[发明专利]具有星形拓扑结构的无线网络及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信网络，更具体地说，涉及具有高可靠性和系统可用性的无线通信网络。

背景技术

常规的星形网络包括一个中心节点(例如，接入点、基站、交换机或集线器(hub))和多个叶节点。叶节点仅直接与中心节点通信。因此，该网络形成了具有星形拓扑结构的图。

许多无线网络采用星形拓扑结构。例如，在IEEE 802.11标准无线局域网中，各接入点形成了节点连接到该接入点的星形网络。这种网络能够使用正交频分多址(OFDMA)和时分多址(TDMA)符号。移动台与接入点直接通信，但移动台彼此不通信。

类似地，在蜂窝网络(cellular network)中，各基站与小区内的移动终端通信。各小区可以被看作一个星形网络。

以下是星形网络的优点。该拓扑结构使得分组不经过不必要的节点。在该网络内的任何两个节点之间的任何通信都只涉及最多三个节点和两条链路(信道)。因此，性能是可预测的并得到增强。

各叶节点在本质上由将节点连接到集线器的链路来隔离开。这直接地将各节点隔离开，并且相当于断开节点与中心集线器的连接。这种隔离特性还防止了影响网络的任何非集中式故障。该隔离和集中简化了故障检测，因为可以单独探测各链路或节点。

中心节点对接入和资源进行总的控制。中心节点协调网络中所有叶节点的工作，因此能够减小或者消除叶节点之间的任何冲突和矛盾。

可以通过仅增加中心节点的容量来扩大网络的容量。

集中特性还使得能够对经过网络的流量进行监视以确定异常的行为。

简单星形拓扑结构消除了对复杂路由或消息传递协议的需要。

星形拓扑结构的一个缺点是对中心节点的依赖性。中心节点成了性能瓶颈并且还可能是单点故障的原因。中心节点的故障使得整个网络不能工作，因此显著降低了网络可用性性能。此外，网络的性能和可扩展性取决于中心节点的容量。

星形拓扑结构的另一个缺点是各叶节点仅通过到中心节点的链路而连接到网络。如果叶节点和中心节点之间的单个链路变得不可靠，则叶节点未能与网络中其他节点正确地通信。中心节点和叶节点之间的单个链路的故障导致叶节点被隔离。

因此，常规的星形拓扑结构造成的限制使得难以利用能够实现许多应用所要求的高业务可用性和性能可靠性的星形拓扑结构来设计有线或无线网络。

在通信网络中，经常使用自动重发请求(ARQ：automaticretransmission request)来提高通信可靠性。在ARQ中，如果接收节点没有正确地接收到消息，则该节点请求发送节点重发该消息。

在无线(或有线)通信网络中，空间分集也提供了改善的可靠性。可以将网络设计成使得数据分组经由两个或者更多个不相关的链路从发送节点发送到接收节点。

图1A示出了常规的无线星形网络100。该网络包括中心节点M 101和叶节点Sn 102，其中，n∈{1，2，...，N}，例如N为网络中叶节点的最大数量。通过无线链路120直接连接中心节点和各叶节点。叶节点彼此不直接通信。叶节点之间的通信经由中心节点进行。例如，S1-M-S5是数据从S1发送到S5的路径。

在中心节点101与一个特定叶节点(例如S3)之间的链路不能发挥功能(non-functional)或者不可靠的(X)情况下，该叶节点与网络隔离。其他叶节点仍然能够正常工作。在中心节点不能工作的情况下，整个网络100不能发挥功能。

图1B示出了双向无线链路的部件。该链路包括上行链路(UL)1202和下行链路(DL)1201。下行链路从中心节点向叶节点传递数据。上行链路从叶节点向中心节点传递数据。下行链路包括中心节点1011的发射机、无线链路1201、以及叶节点1021的接收机。上行链路包括中心节点1012的接收机、无线链路1202、以及叶节点1022的发射机。上行和下行无线链路可以相同或者不同。

可以由在传送数据时涉及的节点来表示路径。例如，{S1，M，S3}表示数据从S1传递到M，然后从M传递到S3。

如果发射机1011或者接收机1021发生故障，或者该链路不可用或不可靠，则下行链路发生故障。下行链路发生故障的结果是导致叶节点完全不能接收下行链路数据或者接收到有错误的下行链路数据。类似地，如果叶节点1022的发射机1011、中心节点1012的接收机发生故障，或者链路1202不可用或者不可靠，则上行链路发生故障。然后，中心节点不能正确地接收由叶节点发送的数据。

MAC超帧结构