CN102348293B - 用于无线接入的分层网格网络 - Google Patents

Abstract

将无线网格网络配置作为多级分层网络，分层中的每级具有多个节点。可以在多个第一级网格中组织各用作接入点的节点的多个集群，第一级网格中的每个与具有用作第一级网格网关的第二级网关连接。贯穿网格网络整个拓扑，可以将第一级和第二级网格中的每个的节点个数限制于预定节点个数，以改进网格网络的性能。

Description

用于无线接入的分层网格网络

本申请是申请日为2006年1月26日，申请号为200680003803.6的专利申请“用于无线接入的分层网格网络”的分案申请。

本申请是要求在2005年2月1日提交的美国临时申请序列号No.60/648,774(Farhad Mighani、Srinivas Vutukury和AssimakisTzamaloukas的名为Hierarchical Mesh Network for Wireless Access)(将其一并引入作为参考)的35 U.S.C sec.119(e)之下的优先权益的非临时申请。

技术领域

本公开总体上涉及一种通信系统，更具体地，涉及一种无线宽带通信网络和一种用于数据-语音发送和接收的方法。

背景技术

通常使用的一种形式的通信系统是所谓“网格网络(meshnetwork)”。网格网络是典型对于每个节点存在至少两个路径的网格通信网络。完全网格网络表示每个节点具有与每个其它节点的直接连接，这通常是精细和昂贵的结构。大多数网格网络部分形成网格，并需要经过一个或多个节点以从网络中的任何给定节点到每个其它节点。

网格网络可以实现为有线和/或无线网络。当以无线形式实现时，网格网络可以用于向还不具有有线通信基础结构的地理区域提供语音、数据和视频服务。尽管现有的蜂窝电话系统可以在这种区域内提供有限的无线服务，但是蜂窝系统并不适于传递宽带服务。

无线网格网络在不具有发达的传统通信基础结构的发展中国家中尤其有价值。然而，现有的无线网格解决方案通常设计用于发达的市场，从而对于发展中国家来说过于昂贵。此外，现有的无线网格产品典型地关注于室内应用，并不适于室外和漫游应用。

网格网络还可以用于向人口密集区域提供宽带服务。这种区域的示例可以包括诸如住宅和公寓开发、大学校园、以及研究和发展及工业园之类的城市和郊区位置。网格网络通常用于通过网络来为例如消费者的家或公寓中的无线设备提供至与更大(典型地，有线)网络(如，因特网)相连的网关的连接。随着在这种网格网络、尤其在人口密集的网格中的节点数的增加，来自任何给定节点的传输可以到达多个其它节点上的接收机，从而对于这种节点之间的干扰和路由的管理变得日益复杂。

有时，与无线网格网络中的不良路由管理相关联的一个问题在于通信时延的引入，通信时延在语音通信中不期望地产生了所谓“抖动”。有时，与路由管理相关的另一问题是系数带宽利用的保持，这对于与硬线网络形成对比的无线网络中的性能更加关键。管理干扰和路由的复杂度的进一步增加在于每个节点的操作可能不完全在中央操作中心的控制下，以及优选应答确保网络中的所有业务。

因此，将会期望具有改进的安全无线网格网络系统和方法，所述系统和方法适于在人口密集的区域中使用，减少了路由时延和抖动，并且对于在发达和发展中国家中的企业和消费者来说都更加消费得起。

附图说明

为了更加完整地理解本公开，现在对以下附图作出参考，其中，在所有附图中，类似的参考数字指示类似的项：

图1示出了根据本公开典型实施例的两级网格网络；

图2示出了根据本公开典型实施例的网格网络设备，适用于图1的网格网络；以及

图3示出了根据本公开典型实施例的三级网格网络。

这里所示的示例示出了特定实施例，以及这些示例并不意在以任何方式作为限制。

具体实施方式

以下的描述和附图示出了足以使本领域技术人员能够实践这里所描述的系统和方法的特定实施例。其它实施例可以结合结构、逻辑、过程和其它改变。示例仅代表了可能的变体。除非明确需要，否则单独的组件和功能是可选的，以及操作的顺序可以改变。一些实施例的部分和特征可以包括在其它实施例的部分和特征中，或者作为其它实施例的部分和特征的替代。

以下在架构层面上，对在一些情况下实现本系统和方法的各种实施例的元件进行描述。可以使用公知的结构来配置多个元件。以使本领域技术人员能够实现这里所描述的功能和过程的方式来对这里的功能和过程进行描述。

以下所描述的过程可以通过由通用或网络或其它专用处理器运行的专用硬件形式和/或专用软件或固件形式来实现。可以将在这种过程中处理的数据或作为这种处理的结果而创建的数据存储在任何类型的存储器或现有技术中传统的其它计算机可读介质中，如在给定计算机系统或子系统的RAM中。附加或者择一地，可以将这种数据存储在较长期存储设备中，例如磁盘、可重写光盘等。为了这里的公开目的，计算机可读介质可以包括任何形式的数据存储机制，包括现有的存储技术以及这种结构和这种数据的硬件或电路表示。

还应当理解，可以使用各种技术来实现本系统和方法的技术。例如，可以以在可编程微处理器上运行的软件、或者以采用了微处理器或其它特别设计的应用特定集成电路、可编程逻辑设备的组合的硬件、或各种组合来实现这里所描述的方法。具体地，可以通过存在于诸如载波、盘驱动之类的存储介质或其它计算机可读介质上的一系列计算机可执行指令来实现这里所描述的方法。

如这里所使用的，“接入点节点”表示网格网络中的节点，其中，所述网格网络可以提供对至少一个端用户设备的无线接入、以及提供与网格网络中的至少一个其它接入点节点的无线通信。“网关节点”表示在提供了网格网络中至少两级之间的通信路径的网格网络中的节点。

本公开提供了一种在诸如无线宽带通信之类的通信中有用的无线网格网络，以及还提供了一种用于配置和操作用于数据和语音传输的网络的方法。典型地，将网格网络配置为多级分层网络，分层的每级具有多个节点。例如，可以在多个第一级网格中组织用作接入点的多个集群的节点，每个第一级网格与具有用作第一级网格的网关的多个节点的第二级网格连接。可以将第一级和第二级网格中的每个中的节点个数限制在预定节点个数，以改进网格网络的性能。

图1示出了包括第一级网格网络102、104、106和108的两级网格网络100。有时为了易于讨论，将特定分层上的网格网络简单地称为“网格”。第一级网格中的每个包括配置用于彼此通信的多个节点。例如，每个第一级网格可以是如在网格104中的完全网格化网络、或者如在网格102中的部分网格化网络。此外，一些节点可以仅与第一级网格中的另一节点相连。

典型地，第一级网格中的节点用作提供从端用户110至网格网络100的无线通信的接入点。网络100的一个可能的通信用途是将端用户设备110与外部网络112连接，例如，外部网络112可以是因特网或任何有线或无线网络。例如，外部网络112可以是商用局域网(LAN)的扩展，并共享网络设施的安全和其它属性。典型地，外部网络112将具有比网络100内的可用带宽高得多的带宽，所以期望从端用户设备110至外部网络112的通信路由尽可能的直接。

网格104可以包括多个接入点，如节点AP1和AP2。例如，可以使用以下所讨论的接入点设备来实现每个接入点节点。可选地，接入点节点使用例如多个SSID和支持例如如通过使用有线等效加密(WEP)或虚拟专用网络(VPN)的无线安全，来提供多个虚拟安全接入点。

例如，可以使用在2003年7月公开的因特网工程任务组(IETF)的网络工作站的请求注解(RFC)3561中描述的Ad hoc按需距离矢量(AODV)路由协议来实现网格网络100内的数据和语音通信的配置和路由，在此将RFC一并引入作为参考。可以使用AODV，将每个第一级和第二级网格配置为例如单个平面网格。每个第一级和第二级网格还可以被称为子网格或集群。每个子网格/集群优选被配置为子网。在一种方式中，这有助于确保不在所谓“超级网格”中传播AODV发现分组。这有助于减小整个路由开销，以及对于从分层网格拓扑中产生的一些实施例会是有利的。以下将进一步描述对于网格网络100会有用的AODV的特定修改。

第二级网格包括节点G1、G2、G3、G4和G5，可以将每个节点配置为以下所描述的网关设备，以作为第一级网格的网关节点。通常，第二级网格中的网关节点将与第一级网格中的至少一个接入点进行通信。例如，节点G1有规律地与节点AP1通信。网关节点可以与外部网络112连接。附加网关节点可以与网格网络100之外的其它外部网络连接。例如，应当注意，节点G1是第一级网格104和包括节点G2、G3、G4和G5的第二级网格的成员，其中，节点G1具有至少两个无线电设备：一个无线电设备与第一级网格104进行无线电通信，以及另一个无线电设备与第二级网格进行其它无线电通信(这些无线电设备将在以下进一步讨论)。

通常配置每个第一级网格，从而它的节点之一被指定为连接第二级网格的引导节点。还通常配置第一级网格中的备份节点，以在引导节点停止与第二级网格的通信的情况下，提供从第一级网格至第二级网格的可选路由。例如，在网格104中，节点AP1可以是引导节点，以及节点AP2可以是备份节点。网格104中的其它节点也可以用作引导或备份节点。

例如，端用户设备110可以是个人计算机、电话、个人数字助理(PDA)或支持无线通信的其它设备，以及例如可以支持网格网络100上的数据或语音通信。这种通信的示例包括数据和因特网协议语音(VoIP)通信。例如，可以用于实现网格网络100内的无线通信的无线标准包括由IEEE公开的各种802.11标准，如802.11b标准，在此将所有的这种标准一并引入作为参考。典型地，可以为期望使用网格网络100的每个端用户配置接入点节点。例如，可以在端用户的所在地或企业位置中配置每个接入点节点。特定示例可以包括位于公寓建筑物或房屋开发或大学校园内的住所，以及位于研究和开发、办公室或工商业园中的企业。

如在以下更加详细的讨论的，控制第一级网格中的每个节点的无线电信号功率输出，从而节点能够与靠近的其它节点(例如，相同第一级网格中的至少一个或两个其它接入点节点)进行通信，但是将不会与较远离的节点(例如，在较远离的第一级网格)进行有效地通信。在图1中为第一级网格102、104、106和108的每个所示出的不规则电路区域意在图示性地示出来自每个这种网格中的接入点节点的无线电信号输出的近似有效物理到达。

网格网络100可以用于在小或大区域上，以及对于可以使用一个或多个端用户设备，一次又一次地访问网络100的少量或大量端用户来提供无线、多业务(例如，语音、数据和/或视频)接入。服务区域的大小随每次安装而改变。例如，一些区域覆盖了若干平方千米，并包括上千个节点，而其它安装可以服务于单个办公楼。尽管图1中将网络100示为两级网络，但是基本概念可以扩展为三个、四个或多个分层。对于较大区域，典型地，将使用三级或四级网络。

图2示出了适用于图1的网格网络的网格网络设备200。设备200通常是在软件/固件控制之下进行操作的无线电设备。例如，可以将设备配置用作接入点节点或网关节点。该配置在设备200中可以是软件可选的。在典型的安装中，每个设备200在设备200上执行的软件的控制下，在网格网络100或其它网格网络中执行网格化或路由。设备200的使用可以通过每次添加若干这种设备来允许大网格网络的增加的建筑物。每个所添加的设备可以自动地自我配置以加入以下详细描述的网络。

典型地，设备200将无线电设备范围内的一个或多个端用户设备与网格网络连接，以及可以与位于网格网络其它节点处的其它网格网络无线电设备进行通信。在一些实施例中，网格网络或网络的一个或多个单独的网格中的所有节点、或者用于网络中的所有接入点节点、或者网络中的所有网关节点可以使用相同或实质上相同的设备200的硬件。典型地，诸如接入点节点或网关节点之类的设备200的不同操作角色是软件控制并且可编程的。此外，可以随着无线通信标准的改变和演进来更新软件。

典型地，对设备200进行编程以与靠近设备200的其它节点进行通信，其中，这种靠近基于节点之间物理距离的靠近、或者基于设备200所接收的来自其它节点的无线电信号强度。该靠近还可以基于与其它节点相关的给定节点的分层关系。

更具体地，设备200包括无线电设备204。通常，设备200包括至少两个无线电设备Radio1和Radio2。附加的无线电设备可以包括在其它实施例中。无线电设备204可以与处理器206连接，处理器206可以与易失性存储器208和非易失性存储器210连接。无线电设备204可以同时操作以支持与两个或多个无线网格和/或端用户设备的连接。例如，处理器206可以是基于ARM的网络处理器或来自Intel Corporation的XSCALE处理器。例如，运行在处理器206上的软件可以是Linux操作系统，并包括附加的软件层，该软件层可以针对不同的实施方式而改变，所有均上至应用层。

非易失性存储器210(例如，32MB闪存)可以用于存储用于操作处理器206的软件/固件。例如，易失性存储器208(例如，128MB SDRAM)可以用于存储在与网格网络100通信和交互期间由设备200所使用的路由表。典型地，通过处理器206来控制无线电设备204。然而，在一些实施例中，可以将软件存储在无线电设备204的一个或多个上，和/或无线电设备204配置用于执行与处理器206相独立的一些操作。

应当注意，通常无线电设备204能够在多个不同的频谱中进行操作。例如，接入点设备中的Radio1可以与2.4GHz(WiFi“b/g波段”)信道之一上与端用户设备进行通信。例如，相同的第一级网格中的每个接入点节点的Radio1可以包括用于选择与端用户设备通信的不同信道的自动选择特征。例如，可以通过IEEE 802.11标准中的媒体访问控制(MAC)层来提供该自动选择特征。其它算法可以用于选择与端用户的设备通信的信道。例如，在一个实施例中，算法可以使用节点与具有同因特网的有线连接的最近网关设备的距离作为选择参数，每个接入点设备基于与因特网的距离排序的节点，来使用不同的信道(例如，最近节点使用第一信道，次近节点使用第二信道，...)。

接入点设备中的Radio2可以在5.8GHz(WiFi“波段”)信道之一上与第一级网格中的其它节点进行通信。典型地，相同网格中的每个访问点节点的Radio2在相同信道上彼此通信。如上所述的两个无线电设备的使用典型地有助于减小无线电干扰，并允许节点与端用户设备、以及与网格网络中的另一节点的同步通信，这典型地减小了时延。

对于网关节点，可以通过使用网关节点与相同等级网格中最近的其它网关节点的距离作为选择参数的算法来自动地选择由每个网关设备所选择的、与第一级网格通信的信道，其中，所述其它网关节点具有与因特网的有线连接，每个网关设备基于网关节点与因特网的距离排序来使用不同的信道(例如，最近节点使用第一信道，次近节点使用第二信道，...)。

每个无线电设备204可以作为两个或多个虚拟无线电设备进行操作，从而可以将网关节点和接入节点有效地并入相同的节点硬件。此外，可以将无线电设备204中的一个或多个并入作为与处理器206相同的芯片上的一部分。

处理器206可以与网络接口212连接，例如，网络接口212是以太网网络接口。设备200可以通过网络接口212来获得一些或所有操作的功率。也可以使用诸如电池之类的其它功率源。典型地，网络接口212与以太网或端用户位置处的其它接口连接，例如用于提供与端用户所在地或商业房屋中的LAN之类的有线网络的连接。例如，以太网供电(PoE)标准可以用于提供接口212上的功率。

例如，可以将设备200包装在抵抗天气变化的外壳中，并放在诸如居住房屋之类的建筑物侧的门外。可选地，可以针对内部的使用来设计网络中的特定设备200。

三级和更高级网格网络

图3示出了三级网格网络300。例如，除了将附加的第三层级包括在网络300中之外，可以以与以上图1所描述的类似方式来实现网络300的结构。更具体地，网格302、304、306和308是第一级网格，以及网格310和312是第二级网格。将网关节点G10、G11、G12、G13、G14和G15配置为第三级网格318，使用网关节点G12和G13将第三级网格318分别连接至外部网络314和316。外部网络314和316可以与以上所讨论的外部网络类似。

与以上所描述的网络100中的每个第一级网格相类似，通常，每个第二级网格310和312具有指定为用于与次高级通信的引导节点的一个节点、以及指定为备份节点的另一节点。例如，对于网格310，节点G15可以是第二级网格310的引导节点，以及节点G10可以是备份节点，节点G15和G10中的每个均能够与节点G12通信。与针对以上的节点G1所讨论的类似，应当注意例如，节点G15是第二级网格310的成员并且是第二级网格310的引导节点，并且还是第三级网格318的成员。

如上所讨论，在相靠近的节点之间出现每个第一级网格内的通信。此外，在优选操作模式中，第一级网格内的所有节点在相同的信道或频率上操作。例如，在第一级网格306内，所有节点在无线电信道“A”上通信，例如，在802.11标准的MAC功能中实现时，节点依次使用信道A以对信道接入作出仲裁。

此外，可以配置网络300，从而相邻的第一级网格中的所有节点在不同的信道或频率上操作。例如，网格304中的节点可以在信道“B”上通信，期望降低对网格306中通信的干扰。典型地，相邻网格是与给定网格最靠近的那些网格(并且通常这种相邻网格是公共父网格之下的网络中相同分层上的子网格)。

当将网格进一步从第一网格中去除时(即，不是相邻网格)，这种进一步去除的网格可以在与第一网格相同的信道上操作。例如，将网格302进一步从网格306中去除，并且可以在相同的无线电信道上操作。由于与网格304和306之间较为靠近的距离相比，网格302与306之间的较大距离而可能使干扰小得多。此外，可以如以下所讨论的，对网格302和306中每个节点的无线电信号功率输出进行控制，从而网格302和306中的每个的有效无线电信号范围将不会重叠。典型地，网格302和306将在物理上足够远，从而利用这里所讨论的限制于每个子网格/集群内的输出传输功率，来自每个网格的无线电信号不应彼此干扰。

可以通过应用以上所讨论的原理，来创建甚至诸如四级网络之类的更高级网格网络。如这里所讨论而构建的大的、多级分层网格网络可以具有例如在大约二十平方千米的区域内具有40,000个节点的大小。在一个实施例中，优选地，可以将这种大量的节点分为若干个大约二至四千个节点的组，每组使用三级网格网络，以及使用每个第三级网格的因特网网关之间的有线通信(例如，因特网)实现四级网格。

典型地，对分层网格网络的每级处的节点进行配置，从而这些节点将会彼此类似地相互作用，而不考虑这些节点所位于的特定网格层级。例如，如果第二级网格310和312如上所讨论相对于第一级网格而相邻，则它们可以在不同的信道上操作(图3中所示的“B”和“C”)。经常在第二和更高级网格之间存在较大距离，从而用于操作的操作信道不太可能产生对相同级的另一网格的干扰。

此外，应当注意，即使已经参照了接入点和网关节点、以及用于这些节点中的每个的设备200的典型使用来描述了网格网络300，但是在其它实施例中，不需要第一或其它级中的每个节点是接入点设备、或者第二或更高级中的每个节点是网关设备。例如，在一些实施例中，接入点节点和网关节点可以出现在第二或第三级网格上。此外，网关节点中的一些或所有可以另外用作接入点节点。

对无线电信道和信号功率的控制

如上所述，可以通过设备200来控制第一或其它级网格中每个节点的无线电信号功率输出，从而给定网格内的节点能够有效地进行通信，而不会产生与其它网格中通信的干扰，特别是相靠近的其它网格。运行在设备200上的软件可以用于控制功率输出，以及例如，可以在非易失性存储器210中存储该软件。

例如，在作为网关设备操作时，由设备200执行的软件可以包括通过对在Radio1的相邻处操作的其它无线电设备的第一次扫描来控制Radio1的无线电信号功率输出的指令，然后基于从该扫描中获得的信息来将Radio1的无线电信号功率输出调整为设备200足以与更高级网格上的至少一个节点和/或同级网格中的另一节点进行通信(例如，具有足够的可靠性和/或带宽)的等级。也如上所述，设备200可以控制对要使用的无线电信道的选择。

在一种方式中，每个节点能够扫描它的相邻节点(即，网格网络中的其它附近节点)以在使用不同的通信速度时确定/定位相邻节点。首先，基于最初收集的信息，形成集群，以及选择导引节点。所收集的信息还可以传送至中心节点(例如，位于网格网络外部的网格网络管理系统)以增强配置。中心节点可以基于若干所选的标准(例如，针对不同通信速度、节点个数、集群内的跳数、和/或引导和备份节点(初级和次级)对网格网络中次高层级的可接入性的接收信号强度指示符(RSSI))来改进/重新配置每个集群。

从前述邻近扫描中，典型存在两组节点：第一组节点具有甚至最高通信速度的高RSSI，以及第二组节点具有甚至最低通信速度的相对低/中RSSI。可以调整第一组节点的输出功率，从而使第一组节点在它们的相应集群中被很好地监听到。第二组节点中的每个可以配置为以最低通信速度、优选以足够高的输出功率运行，从而第二组中的每个节点可以被附近集群中的两个或多个节点所监听到。

无线电和无线标准

为了提供对于语音和数据的无线宽带接入，优选的RF标准是802.11标准，这是非常经济并且成熟的技术。实质上很好地定义了802.11标准的协议、安全、QoS、网格路由协议和其它方面。802.11标准的一个缺点在于它的到达范围和噪声(例如，由于使用了未授权的RF波段)。

对于特定应用(例如，密集的居住地)，到达范围不是显著问题。然而，累积的业务(例如，骨干节点)会需要更大的覆盖，在这种情况下，例如，可以使用具有更高增益的方向性天线和/或PA(功率放大器)。此外，还可以使用其它专利技术。可选地，为了对抗覆盖和噪声的缺点，可以使用其它标准(例如，WiMax)来承载骨干业务。优选地，实现WiMax标准的所选硬件(如果使用)是成熟且可承担的。此外，这里所描述的网格网络优选是RF不可知的(agnostic)，从而以减小的努力，可以利用其它RF标准和解决方案来实现网格网络。

自我配置节点

用于控制设备200的软件可以提供自我配置能力，从而设备感知到现有网格网络中的其它设备，并对其路由、安全和其它特性进行配置，从而可以与网格网络相连，并开始网格网络内的操作，而不需要设备200与现有网格网络之外的个人或计算机之间的初始外部相互作用。典型地，节点仅需要一条链路来成功地加入网格网络，但是通常优选两条或多条链路。此外，通常可以在现有网格网络的边缘或中间添加节点。

更特别地，已经处于、或被添加至网格网络中的接入点设备可以使用网格加入算法来形成第一级网格。在启动处的每个接入点设备可以探测用于与其它接入点设备通信的每个信道，并例如在易失性存储器208中的表格中记录针对每个信道和所识别的相邻节点的信号强度接收。然后，算法可以指示接入点设备与所识别的多个最靠近的节点一起加入或聚集至第一级网格(但是如以下要讨论的，典型地，限制于单个第一级网格内所允许的节点的最大总数)。此外，优选地，在每个设备200将用于网格网络300中时，对于该设备将作为接入点节点还是作为网关节点进行操作而作出配置(例如，在加入网络之前)。

优选地，网格网络中的每个集群将具有引导节点和备份节点。引导节点是有效的，而备份节点通常处于待机模式中。将引导和备份节点(这里也称为初级和次级节点)认为是次高级层级的成员(例如，将第一级网格中的引导和备份节点认为是且配置用于实际通信，或者用于备份节点情况下的潜在通信，作为与第一级网格相连的第二级网格内的节点)。在典型的操作中，备份节点将是更高层网格可见的，但是将不会与更高层网格主动(actively)通信。备份节点通常应自己对存储在导引节点中的同一组路由以及其它有效的连接信息进行存储，从而在引导节点故障的情况下，备份节点可以充当故障的引导节点的角色。应当注意，故障的引导节点在再次恢复其功能时，可以充当备份节点的角色并保持在待机模式中。

分层网格网络中节点的聚集

当构建这里所描述的网格网络时，在优选实施例中，可以将任何给定第一或其它等级网格中所允许的最大节点数限制为节点的预定总个数。例如，可以通过对于特定网格网络安装所进行的性能仿真来建立该预定个数。

通常发现，预定总个数优选不多于大约50个节点，以及甚至更优选地，对于每个等级不多于32个节点。此外，发现了对于网格中的更高等级，优选地，节点的最大总个数小于第一级网格中的个数。例如，可以对网格网络中的每个节点进行编程(例如，通过运行在每个节点上的软件)，从而网格网络进行自我配置(如上所述)，每个第一级网格具有32或更少的节点，每个第二级网格具有十六或更少的节点，以及每个第三级网格具有八个或更少的节点。

通常，可以通过对与给定节点最近或最靠近的其它节点进行扫描，来将节点自我配置为分层网格网络，给定节点将会把信息存储在它的路由表中，以记录最近节点的标识符以及所接收到的相对信号强度。然后，逐次对该组节点进行对分，直至节点总数小于给定等级的集群中所允许的节点的预定总个数(例如，总共32个节点)。

网格网络路由协议

例如，可以在存储于非易失性存储器210中并通过网格网络设备200的处理器206所执行的软件中实现用于管理来自网格网络中每个节点的通信(例如，数据分组)路由的路由协议。例如，可以使用以上提及的AODV路由协议。其它实施例可以使用其它路由协议。应当注意，所使用的路由协议可以与用于节点和端用户设备之间的无线通信的无线电标准相独立。

网格网络中的每个节点可以典型地访问路由表，以确定从节点至网关至外部网络(例如，因特网网关)的通信的路由。例如，可以将该路由表存储在易失性存储器208中和/或非易失性存储器210中。表条目包括分组必须经过以到达该目的地的路径(节点)。

设备200可以基于一个或多个标准来选择节点的路由，所述一个或多个标准例如，将导致从节点至外部网络112(例如，因特网)的最小跳数的路由、与外部网络112的路由连接的质量、沿路由的带宽可用性、和/或接入节点的端用户设备的优先级。

在一种方式中，每个源节点最初将直接子网格中的发现分组发送至与该源节点相连的直接节点(即，相邻节点)。直接节点将发现分组转发至它们相应的直接节点。每个节点保持与发现分组相关的信息。如果节点再次接收到发现分组，则将不再转发该分组。最后，典型地，发现分组的多个拷贝将经由不同的路由到达网格网络中的给定目的地节点。

发现分组的每个拷贝携带诸如从源节点至目的地节点的跳数、以及每条链路上的负载和RSSI之类的信息。通过使用以上的“洪泛(flooding)”方法，典型地，目的地节点获悉与从源节点至目的地节点的多个路由相关的信息。目的地节点使用该信息来选择路由中的两个(初级和次级路由)，并将所选路由传送回源节点。将所选路由存储在源节点的路由表中。优选地，网格网络中的每个节点将知道默认网关对于外部网络的位置。以上所使用的路由协议还可以包括公平算法，从而端用户设备的用户将具有对于可用带宽的平衡接入。

接入点节点可以实现在无线电设备之一上的网格路由，以及其它无线电设备可以是端用户设备的接口，其中，无线电设备可以检查分组信息以实现沿路上至应用层的服务(例如，对于安全应用的分组信息的检查)。网关节点可以实现在两个接口上的网格路由。典型地，网关节点将仅在确定路由信息所必需的程度上检查分组。

应当注意，在一些实施例中，这里所描述的网格网络可以实现多播技术。更详细地，可以在与作为相同多播组一部分的端节点最靠近的节点处，对网格网络中的业务进行分流。

网格网络路由：基于流的高速缓存

在这里所描述的网格网络的操作中，网络中的节点可以配置用于通过使用相同的路由指示语音业务离开节点。典型地，这是在引导语音业务时所期望的，从而将时延和时延抖动以及对于给定用户会话的语音质量和连接的任何其它问题最小化。

每个通信会话典型包括会话标识符或ID。每个节点可以配置用于使它在路由表内存储这些会话标识符和相应的路由，以及使用公共路由来从节点引导与会话标识符相关联的分组。例如，路由表可以存储在易失性存储器208中。

此外，可以可选地配置每个节点，从而将成熟(aging)的机制应用于路由表中的路由。例如，如果在预定时段内无效，则运行在设备200中的软件可以使路由无效。该成熟的机制通常配置使得在会话有效时路由不会无效。

网格网络路由：节点故障的检测

在一些实施例中，可以对网格网络中的一个或多个节点进行配置，以感知在网络另一部分中的故障节点的出现(例如，在相同的第一或其它级网格中或在不同的网格中)。在第一方式中，如通过将活跃(alive)分组或信号(称为所谓“保持活跃”)发送至其它节点并等待响应来主动实现以上感知。例如，保持活跃可以被发送至节点的直接近邻，或者发送至默认节点或所定义的节点的外部网络网关。

在另一方式中，如在节点将数据分组发送至另一节点并等待肯定应答时，可以主动地进行保持有效的发送。如果在可配置的时段内没有接收到肯定应答，则重传分组。这可以尝试多次。如果在特定次数的尝试之后没有接收到肯定应答，则考虑节点故障。使用以上的任一方法，每个节点可以编程以周期地检查产生故障的其它节点。

在检测到故障节点时，检测节点可以将与故障相关的信息传送至位于网格网络中别处的源节点。典型地，由将故障节点包括在由源节点所使用的路由表存储的至少一个路由的该源节点来接收该信息。

在接收到故障节点的通知时，每个源节点可以更新它的路由表来选择备选路由。备选路由可以已经存储在路由表中，或者源节点可以采用新路由的网格网络(例如，使用AODV)。该方式还可以用于在实现网络拓扑中的改变时处理节点设备中的改变，作为重新配置网络的一部分，或者响应其它链路中断。此外，如以上所提及的，在给定网格的引导节点故障的情况下，在优选方式中，在该网格中的任何其它节点可以充当引导节点的角色。

负载平衡

随着网格网络上业务量的增加，典型地，期望将附加的连接点添加至外部网络，如图3中的外部网络314和316。通过网格网络的业务可以平衡地被加载于这些外部网关上。此外，可以配置网格网络中的节点(例如，使用包括在设备200中的软件)，从而存在自动故障修复机制以防止由于功率丢失、网关故障等而引起的外部网关(例如，因特网网关)的故障。此外，在连接了新外部网关时，网格网络中的节点可以对它们的配置进行调整，从而重新分布业务量负载，并将从每个节点至外部网关的跳数最小化。

此外，可以实现静态负载平衡。例如，每个节点可以存储外部网络网关(例如，到有线网络的网关)表。通过使用网络管理/配置，网关地址可以被传送给每个第一级节点和用作接入点的其它节点(统称为“端节点”)。该表条目可以具有与之相关的顺序。例如，端节点可以总是使用指定的初级网关号以与外部世界通信。还可以使用以上所描述的保持有效方式来感知初级网关是否故障。如果初级网关故障，则节点可以切换至存储在表中的次级网关。例如，可以通过离线算法来进行表条目的顺序分配。

业务管理

可以在以上所描述的网格网络中实现多个业务管理特征。例如，这可以包括其中每个端用户具有预定服务等级(例如，256Kbps)的控制(policing)特征。可以监视用户的业务以确保不违反限制。该控制还可以确保用户总是获得任何服务的有保证的最小等级。

业务管理还可以包括优先级路由，其中，将业务分为四个优先级类别(例如，语音、保证数据、尽力而为数据及其它)。例如，每个节点在与排队为相应输出队列的每个业务类别的每个接口处具有四个优先级队列。可以基于可配置的调度机制(例如，循环法、加权循环法、优先级、非优先级)来服务于队列(即，发送的分组)。

业务管理的其它方面可以包括拥塞避免，其中，通过节点对网格网络部分中负载的感知，仅在例如存在足够的带宽来确保有质量的连接时，由节点创建连接。例如，可以通过检查节点处的队列长度来感知负载。此外，每个节点可以配置用于感知网络负载，并抑制尽力而为业务，从而可以通过较高优先级的业务。

对于每个集群内的语音业务，业务管理可以附加地包括节点将以有序方式(例如，语音业务的发送优先于数据业务)传输语音的操作方式。其一个益处可以是抖动的减少。此外，为了进一步减少抖动，可以使用对一个或多个节点处的语音业务的缓冲来平滑至端用户的语音传递。

闭环优化

当对于可以引入网络的新网络或新节点/元件(例如，路由器、语音网关等)而启动计划时，可以期望模拟并预测改变的效果。当处理网格网络中的多个变量(例如，从环境中的无线电频率问题至人类行为问题的范围)时，闭环优化和计划可以提供显著的优点。闭环优化方式向网络运营商/管理者提供了对于网格网络作出智能判决的能力。通过这种分析的对网络的可见性可以有助于网络运营商节约时间和监视和管理网络中的花费。

可以在多个基本步骤(例如，跟踪、分析、建模、判决和行动)中实现闭环网络优化。跟踪即是收集现有网络的关键。通过离线模拟，将这些关键馈入网络模型以查看现有网络结构/拓扑的缺点。一旦识别出这些缺点，则生成可以建议作出改进的新模型。然后，作出是否实现该改进的决策，并如此作用。

例如，通过因特网服务提供商(ISP)管理者作出是否实现改进的决策。通常，典型基于就性能和改进性能和稳健性的可选解决方案的成本而言的问题的严重性来作出该决策。通过使用上述方式重新配置网格网络，可以不会存在对于附加新设备的需要，将将会降低成本。

由于大网格网络典型是动态网络环境(例如，从网络中添加和去除用户，每个用户均具有不同的行为，以及该行为典型地随时间而改变)，优选地，存在调谐网络的动态/自动方式。典型地，持续监视网络并通过动态行为进行分析。以上描述的分析工具的使用有助于网络运营商作出智能操作的决策。

漫游

可以通过网格网络支持漫游(例如，低速漫游)。例如，用户可以携带无线设备(例如，WiFi电话或PDA)四处移动，并保持与网络的连接。当他们从第一接入点离开(例如，通过检查可用RSSI来确定)时，可以检测到新的接入点，以及可以将连接(例如，目的地IP地址)和安全(例如，新密钥的分配)和其它内容转发至下一接入点或与新的接入点进行协商。

结论

通过以上讨论，描述了用于构建和操作无线通信网格网络的改进系统和方法。尽管以上描述了特定典型系统和方法，但是本领域技术人员将会认识到，在其它实施例中，还可以重新设置和/或省略以上步骤中的多个。特定实施例的以上描述充分揭示了公开的一般属性，通过应用目前的知识，其他人将在不偏离一般概念的情况下易于修改和/或使公开适于各种应用。例如，在其它实施例中，可以利用蜂窝电话系统以及公共事业仪表监视系统来修改所公开的系统和方法。因此，这些调整和修改在所公开的实施例等同物的意义和范围内。这里所使用的措词或术语是用于描述目的而非限制目的。

Claims (9)

1.一种网格网络，包括：

第一多个节点，第一多个节点中的每个节点包括第一无线电设备、第二无线电设备、至少一个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行指令以便针对从相应的节点发出的通信而选择路由，第一多个节点中的每个节点被设置为：通过扫描其它节点的存在并作为响应更新存储在相应存储器中的路由信息，来组织成第一级网格，其中，第一多个节点的每个第一无线电设备被设置为与第一多个节点中的另一个节点通信，并限制第一无线电设备的信号功率输出，以便减小对第一级网格外的其它节点的无线电干扰，第一多个节点中的至少一个节点还被设置为第一级网格的引导节点，以使用所述至少一个节点的相应的第二无线电设备与第二级网格通信；

第二多个节点，第二多个节点中的每个节点包括第一无线电设备、第二无线电设备、至少一个处理器以及存储器，存储器存储计算机可执行指令以便针对从相应的节点发出的通信而选择路由，第二多个节点中的每个节点被设置为：通过扫描其它节点的存在并作为响应更新存储在相应存储器中的路由信息，来组织成第二网格，其中，第二多个节点的每个第一无线电设备被设置为与第二多个节点中的另一个节点通信；

其中所述第二多个节点包括多个网关节点，并且网格网络被配置为：当在第二级网格中的网关节点的数量改变时，通过所述多个网关节点进行通信量的负载平衡。

2.根据权利要求1所述的网格网络，其中，第一多个节点中的每个节点还被设置为更新相应存储器中的路由信息，以便记录扫描期间检测到的最靠近节点的识别符以及从最靠近节点接收的各个相对信号强度。

3.根据权利要求2所述的网格网络，其中，第一多个节点中的每个节点还被设置为与终端用户设备通信，第二多个节点中的每个节点还被设置为与第三级网格或外部网络通信。

4.根据权利要求1所述的网格网络，其中，第一多个节点中的每个节点还被设置为与终端用户设备通信，第二多个节点中的每个节点还被设置为与第三级网格或外部网络通信。

5.一种网格网络，包括：

组织成第一级网格的第一多个节点，第一多个节点中的每个节点存储计算机可执行的指令，以便选择一个或多个用于相应节点进行通信的路由；

组织成第二级网格的第二多个节点，所述第二多个节点包括多个网关节点，每个网关节点向外部网络提供通信路径，其中，第二级网格耦合用于通过一个或多个网关节点与第一多个节点中的至少一个节点通信，网格网络被配置为：当在第二级网格中的网关节点的数量改变时，通过多个网关节点进行通信量的负载平衡；

其中，第一多个节点中的每个节点包括第一和第二无线电设备，每个第一无线电设备被设置为与第一级网格中的一个或多个节点通信，每个第二无线电设备被设置为与第二级网格中的一个或多个节点通信。

6.根据权利要求5所述的网格网络，其中，由于将网关节点增加到第二级网格，致使网关节点的数量改变。

7.根据权利要求5所述的网格网络，其中，由于网关节点之一的故障，致使网关节点的数量改变。

8.根据权利要求5所述的网格网络，其中，每个第一无线电设备还被设置为限制本身的信号功率输出，以便减小对其它节点的无线电干扰。

9.根据权利要求5所述的网格网络，其中，第一多个节点中的每个节点的计算机可执行指令还通过相应的节点控制自我组装，使得第一级网格具有不超过节点的预定总数的大小。

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