專利名稱：平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)及其通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)，特別是一種平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)及其通信方法， 該無線通信網(wǎng)絡(luò)在大容量高品質(zhì)商用微基站無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，具備抵御重大災(zāi)難的能力。本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)平時能夠提供超越現(xiàn)有移動通信和無線局域網(wǎng)的服務(wù)能力，同時還能夠抵御重大災(zāi)難，在地面光纖和電力系統(tǒng)完全損毀的極端情況下，本發(fā)明幾乎以零成本提供卓越的抗災(zāi)通信能力。
背景技術(shù)：
我們知道，傳統(tǒng)無線技術(shù)受到帶寬和品質(zhì)限制，只能提供窄帶服務(wù)。提升無線帶寬只有三種方法，即增加使用頻段、提高效率和提高頻譜復(fù)用率。實際上，增加頻段和提高頻譜效率兩種手段都存在不可逾越的理論極限，只有提高頻譜復(fù)用率才具備局部提升萬倍以上的潛力。因此，提高頻譜復(fù)用率成為滿足未來無線寬帶應(yīng)用的最佳途徑，甚至可以說，是唯一的途徑。
無線通信領(lǐng)域面臨的最基本問題是許多用戶如何共享公共的頻譜資源。其中，向多用戶發(fā)送混合數(shù)據(jù)，稱為“復(fù)用(multiplexing)” ；占用公共資源發(fā)布個人數(shù)據(jù)，稱為“多址(multiple access)”。迄今為止，無線復(fù)用和多址技術(shù)只有頻分、時分和碼分三大類。
關(guān)于無線通信、無線通信的容災(zāi)能力和相關(guān)固網(wǎng)領(lǐng)域的各項技術(shù)，前人已經(jīng)作了大量的工作，并取得巨大成就。
這些技術(shù)已經(jīng)廣泛地見諸于各類文獻(xiàn)。對此作了概括介紹的有
Matthew S. Gast 802. 11 Wireless Networks: The Definitive Guide, second edition (0，Reilly Media, 2005)，中譯本書名為((802. 11無線網(wǎng)絡(luò)權(quán)威指南》。
沈嘉、索士強等所著《3GPP長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計》(人民郵電出版社 2008)。
Ekram Hossain 禾口 Kin Leung 所著 Wireless Mesh Networks: Architectures and Protocols (Springerc Science, 2008),中譯本《無線Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與協(xié)議》。
Siva Ram Murthy 和 B. S. Manoj 所著 XtZ Hoc Wireless Networks: Architectures and Protocols (2004)。
Klein S. Gilhousen et al.美國專利5056109: Method and Apparatus for Con trolling Transmission Power in a CDMA Cellular Mobile Telephone System, 1991-10-8.
高漢中，中國專利ZL02821413.7《一種多媒體通信的方法和系統(tǒng)》，授權(quán)公告日 2009-2-25。
高漢中，中國專利《中心控制時分復(fù)用無線通信微基站網(wǎng)絡(luò)》，申請公布號 CN101707776 A，申請公布日2010-5_12。該項發(fā)明旨在解決高密度微基站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其引發(fā)的一系列問題，預(yù)期的主要性能都大幅度超越現(xiàn)有的移動通信技術(shù)，并將無線網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)和容量首次提升到接近有線的水平。本發(fā)明就是在該項發(fā)明基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展。
首先，讓我們回顧無線通信發(fā)展歷史，并展望未來
第一代模擬無線通信開創(chuàng)了蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主要采用頻分復(fù)用和頻分多址(FDM/ FDMA),即不同用戶使用不同無線頻率，同時收發(fā)信號。蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢是隔開一定距離，相同的頻率段可以重復(fù)使用，因此，大大增強了系統(tǒng)的帶寬能力，為了防止信號干擾，頻分技術(shù)的相鄰頻道必須保持足夠的頻率間隔，導(dǎo)致頻譜浪費。
第二代數(shù)字無線通信主要采用時分復(fù)用和時分多址(TDM/TDMA)，即小區(qū)內(nèi)不同用戶使用相同頻率，不同時間收發(fā)信號。因此，具備優(yōu)越的抗干擾性能，但由于時隙分配不靈活，導(dǎo)致資源利用率不高。
第三代無線通信主要采用碼分復(fù)用和碼分多址(CDM/CDMA)，不同用戶用相同頻率，同時收發(fā)信號，但使用不同的編碼。為了形象化解釋碼分技術(shù)，可以用雞尾酒晚會模型， 即許多人同時在一個大廳中交流，如果使用不同語言，別人的談話可以當(dāng)著背景噪音。從理論分析，碼分技術(shù)的效率高于傳統(tǒng)的頻分和時分技術(shù)。
第三代以后(B3G，Beyond 3G)，隨著數(shù)字處理技術(shù)進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)只要嚴(yán)格控制信號相位，可以大幅度縮小傳統(tǒng)頻分技術(shù)的頻道間隔。這項改進(jìn)后的密集頻分技術(shù)，即所謂的正交頻分復(fù)用和正交頻分多址(0FDM/0FDMA)。由于分解多個子頻道，有效降低了無線信號的碼間干擾，同時具備很高的頻譜效率。尤其與多天線技術(shù)(MIMO)結(jié)合，更加適合大帶寬和復(fù)雜反射波的環(huán)境。
上述歷史顯示，無線通信從第一代發(fā)展到第四代，都沿用了所謂的蜂窩結(jié)構(gòu)。具體表現(xiàn)在蜂窩內(nèi)部，即一個無線基站的覆蓋小區(qū)內(nèi)，采用一種復(fù)用和多址技術(shù)。但是，在蜂窩之間，采用另外一層獨立的技術(shù)，或者說，存在著明顯的蜂窩邊界。
另外，上述技術(shù)的核心原理全部依賴提高頻譜效率。站在未來更高需求的角度，由于受信道容量限制(Shannon理論)，上述所有提高頻譜效率的技術(shù)都不足以在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，將無線通信技術(shù)推進(jìn)到高品質(zhì)視頻所需的帶寬能力。也就是說，不足以將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)主體從語音推進(jìn)到視頻，引發(fā)下一波有商業(yè)價值的應(yīng)用。
前述專利《中心控制時分復(fù)用無線通信微基站網(wǎng)絡(luò)》首次提出采用深度交叉覆蓋的高密度微基站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供無限量高品質(zhì)無線帶寬，實現(xiàn)無線和有線同質(zhì)化服務(wù)。
我們知道，無線通信具備天然的便利性，尤其是在遭遇重大災(zāi)難，如地震海嘯，更是關(guān)系生死的救命線。針對無線網(wǎng)絡(luò)的容災(zāi)能力，前人開發(fā)出多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如Mesh和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，還有多種衛(wèi)星通信技術(shù)。但是，建設(shè)具備抗災(zāi)能力的商用無線通信網(wǎng)絡(luò)，成本極高，尤其要求消費者的手持無線終端兼容抗災(zāi)通信，更加困難。普通消費者不可能為幾十年不一定遭遇的事件買單。因此，迄今為止的無線通信技術(shù)尚不能提供平災(zāi)兼容的解決方案， 本發(fā)明是解決這些難題的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)及其通信方法，該無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在平時能夠提供超越現(xiàn)有移動通信和無線局域網(wǎng)的服務(wù)能力，同時還能夠抵御重大災(zāi)難，在地面光纖和電力系統(tǒng)完全損毀的極端情況下，幾乎以零成本提供卓越的抗災(zāi)通信能力。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其特點在于由完全同質(zhì)的無線收發(fā)機組成，附加不同的管理功能后構(gòu)成基站、中繼站和終端，所述的無線收發(fā)機、基站、中繼站和終端都具備頻率相同、性能兼容的天線、相控陣和射頻收發(fā)電路；具備調(diào)制和編碼方式完全相同的時分復(fù)用/時分多址基帶信號處理和媒體適配器；具備完全相同的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口 ；所述的基站、中繼站和終端具備互換的功能。
所述的基站由統(tǒng)一的收發(fā)機和具有不同帶寬的固網(wǎng)接口模塊組成。
所述的中繼站由統(tǒng)一的收發(fā)機和固網(wǎng)接口模塊組成，或由統(tǒng)一的收發(fā)機和GPS模塊組成。
所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信方法，其特點在于
所述無線通信網(wǎng)絡(luò)由同質(zhì)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括具有無線收發(fā)機的基站、中繼站和終端自由組成，是無明確拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的隨意網(wǎng)絡(luò)；
每臺無線收發(fā)機即無線設(shè)備可以設(shè)置自己的身份，包括基站、中繼站和終端，在主基站和上級網(wǎng)絡(luò)的管理指令下，所述的基站、中繼站和終端的功能可以互換，根據(jù)無線設(shè)備的身份和分布狀態(tài)確定網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)；
主基站的確定當(dāng)某個無線設(shè)備能夠通過高帶寬地面固網(wǎng)連通上級網(wǎng)絡(luò)時，則由上級網(wǎng)絡(luò)管理任命其為主基站；當(dāng)區(qū)域內(nèi)無法連通上級網(wǎng)絡(luò)時，則由本地的無線設(shè)備群選舉產(chǎn)生主基站；
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，主基站負(fù)責(zé)統(tǒng)一規(guī)劃和管理本地區(qū)無線通信帶寬資源，包括任命其他無線設(shè)備終端為基站或中繼站，接受終端入網(wǎng)，為所有無線設(shè)備提供最佳的通信服務(wù)。
所述的主基站責(zé)任的具體實施方式
包括
主基站在通信幀指定的位置，向本區(qū)內(nèi)其他無線設(shè)備發(fā)送入網(wǎng)試探數(shù)據(jù)包或稱為端口查詢，本區(qū)內(nèi)尚未入網(wǎng)的無線設(shè)備通過時隙競爭，回答端口查詢，完成所述的無線設(shè)備入網(wǎng)；
主基站定時向已入網(wǎng)的無線設(shè)備發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包或稱為狀態(tài)查詢，本區(qū)內(nèi)已入網(wǎng)的無線設(shè)備在指定幀位置回答主基站的狀態(tài)查詢；
當(dāng)本區(qū)內(nèi)入網(wǎng)的無線設(shè)備被授予基站或中繼站功能時，他們就執(zhí)行類似主基站的端口查詢和狀態(tài)查詢的職責(zé)，接受其他無線設(shè)備入網(wǎng)；
每臺入網(wǎng)的無線設(shè)備被授予臨時的邏輯信道號，由基站號加邏輯號組成，所述的基站號是指轉(zhuǎn)發(fā)端口查詢和狀態(tài)查詢的基站的標(biāo)識號碼，邏輯號是指該基站臨時授予該無線設(shè)備的唯一識別號碼；所述的邏輯信道號在無線覆蓋區(qū)域內(nèi)是唯一的，但也是臨時的，只在維持狀態(tài)查詢和應(yīng)答期間有效，在狀態(tài)查詢和應(yīng)答這組雙向持續(xù)的數(shù)據(jù)包構(gòu)成一個管理通道，傳遞管理信息；但由于無線設(shè)備位置可能變化不定，每臺無線設(shè)備與不同基站建立的管理通道是獨立的。
所述的主基站根據(jù)每臺入網(wǎng)的無線設(shè)備狀態(tài)條件，包括無線信號強度、終端的重要性和業(yè)務(wù)的重要性，選定一條管理通道為服務(wù)通道，即主基站管理的區(qū)域內(nèi)每臺無線終端可能有多條管理通道，但只有唯一的服務(wù)通道，所有管理通道和服務(wù)通道都處于動態(tài)變化中，服務(wù)通道永遠(yuǎn)保持最佳通信能力，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過每臺終端的服務(wù)通道提供網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。
所述的無線設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)通過與主基站、或基站、或中繼站的端口查詢和狀態(tài)查詢，獨立地完成管理通道的建立和服務(wù)通道的選擇；該無線設(shè)備與主基站之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包傳輸總是通過服務(wù)通道實現(xiàn)的，同時服務(wù)通道總是該設(shè)備與不同基站之間的最佳信號通路。
所述的無線通信網(wǎng)絡(luò)沒有固定的區(qū)域邊界，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨外界條件，包括用戶流量、故障、或災(zāi)難的變化而變化，主基站管理的無線覆蓋區(qū)域?qū)㈦S時分拆或合并。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際連通狀態(tài)包括故障或災(zāi)難，主基站指令終端執(zhí)行中繼站的功能，保持網(wǎng)絡(luò)通信暢通；主基站會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際帶寬能力，動態(tài)地調(diào)整服務(wù)項目，有選擇地關(guān)閉部分非關(guān)鍵業(yè)務(wù)，確保緊急通信暢通。
本發(fā)明的核心原理包括
統(tǒng)一全網(wǎng)無線收發(fā)機，以及全網(wǎng)設(shè)備即插即用的管理體系；
本發(fā)明通過提高基站密度提升系統(tǒng)帶寬，把基站密集優(yōu)勢發(fā)揮到極致，最終實現(xiàn)無限量無線帶寬的境界，提供無線和有線同質(zhì)化服務(wù)；
實際上，本發(fā)明的無線部分采用了對等通信(以下簡稱為P2P)的結(jié)構(gòu)； 本發(fā)明平災(zāi)兼容的原理在平常時期，由網(wǎng)絡(luò)管理強制限定于類似傳統(tǒng)電信的點對多點的通信模式，由此得到卓越的品質(zhì)。當(dāng)發(fā)生故障或災(zāi)難，地面固網(wǎng)和部分基站損毀，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)在受災(zāi)的局部區(qū)域自動啟用P2P通信模式，即切換成Mesh或者Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。由此， 最大程度保持無線網(wǎng)絡(luò)暢通。
其實，提高基站密度能夠提升系統(tǒng)帶寬，這是無線行業(yè)的基本常識。但是，高密度基站必然帶來許多其他問題，本發(fā)明的目的就是為了解決這些難題，建設(shè)新一代無線網(wǎng)絡(luò)， 超越當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)所局限的窄帶應(yīng)用。
另外，針對無線網(wǎng)絡(luò)的容災(zāi)能力，前人已經(jīng)開發(fā)出多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如Mesh和Ad Hoc,還有多種衛(wèi)星通信技術(shù)。但是，建設(shè)專用的容災(zāi)無線通信網(wǎng)絡(luò)，成本極高，尤其要求消費者的手持無線終端具備抗災(zāi)通信能力，更加困難。普通消費者不可能為幾十年不一定遭遇的事件買單。
本發(fā)明建立在全新的無線通信理論基礎(chǔ)上，建設(shè)未來寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的主要出路在于宏觀上優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而不是在微觀上強化傳輸技術(shù)。也就是說，首先，必須認(rèn)定微基站方向，其次，再看有什么輔助技術(shù)可以配合。本發(fā)明核心是用有線的優(yōu)越性化解無線的難題，用大量深度交叉覆蓋的微基站化解網(wǎng)絡(luò)的抗災(zāi)難題。上述思路看上去極具挑戰(zhàn)性，然而，Shannon理論告訴我們，這是唯一可能成功的道路。
傳統(tǒng)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站分布大致均勻，基站覆蓋小區(qū)有明確的蜂窩邊界。本發(fā)明超越傳統(tǒng)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制，基站不均勻分布，并且取消小區(qū)或蜂窩邊界。通過高密度基站群覆蓋無線熱點區(qū)域，通過高性能固網(wǎng)連接無數(shù)個無線熱點、固網(wǎng)用戶、內(nèi)容和服務(wù)供應(yīng)商，全面整合桌面、客廳和移動三大網(wǎng)絡(luò)平臺。
任何技術(shù)手段都有得有失，本發(fā)明的核心思路是下列五項創(chuàng)新的資源配置 第一，大幅度增加基站數(shù)量，犧牲單基站空間覆蓋范圍，換取大幅度增加全系統(tǒng)的帶寬容量，即大幅度提高頻譜復(fù)用率。由于空間面積與基站覆蓋半徑之間，存在平方關(guān)系，從宏蜂窩到微基站，系統(tǒng)局部帶寬提升潛力可達(dá)萬倍以上。
第二，既然帶寬資源潛力充分，那么，只需使用天線附近的優(yōu)質(zhì)帶寬，配合防止信號干擾的措施，就能夠滿足系統(tǒng)高品質(zhì)的傳輸要求?；蛘哒f，采用多基站深度交叉覆蓋，放棄使用弱信號的小區(qū)邊緣區(qū)域，犧牲帶寬利用率換取實時無線傳輸高品質(zhì)。
第三，如果單個基站的覆蓋范圍很小，必然引發(fā)許多其他問題，例如，無線信號干擾，無線終端在不同小區(qū)之間頻繁切換，以及大量基站的管理和成本。本發(fā)明認(rèn)為，所有這些問題都必須從全局角度謀求解決方案，也就是說，用宏觀的高性能固網(wǎng)優(yōu)越性，解決微觀的無線網(wǎng)絡(luò)難題。
第四，既然使用大量微型基站，或者說，基站密切貼近用戶，那么，采用不均勻的基站安裝位置和動態(tài)基站邊界調(diào)整手段，就能使資源配置更加符合需求分布。實際上，本發(fā)明用精確的動態(tài)管理方法，突破傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，提高無線資源配置的合理性。
第五，既然使用大量深度交叉覆蓋的微型基站，那么，在遭遇重大災(zāi)難時(地震和海嘯)，總會有少量幸存的無線微基站。在地面光纖和電力系統(tǒng)完全損毀的情況下，本發(fā)明能夠在數(shù)秒鐘內(nèi)自動切換到Mesh模式，只需保存5%的帶寬能力，就能通過民眾平時隨身使用的通信終端，維持密集不間斷的語音和圖文通信。顯然，大量深度交叉覆蓋的微型基站自然具備平災(zāi)兼容的潛力，或者說，本發(fā)明幾乎以零成本獲取卓越的抗災(zāi)通信能力。
綜上所述，本發(fā)明是用工程上的復(fù)雜度，即大幅度增加基站數(shù)量，換取理論上的不可能，即在頻段使用和頻譜效率上不可逾越的瓶頸，實現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。令人驚奇的是，根據(jù)本發(fā)明提出的優(yōu)化方法，以成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，本發(fā)明工程上并不復(fù)雜。
在新的網(wǎng)絡(luò)條件下，重新審視“復(fù)用和多址”技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，時分技術(shù)的最大優(yōu)點是只需單個無線收發(fā)機就能滿足帶寬和低價的基本要求。因此，本發(fā)明在時分基礎(chǔ)上，增加了多基站統(tǒng)一資源協(xié)調(diào)和統(tǒng)計復(fù)用技術(shù)，突破蜂窩結(jié)構(gòu)，取消蜂窩邊界。本發(fā)明采用中心控制的時分復(fù)用和時分多址(CTDM/CTDMA)，是改進(jìn)后的密集時分技術(shù)。實際上，本發(fā)明各項性能指標(biāo)都大幅度超越現(xiàn)有的移動通信技術(shù)，甚至可以在免費的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(簡稱為 ISM)頻段，將無線網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)和容量首次提升到接近有線固網(wǎng)的水平。整合以后的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)能夠大大超越傳統(tǒng)無線和固網(wǎng)服務(wù)的總和，極大地提升了社會資源配置的合理性，有效推動人類社會進(jìn)步。
假定人類居住地普遍具備電力、自來水、燃?xì)夂团盼酃艿溃?dāng)然，很自然包括通信光纜。也就是說，現(xiàn)代人類居住結(jié)構(gòu)具備了建設(shè)高密度無線基站的固網(wǎng)基礎(chǔ)。如果單個無線基站能夠提供的帶寬遠(yuǎn)大于單個用戶的需求，那么，不論用戶密度有多高，只要適當(dāng)調(diào)整發(fā)射功率或者天線波束，總是能夠部署足夠多的無線基站，將用戶從信號干擾中區(qū)隔開來。 或者說，不論帶寬需求多大，不論傳輸品質(zhì)要求多高，中心控制的時分技術(shù)在理論上一定能夠滿足人類日?；顒臃秶鷥?nèi)無線通信的全部需求。當(dāng)然，如果要集中控制無限多個微基站， 技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均不可行。因此，本發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)實際上是無線局域網(wǎng)概念，將網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度限制在一個局部可控的范圍。實際上，所謂的局域網(wǎng)只是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓拍?，本發(fā)明可以是單基站家庭網(wǎng)絡(luò)，也可以是數(shù)千基站的大網(wǎng)。
本發(fā)明的技術(shù)有益效果
在遭遇重大災(zāi)難時(特大地震海嘯)，地面光纖和電力系統(tǒng)可能完全損毀。本發(fā)明利用少量幸存的無線微基站，在數(shù)秒鐘內(nèi)自動切換到Mesh模式，只需保存5%的殘存帶寬能力， 就能通過民眾平時隨身使用的通信終端，維持密集不間斷的語音和圖文通信。甚至，可用火炮發(fā)射或直升機空投免安裝自適應(yīng)的微型中繼站，自動融入幸存的網(wǎng)絡(luò)片段，迅速將災(zāi)區(qū)的無線通信服務(wù)恢復(fù)到商用水平。
很明顯，本發(fā)明完全以商業(yè)盈利為目標(biāo)，平時通過可管理的地面固網(wǎng)連接和協(xié)調(diào)大量無線基站，同時向移動和固定終端提供高品質(zhì)服務(wù)。一旦發(fā)生重大災(zāi)難，受災(zāi)的局部網(wǎng)絡(luò)有選擇地停止部分寬帶視頻服務(wù)，降格為救災(zāi)通信。
根據(jù)當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整服務(wù)項目，迅速開啟呼叫中心，確保救災(zāi)業(yè)務(wù)暢通無阻。也就是說，面對無法預(yù)測的災(zāi)難地點和時間，充分利用民眾手中握有的大量通信終端， 平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)是最理想的選擇。
總之，本發(fā)明無線通信網(wǎng)絡(luò)能在平時能夠提供超越現(xiàn)有移動通信和無線局域網(wǎng)的服務(wù)能力，同時還能夠抵御重大災(zāi)難，在地面光纖和電力系統(tǒng)完全損毀的極端情況下，幾乎以零成本提供卓越的抗災(zāi)通信能力。


圖1表示本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)所使用的全部無線設(shè)備。
圖2表示本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一無線收發(fā)機結(jié)構(gòu)。
圖3表示本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖4表示本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)管理流程。
圖5表示本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)無線終端地址映射結(jié)構(gòu)。
圖6表示本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)遭遇災(zāi)難時的狀態(tài)。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
為了明確地公開本發(fā)明的技術(shù)方案，首先，需要從系統(tǒng)角度說明本發(fā)明與眾不同的建網(wǎng)思路，得出本發(fā)明在理論上的可行結(jié)論，然后，從功能角度說明本發(fā)明的主要技術(shù)原理。最后，參照

進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)和實際應(yīng)用角度解釋本發(fā)明的實施細(xì)節(jié)。需要指出的是，功能和結(jié)構(gòu)不一定一一對應(yīng)，有時一項功能需要多個結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，有時一個結(jié)構(gòu)能夠同時完成多項功能?，F(xiàn)分別敘述如下
一、本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一無線收發(fā)機本發(fā)明一種平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)，又稱為無線微基站網(wǎng)絡(luò)或簡稱為本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)， 主要特征包括采用同質(zhì)通信(Homogeneous Communication),即每個無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(包括基站或終端)，采用相同頻率、編碼方式和協(xié)議流程。只要滿足一定的信噪比，就能建立可靠的通信連接，包括基站之間、基站與終端、以及終端之間的通信連接。具體說，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機的差別只是發(fā)射功率、天線波束和發(fā)送時間。
因此，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的無線收發(fā)機(Unified Radio "Transceiver)，其結(jié)構(gòu)包括兼容的物理層模塊和統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)模塊。
圖1表示本發(fā)明一種平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)所使用的全部無線設(shè)備。
如圖1所示，1代表無線收發(fā)機，其中包括物理層模塊11和網(wǎng)絡(luò)模塊12.
如圖1所示，本發(fā)明無論哪種無線設(shè)備都采用同質(zhì)的收發(fā)機。其中，無線終端由統(tǒng)一收發(fā)機1加上多樣化的終端應(yīng)用模塊2組成。無線基站由統(tǒng)一收發(fā)機1加上不同帶寬的固網(wǎng)接口模塊3組成。無線中繼站使用相同的收發(fā)機1，可選固網(wǎng)接口模塊3，也可選GPS模塊 4組成，提供精確時標(biāo)和地理位置信息。
圖2表示本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)使用統(tǒng)一的無線收發(fā)機的結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，10代表無線收發(fā)機的物理層，本發(fā)明假設(shè)采用但不限于IEEE802. Iln 無線局域網(wǎng)的廉價芯片。其中，101為天線部分，可能包括MIMO天線波束控制。102為射頻電路，包括接收機和可控功率的發(fā)射機。如果基站覆蓋半徑較大，如空曠地區(qū)基站覆蓋半徑可能達(dá)到1公里以上，此時需要高性能無線收發(fā)機，包括定向增益天線、大功率發(fā)射器和低噪音接收器，其他部分不變。103為基帶信號處理，包括調(diào)制解調(diào)和糾錯編碼、解碼。
如圖2所示，20代表網(wǎng)絡(luò)模塊，201代表空間接口的媒體接入層，滿足CTDM/CTDMA 組幀要求，可能提供IOO-IOOOMbps的原始帶寬。202代表執(zhí)行本無線收發(fā)機所有軟硬件流程的處理機。其中包括主基站地址導(dǎo)向和通用網(wǎng)絡(luò)接口，假設(shè)采用但不限于介質(zhì)獨立MII 標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明無線收發(fā)機的網(wǎng)絡(luò)接口可能連接終端功能203、固網(wǎng)204和本地交換205，實際上，網(wǎng)絡(luò)連接到什么對象，僅僅取決于基站地址的映射關(guān)系。
顯然，本發(fā)明的無線收發(fā)機可用單一的ASIC芯片(基帶信號及網(wǎng)絡(luò)模塊)，加上略有不同的射頻電路組成，甚至可以使用免費開放ISM頻段，因此，具備極低的生產(chǎn)和使用成本。
本發(fā)明無線微基站網(wǎng)絡(luò)的首要特征是終端和基站的同質(zhì)化，或者說，同時包含基站和終端的全部網(wǎng)絡(luò)功能，基本相同的模塊配置不同的任務(wù)參數(shù)而已。
本發(fā)明所謂的用戶終端就是同質(zhì)無線收發(fā)機附加多種應(yīng)用功能，其中，軟件模塊如視音編解碼和圖形界面等；硬件模塊如屏幕、攝像頭、鍵盤和遙控器之類。
本發(fā)明所謂的基站就是同質(zhì)無線收發(fā)機附加不同的網(wǎng)絡(luò)接口，其中，公共無線基站一般用光纖連接得到最大帶寬能力，家用基站一般用以太網(wǎng)線連接得到最低成本。如果無線基站開放數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，稱為中繼站。如果無線中繼站(或基站)附帶GPS模塊，就具備了精確時序分配和物理定位能力。在遭遇災(zāi)難時，能夠升格為區(qū)域管理職能。
為了增加基站和中繼站覆蓋范圍，需要增強無線收發(fā)機的性能，包括高增益天線、高功率發(fā)射和低噪音接收模塊。為了增加系統(tǒng)帶寬，需要降低無線收發(fā)機的發(fā)送功率， 增加基站密度。有時為了特殊需要，如抗災(zāi)，可以命令用戶終端開放數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，成為一個中繼站，確保災(zāi)區(qū)無線通信的覆蓋率。
綜上所述，由于本發(fā)明通過安裝高密度微基站，與傳統(tǒng)移動通信相比，局部帶寬增長潛力達(dá)萬倍以上。因此，只要有需要，不必?fù)?dān)心帶寬不足。在這樣的理念下，微基站設(shè)計不再強調(diào)頻譜效率和申請更多的使用頻段，降低設(shè)備成本和簡化安裝管理流程成為最重要的考量。本發(fā)明所描述的無線微基站使用單一物理層技術(shù)，在相同的頻段，實現(xiàn)同質(zhì)通信。
本發(fā)明所描述的廉價微基站可能不足一包香煙大小，通過光纖連接成網(wǎng)，耗電很少(適合電池供電)，而且成本極低。遇到特大災(zāi)難，可以通過火炮發(fā)射，或者直升機空投自帶電源的無線中繼站(假設(shè)三分之一投放成功)，無需安裝和調(diào)試。
二、本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)本發(fā)明所述的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是由高性能固網(wǎng)(光纖)連接多個無線覆蓋區(qū)，或稱無線局域網(wǎng)。每個無線局域網(wǎng)都有一個主基站，通過高性能固網(wǎng)連接其他基站，或者通過無線連接其他中繼站。主基站執(zhí)行區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中心控制，包括發(fā)射網(wǎng)絡(luò)同步時標(biāo)，同頻同質(zhì)無線收發(fā)、時分復(fù)用和多址、基站間無損切換。部分基站或中繼站可能包含GPS模塊，如果故障或災(zāi)難原因地面固網(wǎng)中斷，帶GPS模塊的中繼站可能自動接管區(qū)域管理功能，發(fā)射無線網(wǎng)絡(luò)同步時標(biāo)，其中包括地理位置信息?；鹃g連接能夠切換到無線模式，在降低系統(tǒng)局部帶寬容量的前提下，確保通信網(wǎng)絡(luò)暢通。詳見圖3及其說明。
圖3表示本發(fā)明無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)。
如圖3所示，主基站302通過高性能固網(wǎng)330連接上級網(wǎng)絡(luò)300。在本發(fā)明中上級網(wǎng)絡(luò)可以是一臺服務(wù)器或者廣域的MP互聯(lián)網(wǎng)?；蛘哒f，上級網(wǎng)絡(luò)不在本發(fā)明的范圍內(nèi)，因此，本發(fā)明無線網(wǎng)絡(luò)的管理中心是主基站302。
假設(shè)主基站在上級網(wǎng)絡(luò)中被授予地址A，假設(shè)主基站和其他基站只有4個固網(wǎng)連接端口，如圖3所示，解釋系統(tǒng)的入網(wǎng)過程如下
首先，必須了解一對管理方設(shè)備和被管方設(shè)備的管理機制，其中，入網(wǎng)成功后的基站被授予基站地址，基站地址等于上級基站地址加上上級基站的端口號。整個入網(wǎng)過程實現(xiàn)了基站和終端設(shè)備即插即用的目標(biāo)。詳見本發(fā)明實施方式第三條網(wǎng)絡(luò)管理以及相關(guān)描述。
如圖3所示，假設(shè)主基站302已經(jīng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并向3個固網(wǎng)端口發(fā)送端口查詢指令?；?01、305和303分別進(jìn)入入網(wǎng)流程，如果入網(wǎng)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。當(dāng)這3個基站正常工作后，主基站302 進(jìn)一步向下一層未連接的端口發(fā)送端口查詢指令，其中包括All、A12、A13、A21、A22、A23、 A31、A32、A33。根據(jù)圖3所示的連接狀態(tài)，基站304將經(jīng)由連接335，回答All的查詢，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。當(dāng)上述4個基站正常工作后，主基站再進(jìn)一步向下一層未連接的端口發(fā)送端口查詢指令，此時，只有基站307經(jīng)由連接338，回答A112的查詢，并被授予地址A112。因為不知道何時會有新的基站加入，主基站將不停地向那些已入網(wǎng)基站的空閑端口發(fā)送端口查詢指令。另一方面，任何已入網(wǎng)的基站將不停地受到主基站的狀態(tài)查詢，一旦發(fā)生故障或停電，只要狀態(tài)查詢連接中斷，立即導(dǎo)致局部退網(wǎng)、告警、自動修復(fù)或等待人工修復(fù)。
如圖3所示，主基站302除了通過固網(wǎng)自動指令所有基站入網(wǎng)，還通過開放的無線空間接口發(fā)送端口查詢指令。與有線固網(wǎng)不同，任何無線設(shè)備(基站、中繼站和終端)都可能應(yīng)答端口查詢指令，甚至在應(yīng)答過程中產(chǎn)生信號沖突。本發(fā)明采用業(yè)界常用的等待隨機時間后重發(fā)的方式避免信號沖突。同時，為所有應(yīng)答成功的無線設(shè)備分配邏輯號，使得該設(shè)備以后的信令連接保證在資源預(yù)留的狀態(tài)下進(jìn)行。也就是說，主基站允許任意無線設(shè)備在任意基站入網(wǎng)，并且分配邏輯信道號LCN (即基站號加上在該基站的邏輯號)。詳見本發(fā)明實施方式第四條無損切換以及相關(guān)描述。
如圖3所示，一臺無線設(shè)備可能被授予多個邏輯信道號，主基站302記錄了所有無線設(shè)備的全部邏輯信道號。在狀態(tài)查詢過程中，主基站302還發(fā)送指令調(diào)節(jié)每個無線基站的發(fā)射功率和天線波束，并記錄所有邏輯信道號附加的信號強度信息，實現(xiàn)全網(wǎng)信噪比優(yōu)化流程。由于中繼站的位置基本固定，基站306收到中繼站315和316的信號最強，主基站根據(jù)信號狀態(tài)，確定組成復(fù)合基站，并分別授予中繼站315和316地址A3M和A325。
如圖3所示，無線終端入網(wǎng)時向主基站302遞交該終端的用戶信息，每當(dāng)主基站感知到新的無線終端，就會授予一個獨立的終端地址，或者說，該終端在本網(wǎng)絡(luò)的分機地址。
本發(fā)明所述的無線網(wǎng)絡(luò)有兩種組網(wǎng)方式第一種是獨立成網(wǎng)，提供一個封閉區(qū)域內(nèi)的無線通信服務(wù)。如果是獨立的無線網(wǎng)絡(luò)，則所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換都在主基站實現(xiàn)。
第二種是無線局域網(wǎng)，或者說，作為MP互聯(lián)網(wǎng)的接入手段。MP互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)類似，有兩層結(jié)構(gòu)，即由服務(wù)節(jié)點(類似5ESS交換機)連接有限多個用戶(如一萬戶)，然后由骨干網(wǎng)交換機(類似4ESS交換機)連接任意多個服務(wù)節(jié)點擴(kuò)展成全球網(wǎng)絡(luò)。
如果是MP無線局域網(wǎng)，則主基站成為高性能廣域網(wǎng)(MP互聯(lián)網(wǎng))的服務(wù)連接點。 MP無線局域網(wǎng)中的所有數(shù)據(jù)交換，包括內(nèi)部通信和外部服務(wù)，都在MP互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)節(jié)點實現(xiàn)。根據(jù)MP互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，每個用戶都可建立一個家庭局域網(wǎng)，并有數(shù)萬個分機地址。因此， MP無線局域網(wǎng)實際上可以看成MP互聯(lián)網(wǎng)的一個開放用戶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。移動終端可以看成用戶終端異地漫游，在當(dāng)?shù)孬@得一個臨時分機地址。
本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備如下全新特征
第一，微基站結(jié)構(gòu)(基站距離可以小到10米以下)，大幅度增加頻譜資源的空間復(fù)用率， 滿足大規(guī)模視頻應(yīng)用所需的帶寬能力。
第二，基站間信號深度交叉覆蓋，避免了低信噪比的邊緣區(qū)域。中心控制的時分多址，嚴(yán)格杜絕信號干擾，確保全部通信品質(zhì)滿足實時視音頻通信的需求。
第三，采用高速無損切換方法，嚴(yán)格杜絕小區(qū)間信號切換造成的丟包現(xiàn)象，確保數(shù)百公里時速車載終端通信流暢，幾乎為零的丟包率。
第四，在一個區(qū)域內(nèi)，根據(jù)潛在用戶分布，不均勻選擇基站位置。另外，本發(fā)明突破傳統(tǒng)的蜂窩基站小區(qū)界線，中心控制的終端服務(wù)通道，能夠隨當(dāng)前用戶終端分布密度和通信流量，動態(tài)改變基站的小區(qū)邊界。
詳細(xì)內(nèi)容參考本專利發(fā)明人的另一項專利《中心控制時分復(fù)用無線通信微基站網(wǎng)絡(luò)》。
三、本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理和即插即用本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的主要特征還包括即插即用(Plug & Play)，無需復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和參數(shù)配置，全部無線設(shè)備自適應(yīng)入網(wǎng)。并且，隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主動(彈性需求)或被動(故障和災(zāi)難)改變，全部無線設(shè)備自動保持最佳連接狀態(tài)。
本發(fā)明的無線設(shè)備(基站、中繼站或用戶終端)在入網(wǎng)前，并不知道自身在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置。同樣，在設(shè)備入網(wǎng)前，主基站網(wǎng)絡(luò)管理也完全不知道進(jìn)入本區(qū)域無線設(shè)備的連接情況。主基站只能試探性發(fā)送端口查詢指令，包括新設(shè)備接入的時隙地址和當(dāng)前配置信息，新進(jìn)入該區(qū)域的無線設(shè)備起動入網(wǎng)程序，回答端口查詢并向網(wǎng)絡(luò)管理報告自身信息，實現(xiàn)雙方的信息交流，完成自動入網(wǎng)流程，或稱為軟啟動。
從另一個角度，本發(fā)明的主基站的網(wǎng)絡(luò)管理定時向每個在本區(qū)域入網(wǎng)的無線設(shè)備 (基站、中繼站或用戶終端)發(fā)送狀態(tài)查詢指令，或稱為網(wǎng)絡(luò)心跳。狀態(tài)查詢指令中包含了被查詢設(shè)備的標(biāo)識，因此查詢過程針對被查設(shè)備具有唯一性。無線設(shè)備在應(yīng)答中，包含自身和周邊環(huán)境的狀態(tài)信息，因此，主基站的網(wǎng)絡(luò)管理能夠隨時了解當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的運行細(xì)節(jié)。若主基站網(wǎng)絡(luò)管理連續(xù)幾個周期停止向某設(shè)備發(fā)送狀態(tài)查詢指令，該設(shè)備內(nèi)部的看門狗就會迫使設(shè)備退網(wǎng)，或稱軟復(fù)位。同樣道理，若無線設(shè)備脫離網(wǎng)絡(luò)(離開區(qū)域、下電或故障)，主基站的網(wǎng)絡(luò)管理在幾個周期內(nèi)收不到該設(shè)備發(fā)回的狀態(tài)查詢應(yīng)答，主基站網(wǎng)絡(luò)管理的看門狗就會迫使該設(shè)備進(jìn)入未連接狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)備的重要程度向網(wǎng)絡(luò)管理員發(fā)出告警，或直接起動故障處理程序。
圖4表示本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)管理流程，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即插即用的原理。
如圖4所示，不論管理方還是被管方都執(zhí)行相同的狀態(tài)機。每個狀態(tài)機有3個穩(wěn)定狀態(tài)初上電狀態(tài)、待入網(wǎng)狀態(tài)和正常工作狀態(tài)。當(dāng)滿足特定的觸發(fā)條件時，轉(zhuǎn)移到另一個穩(wěn)定狀態(tài)，同時可能執(zhí)行某個特定的操作。被管方運行這個狀態(tài)機代表自身狀態(tài)，管理方維護(hù)所有被管設(shè)備狀態(tài)機的副本，具體表現(xiàn)為主基站設(shè)備信息表中的一個變量位置。因此， 主基站掌握全部被管設(shè)備的狀態(tài)。這組狀態(tài)機管理機制能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)設(shè)備即插即用。具體說，除了事先記錄在設(shè)備內(nèi)部的信息外，在現(xiàn)場安裝過程中無需人工輸入任何參數(shù)，系統(tǒng)能夠自動進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)中，管理方自動收集各種網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)，實現(xiàn)更高層次的系統(tǒng)管理。
如圖4所示，41代表初上電狀態(tài)，設(shè)備開機411后即進(jìn)入此狀態(tài)，在沒有特定外來觸發(fā)條件421時，將長期保持在此狀態(tài)。42代表待入網(wǎng)狀態(tài)，進(jìn)入此狀態(tài)后，立即啟動一個超時計數(shù)器，如果沒有特定外來觸發(fā)條件431，一旦超時未收到入網(wǎng)指令412時，將迫使設(shè)備退回初上電狀態(tài)41。43代表正常工作狀態(tài)，進(jìn)入此狀態(tài)后，立即啟動一個超時計數(shù)器，如果沒有特定外來觸發(fā)條件432，一旦超時未收到狀態(tài)查詢指令413時，將迫使設(shè)備退回初上電狀態(tài)41。
如圖4所示，為了進(jìn)一步描述本發(fā)明的管理機制，假設(shè)管理方只針對單一被管方。 由于管理方不知道被管方在何時何地進(jìn)入系統(tǒng)或首次開機，又由于任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只能從正常工作的固網(wǎng)交換機空閑端口或者正常工作的無線基站(包括主基站和中繼站)有效覆蓋區(qū)內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)，因此，管理方定時無目標(biāo)地向所有正常工作的交換機尚未連接的端口以及所有基站的空間接口發(fā)送試探性的端口查詢指令，這個指令包含固網(wǎng)端口地址或者無線基站號碼。首次進(jìn)入系統(tǒng)的被管設(shè)備收到端口查詢指令421，即得知現(xiàn)在所處的網(wǎng)絡(luò)位置(固網(wǎng)地址或者無線基站號碼)，被管設(shè)備在端口應(yīng)答指令中包含網(wǎng)絡(luò)位置以及設(shè)備自身信息。 同時，被管設(shè)備內(nèi)置狀態(tài)機從初上電狀態(tài)41進(jìn)入待入網(wǎng)狀態(tài)42。另一方面，管理方收到被管方的應(yīng)答指令，從該指令中得知被管方的設(shè)備信息和網(wǎng)絡(luò)位置，滿足條件421，將該被管方的狀態(tài)設(shè)置為待入網(wǎng)42。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和被管方信息，管理方進(jìn)一步發(fā)出入網(wǎng)指令431， 告訴被管方更詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)信息和操作指令。如果是無線設(shè)備(中繼站或終端)，入網(wǎng)指令中包括分配一個新的邏輯信道號碼LCN(基站號+邏輯號)。回到被管方，在尚未超時的前提下， 被管方收到入網(wǎng)指令431后，執(zhí)行入網(wǎng)指令中規(guī)定的操作，發(fā)回入網(wǎng)應(yīng)答指令，然后轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)43。再看管理方，如果在超時前收到被管方的入網(wǎng)應(yīng)答指令，滿足條件431，將該被管方的狀態(tài)設(shè)置為正常工作狀態(tài)43。需要特別指出，一個無線設(shè)備可能在多個基站入網(wǎng)，也就是說，分配到多個邏輯信道號LCN。
如圖4所示，當(dāng)被管方進(jìn)入正常工作狀態(tài)43后，管理方定時(小于條件413)向被管方發(fā)送狀態(tài)查詢指令，其中包括但不限于調(diào)整被管方的工作參數(shù)，如發(fā)射功率、天線波束和心跳速率等。被管方收到狀態(tài)查詢指令，除了按要求調(diào)整工作參數(shù)，還重新啟動超時計數(shù)器，然后發(fā)回狀態(tài)查詢應(yīng)答指令，其中包括但不限于被管方和周邊環(huán)境狀態(tài)，如收到基站和其他終端的信號強度、背景噪音、干擾源和溫度等。在管理方一側(cè)，收到被管方的狀態(tài)應(yīng)答指令，重新啟動超時計數(shù)器，記錄收集到的各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。管理方從全部被管方發(fā)回的狀態(tài)參數(shù)中得知全面和即時的網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)信息，為實現(xiàn)更高層次的宏觀控制作好準(zhǔn)備。
由此可見，不論無線終端是否申請服務(wù)，只要進(jìn)入某基站有效通信范圍，就與該基站保持一個網(wǎng)絡(luò)管理通路，跟隨網(wǎng)絡(luò)心跳(或稱軟復(fù)位流程)。實際上，一臺無線終端可能同時與多臺基站或中繼站保持管理通路，即冗余的管理信息。同理，新增基站自動入網(wǎng)后，周圍其他基站自動縮小覆蓋范圍，在該局部區(qū)域內(nèi)，自動提升系統(tǒng)的帶寬能力。
本發(fā)明改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理思路，通過動態(tài)的軟啟動和軟復(fù)位程序，具備快速適應(yīng)設(shè)備和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整的自學(xué)習(xí)能力。將網(wǎng)絡(luò)流量工程、路由選擇、基站切換、容錯功能、疆域擴(kuò)展和界定等功能融合到一組協(xié)議流程中，實現(xiàn)全網(wǎng)設(shè)備的即插即用。
四、本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的低延遲和無損基站切換傳統(tǒng)無線Mesh和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)存在許多冗余的數(shù)據(jù)通路，盡管增強了可靠性，但是導(dǎo)致資源浪費。本發(fā)明采用多通路網(wǎng)絡(luò)管理實現(xiàn)地址映射，經(jīng)動態(tài)加權(quán)選擇，保持唯一的用戶服務(wù)數(shù)據(jù)通路，并且是最佳通路。一般來說，由于用戶服務(wù)數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)，本發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)能夠獲得很高的帶寬效率。
圖5表示本發(fā)明無線終端地址映射結(jié)構(gòu)，以及基站無損切換的原理。
如圖5所示，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的主基站維持本區(qū)域內(nèi)所有終端地址與基站邏輯通道之間的映射表51。如前所述，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)管理為每一臺新入網(wǎng)(開機上電)的無線終端分配一個臨時網(wǎng)絡(luò)地址52(TA)。另外，本發(fā)明每臺無線終端都與多臺基站和中繼站建立網(wǎng)絡(luò)管理通路，并獲得多個邏輯通道號53 (LCN)0 如圖5所示，本發(fā)明主基站地址與邏輯通道之間的映射表51中，多個邏輯通道號按無線信號強度加權(quán)排列。其中，最前的邏輯通道號代表唯一和最佳的通路。如果某條鏈路擁擠，只需降低其權(quán)重，就能實現(xiàn)自動分流。
如圖5所示，來自上級固網(wǎng)的下行數(shù)據(jù)包56經(jīng)過邏輯通道插入模塊54，查詢映射表51，將對應(yīng)的邏輯通道號插入數(shù)據(jù)包58，轉(zhuǎn)發(fā)至本地?zé)o線局域網(wǎng)。另外，來自本地?zé)o線局域網(wǎng)的上行數(shù)據(jù)包59，經(jīng)過邏輯通道剝離模塊55，恢復(fù)到上級固網(wǎng)的上行數(shù)據(jù)包格式57。
如前所述，本發(fā)明采用深度交叉覆蓋的微基站架構(gòu)，無線終端可能與多個基站建立管理連接，但是，只與唯一基站建立數(shù)據(jù)服務(wù)通道。如圖5所示，當(dāng)終端移動時，多個基站管理連接的信號強度發(fā)生變化，邏輯通道的排列相應(yīng)調(diào)整，下一個數(shù)據(jù)包可立即改變轉(zhuǎn)發(fā)通道。
本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)數(shù)據(jù)通道永遠(yuǎn)是多路基站管理連接中的最佳選擇，全部無線用戶數(shù)據(jù)通信都能保持足夠的信噪比，因此，基站切換過程幾乎不會造成丟包現(xiàn)象，實際上， 能夠?qū)崿F(xiàn)即時的無損基站切換。
另外，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的通路選擇流程獨立于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制，系統(tǒng)不存在多余的數(shù)據(jù)緩存器，因此，用戶數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)延遲極低。
由此可見，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的基站切換由較慢的通路選擇流程和即時數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)機制兩個獨立部分組成。實際上，通路選擇流程一般需要多次心跳周期完成，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的心跳周期時間可以動態(tài)調(diào)整，也就是說，基站切換時間隨環(huán)境需要可調(diào)。
在終端密集的熱點區(qū)域，降低網(wǎng)絡(luò)心跳，可以減少帶寬資源消耗。在道路沿線，面對數(shù)百公里時速的車載終端，提高網(wǎng)絡(luò)心跳，確保實時視頻通信的丟包率幾乎為零。
五、本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的多點故障處理和平災(zāi)轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)一般只要求系統(tǒng)具備單點故障處理和恢復(fù)能力，因為，多臺設(shè)備同時發(fā)生故障的幾率幾乎為零。但是，遭遇重大災(zāi)難，如地震海嘯，電力系統(tǒng)、地面固網(wǎng)和大部分無線基站可能同時損毀。
本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的每一個基站和終端都能夠連續(xù)感知即時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，一旦檢測到網(wǎng)絡(luò)連接異常，如有線或無線通信中斷，立即向上級網(wǎng)絡(luò)管理報告。另外，由于本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)無線基站的分布深度交叉覆蓋，基站間可能具備多條潛在的無線通路，一旦基站的光纖通信中斷，基站間還能在降低帶寬容量的前提下，維持無線通信暢通。
如果有多個設(shè)備感知到類似的異常情況，可能是某個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障，或者人為事故，或者發(fā)生重大災(zāi)難。如果原先正常的網(wǎng)絡(luò)管理體系受損，局部系統(tǒng)就會自動啟動應(yīng)對流程。也就是說，應(yīng)對重大災(zāi)難只是平時故障處理流程的一部分。
由于網(wǎng)絡(luò)管理中心保留事故發(fā)生前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和全部設(shè)備工作狀態(tài)記錄，只要將這些數(shù)據(jù)與事故發(fā)生后收集到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息比較，就能清楚地界定事故范圍?；蛘邉澐殖啥鄠€不同受災(zāi)等級的局部區(qū)域。根據(jù)事先準(zhǔn)備好的預(yù)案規(guī)則，選擇不同等級的故障處理流程。實際上，隨著事態(tài)發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)修復(fù)行動的進(jìn)展，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)隨時有變化。本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)管理流程具備了動態(tài)應(yīng)對故障的能力。
本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的無線基站按5個等級應(yīng)對故障
0級故障(正?；?保持原有的光纖連通，執(zhí)行充分的基站任務(wù)。
1級故障原有光纖通信中斷，但是能通過直接無線通路與某個基站連通，自動切換執(zhí)行充分的中繼站任務(wù)。
2級故障原有光纖通信中斷，無直接無線通路至任何基站，但是能夠通過無線通路連通某個中繼站，自動切換執(zhí)行部分中繼站任務(wù)。
3級故障原有光纖通信中斷，無直接無線通路至任何基站或中繼站，但是能夠通過無線通路連通用戶終端，間接連通某個基站，自動切換執(zhí)行部分中繼站任務(wù)。
4級故障完全失去聯(lián)絡(luò)，檢查該基站所屬區(qū)域，若無有效基站，自動確認(rèn)盲區(qū)地理位置和范圍，建議投放臨時中繼站。
綜上所述，本發(fā)明平災(zāi)轉(zhuǎn)換模式遵循2條基本原則
第一，無線通信網(wǎng)絡(luò)分成多個區(qū)域，區(qū)域分界動態(tài)可變。遇到故障或災(zāi)難，無線區(qū)域可以自動分拆或合并。
第二，每個區(qū)域都有一個主基站，執(zhí)行區(qū)域管理功能。如果主基站失效，區(qū)域內(nèi)殘存的基站和中繼站自動選舉出新的主基站。在重大災(zāi)難時，無線終端也可能成為中繼站，甚至主基站，代行區(qū)域管理職能。確保區(qū)域內(nèi)通信暢通。
圖6表示本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)遭遇重大災(zāi)難時，假設(shè)圖3網(wǎng)絡(luò)中基站303和306及其相關(guān)固網(wǎng)損毀，系統(tǒng)檢測到局部區(qū)域通信中斷。
由于本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)無線基站信號深度交叉覆蓋，如圖6所示，假設(shè)基站309能夠通過無線信號連接基站308，授予地址A234。中繼站316能夠無線連接基站309，授予地址 A2344。中繼站315能夠連接中繼站316，授予地址A23444。與此同時，基站302、305和308 自動提升發(fā)射功率，擴(kuò)大覆蓋距離。另外，局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變后，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)即插即用的管理體系能夠指令用戶終端快速重新入網(wǎng)，因此，可即時恢復(fù)受災(zāi)區(qū)域的無線通信。
如果災(zāi)難發(fā)生后，系統(tǒng)留下通信覆蓋盲區(qū)，可以向盲區(qū)位置遠(yuǎn)程投放免安裝的臨時中繼站。根據(jù)投放方式，如火炮發(fā)射或直升機空投，適當(dāng)增加臨時中繼站的數(shù)量，只要少數(shù)中繼站投放成功，就能恢復(fù)盲區(qū)的通信連接。
重要的是，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)遭遇重大災(zāi)難時，能夠繼續(xù)使用民眾平時隨身攜帶的無線終端保持不間斷的通信聯(lián)絡(luò)。
六、本發(fā)明平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的安全和抗干擾能力網(wǎng)絡(luò)安全和抗干擾能力永遠(yuǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的重點，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)也不例外。
針對本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的特點，網(wǎng)絡(luò)的安全問題歸結(jié)為以下3點
第一，射頻干擾泛指與本系統(tǒng)不兼容的收發(fā)機，甚至微波爐之類設(shè)備。
第二，非智能攻擊泛指攻擊者采用兼容本系統(tǒng)的收發(fā)機，掌握一些底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要實施偷聽和拒絕服務(wù)之類的簡單攻擊。
第三，智能攻擊泛指攻擊者掌握本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的全部技術(shù)細(xì)節(jié)，能夠使用任意強大的設(shè)備，但是，不能潛入上級網(wǎng)絡(luò)管理中心直接發(fā)送攻擊指令。
如果攻擊者能夠在網(wǎng)絡(luò)管理中心任意操作，那么，這已是占領(lǐng)，不屬于攻擊范疇了。
本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)針對上述3類攻擊具備以下應(yīng)對能力
針對射頻干擾，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)能夠自動跟蹤干擾源的變化，采取應(yīng)對措施，包括提高自身發(fā)射功率、降低有效帶寬、直至切斷局部無線通信。同時向上級網(wǎng)絡(luò)管理報告干擾強度和位置。由于本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)采用微基站架構(gòu)，射頻干擾的范圍較小，容易排除，防范效率高。
針對非智能攻擊，由于本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)的基站覆蓋范圍很小，一般近距離偷聽和小范圍拒絕服務(wù)攻擊沒有實際意義。
針對智能攻擊，由于本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的管理流程和準(zhǔn)入機制，未經(jīng)注冊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括基站和終端，不可能啟動協(xié)議流程。盡管添加基站手續(xù)極其簡單，但是，要想插入未經(jīng)注冊的基站絕無可能。如果復(fù)制用戶終端入網(wǎng)，一旦網(wǎng)絡(luò)管理檢測到相同ID的設(shè)備，立即啟動復(fù)審流程，快速排除克隆設(shè)備。另外，一旦網(wǎng)絡(luò)管理檢測到可疑的服務(wù)申請，立即向用戶發(fā)送確認(rèn)信息。實際上，如果缺乏有效管理，如互聯(lián)網(wǎng)和大部分無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)安全是個難以達(dá)到的目標(biāo)。但是，如果具備有效管理，網(wǎng)絡(luò)安全并不是想象的那么難。
七、補充說明總之，本發(fā)明無線通信網(wǎng)絡(luò)能在平時能夠提供超越現(xiàn)有移動通信和無線局域網(wǎng)的服務(wù)能力，同時還能夠抵御重大災(zāi)難，在地面光纖和電力系統(tǒng)完全損毀的極端情況下，幾乎以零成本提供卓越的抗災(zāi)通信能力。
前面論述已經(jīng)公開了本發(fā)明的技術(shù)方案。本說明書論述的技術(shù)原理、解決方案、實施方式和

對于本發(fā)明具有描述性，而非限制性。這些說明不是被用來窮舉或者限制本發(fā)明的技術(shù)方案。很明顯，對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員來說，即使實施其他的變種或修改，都不會偏離本說明書所述整體方案的發(fā)明要旨。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍由本發(fā)明的權(quán)利要求書及其等效的范圍確定。
權(quán)利要求
1.一種平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其特征在于由完全同質(zhì)的無線收發(fā)機組成，附加不同的管理功能后構(gòu)成基站、中繼站和終端，所述的無線收發(fā)機、基站、中繼站和終端都具備頻率相同、性能兼容的天線、相控陣和射頻收發(fā)電路；具備調(diào)制和編碼方式完全相同的時分復(fù)用/時分多址基帶信號處理和媒體適配器；具備完全相同的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口 ；所述的基站、中繼站和終端具備互換的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的基站由統(tǒng)一的收發(fā)機和具有不同帶寬的固網(wǎng)接口模塊組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的中繼站由統(tǒng)一的收發(fā)機和固網(wǎng)接口模塊組成，或由統(tǒng)一的收發(fā)機和GPS模塊組成。
4.權(quán)利要求1所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信方法，其特征在于所述無線通信網(wǎng)絡(luò)由同質(zhì)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括具有無線收發(fā)機的基站、中繼站和終端自由組成，是無明確拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的隨意網(wǎng)絡(luò)；每臺無線收發(fā)機即無線設(shè)備可以設(shè)置自己的身份，包括基站、中繼站和終端，在主基站和上級網(wǎng)絡(luò)的管理指令下，所述的基站、中繼站和終端的功能可以互換，根據(jù)無線設(shè)備的身份和分布狀態(tài)確定網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)；主基站的確定當(dāng)某個無線設(shè)備能夠通過高帶寬地面固網(wǎng)連通上級網(wǎng)絡(luò)時，則由上級網(wǎng)絡(luò)管理任命其為主基站；當(dāng)區(qū)域內(nèi)無法連通上級網(wǎng)絡(luò)時，則由本地的無線設(shè)備群選舉產(chǎn)生主基站；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，主基站負(fù)責(zé)統(tǒng)一規(guī)劃和管理本地區(qū)無線通信帶寬資源，包括任命其他無線設(shè)備終端為基站或中繼站，接受終端入網(wǎng)，為所有無線設(shè)備提供最佳的通信服務(wù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信方法，其特征在于，所述的主基站的責(zé)任的具體實施方式
包括主基站在通信幀指定的位置，向本區(qū)內(nèi)其他無線設(shè)備發(fā)送入網(wǎng)試探數(shù)據(jù)包或稱為端口查詢，本區(qū)內(nèi)尚未入網(wǎng)的無線設(shè)備通過時隙競爭，回答端口查詢，完成所述的無線設(shè)備入網(wǎng)；主基站定時向已入網(wǎng)的無線設(shè)備發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包或稱為狀態(tài)查詢，本區(qū)內(nèi)已入網(wǎng)的無線設(shè)備在指定幀位置回答主基站的狀態(tài)查詢；當(dāng)本區(qū)內(nèi)入網(wǎng)的無線設(shè)備被授予基站或中繼站功能時，他們就執(zhí)行類似主基站的端口查詢和狀態(tài)查詢的職責(zé)，接受其他無線設(shè)備入網(wǎng)；每臺入網(wǎng)的無線設(shè)備被授予臨時的邏輯信道號，由基站號加邏輯號組成，所述的基站號是指轉(zhuǎn)發(fā)端口查詢和狀態(tài)查詢的基站的標(biāo)識號碼，邏輯號是指該基站臨時授予該無線設(shè)備的唯一識別號碼；所述的邏輯信道號在無線信號覆蓋區(qū)域內(nèi)是唯一的，但也是臨時的，只在維持狀態(tài)查詢和應(yīng)答期間有效，所述的狀態(tài)查詢和應(yīng)答的雙向持續(xù)的數(shù)據(jù)包構(gòu)成一個管理通道，傳遞管理信息；但由于無線設(shè)備的位置的變動性，每臺無線設(shè)備與不同基站建立的管理通道是獨立的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信方法，其特征在于，所述的主基站根據(jù)每臺入網(wǎng)的無線設(shè)備狀態(tài)條件，包括無線信號強度、終端的重要性和業(yè)務(wù)的重要性，選定一條管理通道為服務(wù)通道，即主基站管理的區(qū)域內(nèi)每臺無線終端可能有多條管理通道，但只有唯一的服務(wù)通道，所有管理通道和服務(wù)通道都處于動態(tài)變化中，服務(wù)通道永遠(yuǎn)保持最佳通信能力，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過每臺無線設(shè)備終端的服務(wù)通道提供網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信方法，其特征在于，所述的無線設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)通過與主基站、或基站、或中繼站的端口查詢和狀態(tài)查詢，獨立地完成管理通道的建立和服務(wù)通道的選擇；該無線設(shè)備與主基站之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包傳輸總是通過服務(wù)通道實現(xiàn)的，同時服務(wù)通道總是該設(shè)備與不同基站之間的最佳信號通路。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信方法，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)沒有固定的區(qū)域邊界，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨外界條件，包括用戶流量、故障、或災(zāi)難的變化而變化，主基站管理的無線覆蓋區(qū)域隨時分拆或合并。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信方法，其特征在于，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際連通狀態(tài)包括故障或災(zāi)難，主基站指令某臺無線設(shè)備終端執(zhí)行中繼站的功能，保持網(wǎng)絡(luò)通信暢通；主基站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際帶寬能力，動態(tài)地調(diào)整服務(wù)項目，有選擇地關(guān)閉部分非關(guān)鍵業(yè)務(wù)，確保緊急通信暢通。
全文摘要
一種平災(zāi)兼容的無線通信網(wǎng)絡(luò)及其通信方法，該無線通信網(wǎng)絡(luò)由完全同質(zhì)的無線收發(fā)機組成，附加不同的管理功能后構(gòu)成基站、中繼站和終端，所述的無線收發(fā)機、基站、中繼站和終端都具備頻率相同、性能兼容的天線、相控陣和射頻收發(fā)電路；具備調(diào)制和編碼方式完全相同的時分復(fù)用/時分多址基帶信號處理和媒體適配器；具備完全相同的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口；所述的基站、中繼站和終端具備互換的功能。本發(fā)明平時能夠提供超越現(xiàn)有移動通信和無線局域網(wǎng)的服務(wù)能力，同時還能夠抵御重大災(zāi)難，幾乎以零成本提供卓越的抗災(zāi)通信能力，在地面光纖和電力系統(tǒng)完全損毀的極端情況下能夠提供密集不間斷語音和其他圖文通信，品質(zhì)接近商用網(wǎng)絡(luò)等級。
文檔編號H04W80/00GK102186260SQ201110129888
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者高漢中 申請人:高漢中