系。
显然，本发明的无线收发机可用单一的ASIC芯片(基带信号及网络模块)，加上略有不同的射频电路组成，甚至可以使用免费开放ISM频段，因此，具备极低的生产和使用成本。
本发明无线微基站网络的首要特征是终端和基站的同质化，或者说，同时包含基站和终端的全部网络功能，基本相同的模块配置不同的任务参数而已。
本发明所谓的用户终端就是同质无线收发机附加多种应用功能，其中，软件模块如视音编解码和图形界面等；硬件模块如屏幕、摄像头、键盘和遥控器之类。
本发明所谓的基站就是同质无线收发机附加不同的网络接口，其中，公共无线基站一般用光纤连接得到最大带宽能力，家用基站一般用以太网线连接得到最低成本。如果无线基站开放数据转发功能，称为中继站。如果无线中继站(或基站)附带GPS模块，就具备了精确时序分配和物理定位能力。在遭遇灾难时，能够升格为区域管理职能。
为了增加基站和中继站覆盖范围，需要增强无线收发机的性能，包括高增益天线、高功率发射和低噪音接收模块。为了增加系统带宽，需要降低无线收发机的发送功率， 增加基站密度。有时为了特殊需要，如抗灾，可以命令用户终端开放数据转发功能，成为一个中继站，确保灾区无线通信的覆盖率。
综上所述，由于本发明通过安装高密度微基站，与传统移动通信相比，局部带宽增长潜力达万倍以上。因此，只要有需要，不必担心带宽不足。在这样的理念下，微基站设计不再强调频谱效率和申请更多的使用频段，降低设备成本和简化安装管理流程成为最重要的考量。本发明所描述的无线微基站使用单一物理层技术，在相同的频段，实现同质通信。
本发明所描述的廉价微基站可能不足一包香烟大小，通过光纤连接成网，耗电很少(适合电池供电)，而且成本极低。遇到特大灾难，可以通过火炮发射，或者直升机空投自带电源的无线中继站(假设三分之一投放成功)，无需安装和调试。
二、本发明平灾兼容的无线通信网络的系统架构本发明所述的无线网络架构是由高性能固网(光纤)连接多个无线覆盖区，或称无线局域网。每个无线局域网都有一个主基站，通过高性能固网连接其他基站，或者通过无线连接其他中继站。主基站执行区域网络中心控制，包括发射网络同步时标，同频同质无线收发、时分复用和多址、基站间无损切换。部分基站或中继站可能包含GPS模块，如果故障或灾难原因地面固网中断，带GPS模块的中继站可能自动接管区域管理功能，发射无线网络同步时标，其中包括地理位置信息。基站间连接能够切换到无线模式，在降低系统局部带宽容量的前提下，确保通信网络畅通。详见图3及其说明。
图3表示本发明无线网络的系统架构。
如图3所示，主基站302通过高性能固网330连接上级网络300。在本发明中上级网络可以是一台服务器或者广域的MP互联网。或者说，上级网络不在本发明的范围内，因此，本发明无线网络的管理中心是主基站302。
假设主基站在上级网络中被授予地址A，假设主基站和其他基站只有4个固网连接端口，如图3所示，解释系统的入网过程如下
首先，必须了解一对管理方设备和被管方设备的管理机制，其中，入网成功后的基站被授予基站地址，基站地址等于上级基站地址加上上级基站的端口号。整个入网过程实现了基站和终端设备即插即用的目标。详见本发明实施方式第三条网络管理以及相关描述。
如图3所示，假设主基站302已经进入正常工作状态，并向3个固网端口发送端口查询指令。基站301、305和303分别进入入网流程，如果入网正常，基站301被授予地址Al， 基站305被授予地址A2，基站303被授予地址A3。当这3个基站正常工作后，主基站302 进一步向下一层未连接的端口发送端口查询指令，其中包括All、A12、A13、A21、A22、A23、 A31、A32、A33。根据图3所示的连接状态，基站304将经由连接335，回答All的查询，并被授予地址All。同理，基站308被授予地址A23，基站306被授予地址A32，基站309被授予地址A31。当上述4个基站正常工作后，主基站再进一步向下一层未连接的端口发送端口查询指令，此时，只有基站307经由连接338，回答A112的查询，并被授予地址A112。因为不知道何时会有新的基站加入，主基站将不停地向那些已入网基站的空闲端口发送端口查询指令。另一方面，任何已入网的基站将不停地受到主基站的状态查询，一旦发生故障或停电，只要状态查询连接中断，立即导致局部退网、告警、自动修复或等待人工修复。
如图3所示，主基站302除了通过固网自动指令所有基站入网，还通过开放的无线空间接口发送端口查询指令。与有线固网不同，任何无线设备(基站、中继站和终端)都可能应答端口查询指令，甚至在应答过程中产生信号冲突。本发明采用业界常用的等待随机时间后重发的方式避免信号冲突。同时，为所有应答成功的无线设备分配逻辑号，使得该设备以后的信令连接保证在资源预留的状态下进行。也就是说，主基站允许任意无线设备在任意基站入网，并且分配逻辑信道号LCN (即基站号加上在该基站的逻辑号)。详见本发明实施方式第四条无损切换以及相关描述。
如图3所示，一台无线设备可能被授予多个逻辑信道号，主基站302记录了所有无线设备的全部逻辑信道号。在状态查询过程中，主基站302还发送指令调节每个无线基站的发射功率和天线波束，并记录所有逻辑信道号附加的信号强度信息，实现全网信噪比优化流程。由于中继站的位置基本固定，基站306收到中继站315和316的信号最强，主基站根据信号状态，确定组成复合基站，并分别授予中继站315和316地址A3M和A325。
如图3所示，无线终端入网时向主基站302递交该终端的用户信息，每当主基站感知到新的无线终端，就会授予一个独立的终端地址，或者说，该终端在本网络的分机地址。
本发明所述的无线网络有两种组网方式第一种是独立成网，提供一个封闭区域内的无线通信服务。如果是独立的无线网络，则所有网络数据交换都在主基站实现。
第二种是无线局域网，或者说，作为MP互联网的接入手段。MP互联网与传统电话网络类似，有两层结构，即由服务节点(类似5ESS交换机)连接有限多个用户(如一万户)，然后由骨干网交换机(类似4ESS交换机)连接任意多个服务节点扩展成全球网络。
如果是MP无线局域网，则主基站成为高性能广域网(MP互联网)的服务连接点。 MP无线局域网中的所有数据交换，包括内部通信和外部服务，都在MP互联网的服务节点实现。根据MP互联网结构，每个用户都可建立一个家庭局域网，并有数万个分机地址。因此， MP无线局域网实际上可以看成MP互联网的一个开放用户内部网络。移动终端可以看成用户终端异地漫游，在当地获得一个临时分机地址。
本发明的网络架构具备如下全新特征
第一，微基站结构(基站距离可以小到10米以下)，大幅度增加频谱资源的空间复用率， 满足大规模视频应用所需的带宽能力。
第二，基站间信号深度交叉覆盖，避免了低信噪比的边缘区域。中心控制的时分多址，严格杜绝信号干扰，确保全部通信品质满足实时视音频通信的需求。
第三，采用高速无损切换方法，严格杜绝小区间信号切换造成的丢包现象，确保数百公里时速车载终端通信流畅，几乎为零的丢包率。
第四，在一个区域内，根据潜在用户分布，不均勻选择基站位置。另外，本发明突破传统的蜂窝基站小区界线，中心控制的终端服务通道，能够随当前用户终端分布密度和通信流量，动态改变基站的小区边界。
详细内容参考本专利发明人的另一项专利《中心控制时分复用无线通信微基站网络》。
三、本发明平灾兼容的无线通信网络的网络管理和即插即用本发明网络的主要特征还包括即插即用(Plug & Play)，无需复杂网络规划和参数配置，全部无线设备自适应入网。并且，随着网络拓扑结构主动(弹性需求)或被动(故障和灾难)改变，全部无线设备自动保持最佳连接状态。
本发明的无线设备(基站、中继站或用户终端)在入网前，并不知道自身在网络中所处的位置。同样，在设备入网前，主基站网络管理也完全不知道进入本区域无线设备的连接情况。主基站只能试探性发送端口查询指令，包括新设备接入的时隙地址和当前配置信息，新进入该区域的无线设备起动入网程序，回答端口查询并向网络管理报告自身信息，实现双方的信息交流，完成自动入网流程，或称为软启动。
从另一个角度，本发明的主基站的网络管理定时向每个在本区域入网的无线设备 (基站、中继站或用户终端)发送状态查询指令，或称为网络心跳。状态查询指令中包含了被查询设备的标识，因此查询过程针对被查设备具有唯一性。无线设备在应答中，包含自身和周边环境的状态信息，因此，主基站的网络管理能够随时了解当前网络的运行细节。若主基站网络管理连续几个周期停止向某设备发送状态查询指令，该设备内部的看门狗就会迫使设备退网，或称软复位。同样道理，若无线设备脱离网络(离开区域、下电或故障)，主基站的网络管理在几个周期内收不到该设备发回的状态查询应答，主基站网络管理的看门狗就会迫使该设备进入未连接状态，并根据设备的重要程度向网络管理员发出告警，或直接起动故障处理程序。
图4表示本发明网络管理流程，以及网络设备即插即用的原理。
如图4所示，不论管理方还是被管方都执行相同的状态机。每个状态机有3个稳定状态初上电状态、待入网状态和正常工作状态。当满足特定的触发条件时，转移到另一个稳定状态，同时可能执行某个特定的操作。被管方运行这个状态机代表自身状态，管理方维护所有被管设备状态机的副本，具体表现为主基站设备信息表中的一个变量位置。因此， 主基站掌握全部被管设备的状态。这组状态机管理机制能够实现全网设备即插即用。具体说，除了事先记录在设备内部的信息外，在现场安装过程中无需人工输入任何参数，系统能够自动进入正常工作状态。在正常工作状态中，管理方自动收集各种网络运行参数，实现更高层次的系统管理。
如图4所示，41代表初上电状态，设备开机411后即进入此状态，在没有特定外来触发条件421时，将长期保持在此状态。42代表待入网状态，进入此状态后，立即启动一个超时计数器，如果没有特定外来触发条件431，一旦超时未收到入网指令412时，将迫使设备退回初上电状态41。43代表正常工作状态，进入此状态后，立即启动一个超时计数器，如果没有特定外来触发条件432，一旦超时未收到状态查询指令413时，将迫使设备退回初上电状态41。
如图4所示，为了进一步描述本发明的管理机制，假设管理方只针对单一被管方。 由于管理方不知道被管方在何时何地进入系统或首次开机，又由于任何网络设备只能从正常工作的固网交换机空闲端口或者正常工作的无线基站(包括主基站和中继站)有效覆盖区内进入系统，因此，管理方定时无目标地向所有正常工作的交换机尚未连接的端口以及所有基站的空间接口发送试探性的端口查询指令，这个指令包含固网端口地址或者无线基站号码。首次进入系统的被管设备收到端口查询指令421，即得知现在所处的网络位置(固网地址或者无线基站号码)，被管设备在端口应答指令中包含网络位置以及设备自身信息。 同时，被管设备内置状态机从初上电状态41进入待入网状态42。另一方面，管理方收到被管方的应答指令，从该指令中得知被管方的设备信息和网络位置，满足条件421，将该被管方的状态设置为待入网42。根据网络现状和被管方信息，管理方进一步发出入网指令431， 告诉被管方更详细的网络信息和操作指令。如果是无线设备(中继站或终端)，入网指令中包括分配一个新的逻辑信道号码LCN(基站号+逻辑号)。回到被管方，在尚未超时的前提下， 被管方收到入网指令431后，执行入网指令中规定的操作，发回入网应答指令，然后转入正常工作状态43。再看管理方，如果在超时前收到被管方的入网应答指令，满足条件431，将该被管方的状态设置为正常工作状态43。需要特别指出，一个无线设备可能在多个基站入网，也就是说，分配到多个逻辑信道号LCN。
如图4所示，当被管方进入正常工作状态43后，管理方定时(小于条件413)向被管方发送状态查询指令，其中包括但不限于调整被管方的工作参数，如发射功率、天线波束和心跳速率等。被管方收到状态查询指令，除了按要求调整工作参数，还重新启动超时计数器，然后发回状态查询应答指令，其中包括但不限于被管方和周边环境状态，如收到基站和其他终端的信号强度、背景噪音、干扰源和温度等。在管理方一侧，收到被管方的状态应答指令，重新启动超时计数器，记录收集到的各种网络参数。管理方从全部被管方发回的状态参数中得知全面和即时的网络运行状态信息，为实现更高层次的宏观控制作好准备。
由此可见，不论无线终端是否申请服务，只要进入某基站有效通信范围，就与该基站保持一个网络管理通路，跟随网络心跳(或称软复位流程)。实际上，一台无线终端可能同时与多台基站或中继站保持管理通路，即冗余的管理信息。同理，新增基站自动入网后，周围其他基站自动缩小覆盖范围，在该局部区域内，自动提升系统的带宽能力。
本发明改变了传统网络管理思路，通过动态的软启动和软复位程序，具备快速适应设备和拓扑结构调整的自学习能力。将网络流量工程、路由选择、基站切换、容错功能、疆域扩展和界定等功能融合到一组协议流程中，实现全网设备的即插即用。
四、本发明平灾兼容的无线通信网络的低延迟和无损基站切换传统无线Mesh和Ad Hoc网络存在许多冗余的数据通路，尽管增强了可靠性，但是导致资源浪费。本发明采用多通路网络管理实现地址映射，经动态加权选择，保持唯一的用户服务数据通路，并且是最佳通路。一般来说，由于用户服务数据量远大于网络管理数据，本发明的无线网络能够获得很高的带宽效率。
图5表示本发明无线终端地址映射结构，以及基站无损切换的原理。
如图5所示，本发明网络的主基站维持本区域内所有终端地址与基站逻辑通道之间的映射表51。如前所述，本发明网络管理为每一台新入网(开机上电)的无线终端分配一个临时网络地址52(TA)。另外，本发明每台无线终端都与多台基站和中继站建立网络管理通路，并获得多个逻辑通道号53 (LCN)0 如图5所示，本发明主基站地址与逻辑通道之间的映射表51中，多个逻辑通道号按无线信号强度加权排列。其中，最前的逻辑通道号代表唯一和最佳的通路。如果某条链路拥挤，只需降低其权重，就能实现自动分流。
如图5所示，来自上级固网的下行数据包56经过逻辑通道插入模块54，查询映射表51，将对应的逻辑通道号插入数据包58，转发至本地无线局域网。另外，来自本地无线局域网的上行数据包59，经过逻辑通道剥离模块55，恢复到上级固网的上行数据包格式57。
如前所述，本发明采用深度交叉覆盖的微基站架构，无线终端可能与多个基站建立管理连接，但是，只与唯一基站建立数据服务通道。如图5所示，当终端移动时，多个基站管理连接的信号强度发生变化，逻辑通道的排列相应调整，下一个数据包可立即改变转发通道。
本发明网络的服务数据通道永远是多路基站管理连接中的最佳选择，全部无线用户数据通信都能保持足够的信噪比，因此，基站切换过程几乎不会造成丢包现象，实际上， 能够实现即时的无损基站切换。
另外，本发明网络的通路选择流程独立于数据转发机制，系统不存在多余的数据缓存器，因此，用户数据包转发延迟极低。
由此可见，本发明网络的基站切换由较慢的通路选择流程和即时数据包转发机制两个独立部分组成。实际上，通路选择流程一般需要多次心跳周期完成，本发明网络的心跳周期时间可以动态调整，也就是说，基站切换时间随环境需要可调。
在终端密集的热点区域，降低网络心跳，可以减少带宽资源消耗。在道路沿线，面对数百公里时速的车载终端，提高网络心跳，确保实时视频通信的丢包率几乎为零。
五、本发明平灾兼容的无线通信网络的多点故障处理和平灾转换传统通信网络一般只要求系统具备单点故障处理和恢复能力，因为，多台设备同时发生故障的几率几乎为零。但是，遭遇重大灾难，如地震海啸，电力系统、地面固网和大部分无线基站可能同时损毁。
本发明网络的每一个基站和终端都能够连续感知即时网络状态，一旦检测到网络连接异常，如有线或无线通信中断，立即向上级网络管理报告。另外，由于本发明网络无线基站的分布深度交叉覆盖，基站间可能具备多条潜在的无线通路，一旦基站的光纤通信中断，基站间还能在降低带宽容量的前提下，维持无线通信畅通。
如果有多个设备感知到类似的异常情况，可能是某个网络设备故障，或者人为事故，或者发生重大灾难。如果原先正常的网络管理体系受损，局部系统就会自动启动应对流程。也就是说，应对重大灾难只是平时故障处理流程的一部分。
由于网络管理中心保留事故发生前的网络拓扑结构和全部设备工作状态记录，只要将这些数据与事故发生后收集到的网络状态信息比较，就能清楚地界定事故范围。或者划分成多个不同受灾等级的局部区域。根据事先准备好的预案规则，选择不同等级的故障处理流程。实际上，随着事态发展，以及网络修复行动的进展，网络状态随时有变化。本发明网络管理流程具备了动态应对故障的能力。
本发明网络的无线基站按5个等级应对故障
0级故障(正常基站)保持原有的光纤连通，执行充分的基站任务。
1级故障原有光纤通信中断，但是能通过直接无线通路与某个基站连通，自动切换执行充分的中继站任务。
2级故障原有光纤通信中断，无直接无线通路至任何基站，但是能够通过无线通路连通某个中继站，自动切换执行部分中继站任务。
3级故障原有光纤通信中断，无直接无线通路至任何基站或中继站，但是能够通过无线通路连通用户终端，间接连通某个基站，自动切换执行部分中继站任务。
4级故障完全失去联络，检查该基站所属区域，若无有效基站，自动确认盲区地理位置和范围，建议投放临时中继站。
综上所述，本发明平灾转换模式遵循2条基本原则
第一，无线通信网络分成多个区域，区域分界动态可变。遇到故障或灾难，无线区域可以自动分拆或合并。
第二，每个区域都有一个主基站，执行区域管理功能。如果主基站失效，区域内残存的基站和中继站自动选举出新的主基站。在重大灾难时，无线终端也可能成为中继站，甚至主基站，代行区域管理职能。确保区域内通信畅通。
图6表示本发明网络遭遇重大灾难时，假设图3网络中基站303和306及其相关固网损毁，系统检测到局部区域通信中断。
由于本发明网络无线基站信号深度交叉覆盖，如图6所示，假设基站309能够通过无线信号连接基站308，授予地址A234。中继站316能够无线连接基站309，授予地址 A2344。中继站315能够连接中继站316，授予地址A23444。与此同时，基站302、305和308 自动提升发射功率，扩大覆盖距离。另外，局部网络拓扑结构改变后，本发明网络即插即用的管理体系能够指令用户终端快速重新入网，因此，可即时恢复受灾区域的无线通信。
如果灾难发生后，系统留下通信覆盖盲区，可以向盲区位置远程投放免安装的临时中继站。根据投放方式，如火炮发射或直升机空投，适当增加临时中继站的数量，只要少数中继站投放成功，就能恢复盲区的通信连接。
重要的是，本发明网络遭遇重大灾难时，能够继续使用民众平时随身携带的无线终端保持不间断的通信联络。
六、本发明平灾兼容的无线通信网络的安全和抗干扰能力网络安全和抗干扰能力永远是无线网络关注的重点，本发明网络也不例外。
针对本发明网络的特点，网络的安全问题归结为以下3点
第一，射频干扰泛指与本系统不兼容的收发机，甚至微波炉之类设备。
第二，非智能攻击泛指攻击者采用兼容本系统的收发机，掌握一些底层数据结构，主要实施偷听和拒绝服务之类的简单攻击。
第三，智能攻击泛指攻击者掌握本发明网络的全部技术细节，能够使用任意强大的设备，但是，不能潜入上级网络管理中心直接发送攻击指令。
如果攻击者能够在网络管理中心任意操作，那么，这已是占领，不属于攻击范畴了。
本发明网络针对上述3类攻击具备以下应对能力
针对射频干扰，本发明网络能够自动跟踪干扰源的变化，采取应对措施，包括提高自身发射功率、降低有效带宽、直至切断局部无线通信。同时向上级网络管理报告干扰强度和位置。由于本发明网络采用微基站架构，射频干扰的范围较小，容易排除，防范效率高。
针对非智能攻击，由于本发明网络的基站覆盖范围很小，一般近距离偷听和小范围拒绝服务攻击没有实际意义。
针对智能攻击，由于本发明网络严格的管理流程和准入机制，未经注册的网络设备，包括基站和终端，不可能启动协议流程。尽管添加基站手续极其简单，但是，要想插入未经注册的基站绝无可能。如果复制用户终端入网，一旦网络管理检测到相同ID的设备，立即启动复审流程，快速排除克隆设备。另外，一旦网络管理检测到可疑的服务申请，立即向用户发送确认信息。实际上，如果缺乏有效管理，如互联网和大部分无线网络，网络安全是个难以达到的目标。但是，如果具备有效管理，网络安全并不是想象的那么难。
七、补充说明总之，本发明无线通信网络能在平时能够提供超越现有移动通信和无线局域网的服务能力，同时还能够抵御重大灾难，在地面光纤和电力系统完全损毁的极端情况下，几乎以零成本提供卓越的抗灾通信能力。
前面论述已经公开了本发明的技术方案。本说明书论述的技术原理、解决方案、实施方式和

对于本发明具有描述性，而非限制性。这些说明不是被用来穷举或者限制本发明的技术方案。很明显，对于本领域内的普通技术人员来说，即使实施其他的变种或修改，都不会偏离本说明书所述整体方案的发明要旨。因此，本发明的保护范围由本发明的权利要求书及其等效的范围确定。
权利要求
1.一种平灾兼容的无线通信网络，其特征在于由完全同质的无线收发机组成，附加不同的管理功能后构成基站、中继站和终端，所述的无线收发机、基站、中继站和终端都具备频率相同、性能兼容的天线、相控阵和射频收发电路；具备调制和编码方式完全相同的时分复用/时分多址基带信号处理和媒体适配器；具备完全相同的通信协议和网络接口 ；所述的基站、中继站和终端具备互换的功能。
2.根据权利要求1所述的平灾兼容的无线通信网络，其特征在于所述的基站由统一的收发机和具有不同带宽的固网接口模块组成。
3.根据权利要求1所述的平灾兼容的无线通信网络，其特征在于所述的中继站由统一的收发机和固网接口模块组成，或由统一的收发机和GPS模块组成。
4.权利要求1所述的平灾兼容的无线通信网络的通信方法，其特征在于所述无线通信网络由同质无线网络设备，包括具有无线收发机的基站、中继站和终端自由组成，是无明确拓扑结构的随意网络；每台无线收发机即无线设备可以设置自己的身份，包括基站、中继站和终端，在主基站和上级网络的管理指令下，所述的基站、中继站和终端的功能可以互换，根据无线设备的身份和分布状态确定网络层次结构；主基站的确定当某个无线设备能够通过高带宽地面固网连通上级网络时，则由上级网络管理任命其为主基站；当区域内无法连通上级网络时，则由本地的无线设备群选举产生主基站；根据网络管理协议，主基站负责统一规划和管理本地区无线通信带宽资源，包括任命其他无线设备终端为基站或中继站，接受终端入网，为所有无线设备提供最佳的通信服务。
5.根据权利要求4所述的平灾兼容的无线通信网络的通信方法，其特征在于，所述的主基站的责任的具体实施方式
包括主基站在通信帧指定的位置，向本区内其他无线设备发送入网试探数据包或称为端口查询，本区内尚未入网的无线设备通过时隙竞争，回答端口查询，完成所述的无线设备入网；主基站定时向已入网的无线设备发送查询数据包或称为状态查询，本区内已入网的无线设备在指定帧位置回答主基站的状态查询；当本区内入网的无线设备被授予基站或中继站功能时，他们就执行类似主基站的端口查询和状态查询的职责，接受其他无线设备入网；每台入网的无线设备被授予临时的逻辑信道号，由基站号加逻辑号组成，所述的基站号是指转发端口查询和状态查询的基站的标识号码，逻辑号是指该基站临时授予该无线设备的唯一识别号码；所述的逻辑信道号在无线信号覆盖区域内是唯一的，但也是临时的，只在维持状态查询和应答期间有效，所述的状态查询和应答的双向持续的数据包构成一个管理通道，传递管理信息；但由于无线设备的位置的变动性，每台无线设备与不同基站建立的管理通道是独立的。
6.根据权利要求4所述的平灾兼容的无线通信网络的通信方法，其特征在于，所述的主基站根据每台入网的无线设备状态条件，包括无线信号强度、终端的重要性和业务的重要性，选定一条管理通道为服务通道，即主基站管理的区域内每台无线终端可能有多条管理通道，但只有唯一的服务通道，所有管理通道和服务通道都处于动态变化中，服务通道永远保持最佳通信能力，无线网络系统通过每台无线设备终端的服务通道提供网络业务。
7.根据权利要求4所述的平灾兼容的无线通信网络的通信方法，其特征在于，所述的无线设备在网络覆盖区域内通过与主基站、或基站、或中继站的端口查询和状态查询，独立地完成管理通道的建立和服务通道的选择；该无线设备与主基站之间的业务数据包传输总是通过服务通道实现的，同时服务通道总是该设备与不同基站之间的最佳信号通路。
8.根据权利要求4所述的平灾兼容的无线通信网络的通信方法，其特征在于，所述网络没有固定的区域边界，网络拓扑结构随外界条件，包括用户流量、故障、或灾难的变化而变化，主基站管理的无线覆盖区域随时分拆或合并。
9.根据权利要求4所述的平灾兼容的无线通信网络的通信方法，其特征在于，根据网络实际连通状态包括故障或灾难，主基站指令某台无线设备终端执行中继站的功能，保持网络通信畅通；主基站根据网络实际带宽能力，动态地调整服务项目，有选择地关闭部分非关键业务，确保紧急通信畅通。
全文摘要
一种平灾兼容的无线通信网络及其通信方法，该无线通信网络由完全同质的无线收发机组成，附加不同的管理功能后构成基站、中继站和终端，所述的无线收发机、基站、中继站和终端都具备频率相同、性能兼容的天线、相控阵和射频收发电路；具备调制和编码方式完全相同的时分复用/时分多址基带信号处理和媒体适配器；具备完全相同的通信协议和网络接口；所述的基站、中继站和终端具备互换的功能。本发明平时能够提供超越现有移动通信和无线局域网的服务能力，同时还能够抵御重大灾难，几乎以零成本提供卓越的抗灾通信能力，在地面光纤和电力系统完全损毁的极端情况下能够提供密集不间断语音和其他图文通信，品质接近商用网络等级。
文档编号H04W80/00GK102186260SQ201110129888
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者高汉中 申请人:高汉中