認知移動終端無線網絡系統及網絡自組織方法
2023-05-29 18:18:26 2
專利名稱：認知移動終端無線網絡系統及網絡自組織方法
技術領域：
本發明為一套系統，系統由普通移動終端組成，當遇到緊急狀況時，採用手動啟動方式啟動緊急狀況組網功能，進行網絡自動組織，形成一個可進行局域內交流並與其它網絡聯絡的無線網絡系統。
背景技術：
目前可接入GSM蜂窩網、區域網或Internet網的普通移動終端多數都是採用通用分組無線業務GPRS方式進行通訊，這些設備既可通過TCP/IP協議進行網絡接入，也可通過GPRS內網的點對點TCP連接，進行數據通信，因此在緊急狀況下，無法與外界網絡通訊信時，可將普通移動終端作為節點組成的無線區域網路系統，進行網間信息傳遞，同時進行網絡搜索，在尋找到其他網絡設備時，可進行接入與外界取得聯繫。GSM網絡一般由MS (移動臺)、BSS (基站子系統)、MSC(網絡與交換系統)構成，其中BSS由BTS (基站收發臺)和BSC (基站控制器)組成。MS通過BTS接入GSM網絡，實現MS與MS、MS與固定電話之間的通信，BTS散布在各個地方，BTS通過傳輸設備(El線、光纜或微波)與BSC連接，BSC和MSC —般在中心機房。一個BSC控制多個BTS，手機終端與BTS通過空中接口連接，BTS和BSC通過微波或光纖連接。MS要實現正常通話，BTS、BSC、MSC必須要正常工作才可以，當BTS受損或遭到破壞，不能正常工作時，某片區域的網絡通訊將癱瘓。因此，需要構建一套可在一定範圍內使用的GSM應急通訊系統，以便解決由自然災害導致的GSM通訊中斷或癱瘓的問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種緊急狀況下無線通信系統，解決颱風、地震、風暴潮等災難和公共安全緊急狀況下通 訊基站故障或被毀時，進行局域聯絡以及與外界聯繫的難題。本項發明提供了一種緊急狀況通過自動認知和自組織形成一個以普通移動終端為節點的無線網絡系統，系統由可接入GSM蜂窩網、區域網或Internet網的普通移動終端組成，當遇到緊急狀況時，移動終端通過競爭機制，採用遺傳聚類算法自組織形成兩種節點，一種為簇頭節點，啟動緊急按鈕，發揮BTS (基站收發臺)功能，與基站控制器連接，進行GSM網絡覆蓋；一種為網內節點，發揮手機功能，與簇頭節點無線連接，實現語音通話與短消息傳送。所述的系統包括可接入GSM蜂窩網、區域網或Internet網的GPRS移動終端。所述的軟體包括緊急狀況自組織網絡應用軟體。所述的自組織方法包括基於遺傳聚類算法的網絡自組織方法和簇頭節點競爭算法。所述的硬體包括GSM手機終端硬體設計。本發明的有益效果為本發明應用在災難和公共安全等緊急狀況下通訊基站故障或被毀時，由可接入GSM蜂窩網、區域網或Internet網的普通移動終端組成，啟動緊急狀況組網功能，進行網絡自動組織，通過自動認知和自組織形成一個以普通移動終端為節點的局域無線網絡系統，為緊急狀況下無法進行局域聯絡以及無法與外界聯繫的難題提供了有效的解決辦法。
圖1為本發明的系統組成結構示意圖。圖2為本發明的手機終端的硬體結構示意圖。圖3為本發明的網絡認知算法模型。圖4模糊決策算法模塊功能結構圖。圖5為本發明的網絡自組織算法流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步描述。認知移動終端無線網絡系統由可接GSM、GPRS區域網或Internet網的GPRS移動終端組成，見圖1，當遇到緊急狀況基站被毀或故障，無法接入GSM蜂窩網，也沒有GPRS區域網或Internet網絡環境時，移動終端採用遺傳聚類算法自組織成無線傳輸區域網，通過競爭機制形成兩種節點，一種為簇頭節點，啟動應急按鈕，發揮BTS(基站收發臺)功能，與BSC (基站控制器)無線連接，進行GSM網絡覆蓋，一種為網內節點，發揮手機功能，與簇頭節點無線連接，實現語音通話與短消息傳送。本發明的手機終端硬體結構包括射頻模塊、基帶處理模塊、控制模塊、傳輸模塊、電源模塊。 所述射頻模塊，包含天線、雙工器、低噪聲放大器、接收機、發射機、控制驅動器、功率放大器、頻率合成器、合路器等；所述基帶處理模塊，包含數字基帶晶片、音頻編解碼器、語音放大；所述控制模塊，包含中央處理器、SIM卡、FLASH、SRAM(靜態存儲器)、EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)；所述傳輸模塊，用於簇頭節點轉換成小型BTS時，El鏈路信號轉換成微波信號，通過微波天線發射出去，與遠方的基站控制器BSC無線連接；所述電源模塊，包含射頻電源、基帶處理電源、邏輯音頻電源，用於為手機終端供電。其他器件包含鍵盤、IXD、藍牙、攝像機等。簇頭節點工作原理如下如圖2所示，手機終端作為簇頭節點，處理器發出控制指令，使其相當於基站收發信臺BTS。天線是收發手機信號，由於電磁波的收與發都在這一根天線上，雙工器作用是保障收發的分開，既能將微弱的信號耦合進來，又能將較大的發射功率饋送到天線上，保證接收和發射都能正常工作。啟動緊急按鈕時，雙工器與低噪聲放大器相連，低噪聲放大器作用是將接收到的手機發射信號進行濾波和放大，傳送到接收機。接收機將上行GSM載波信號轉換成基帶信號。頻率合成器提供GSM頻點的載波信號，把基準頻率信號進行變換，輸出多種頻率的信號，供射頻部分的調製、解調和混頻所用。數字基帶晶片作用發出功率控制信號；對上行信號GMSK解調、時域均衡、信道解碼(包括解密、去交織、解碼、形成語音幀信號)；對下行信號GMSK調製、信道編碼(包括插入填充位、卷積、交織、加密等)；還有信令的處理與轉發。數字基帶晶片和發射機相連，發射機將下行基帶信號調製成GSM載波信號。為了儘量降低手機與手機之間的幹擾，控制驅動器控制下行信號的功率。控制驅動器與功率放大器相連，功率放大器主要是放大下行信號的功率，以增強信號的發送半徑。接收機、發射機、頻率合成器、數字基帶晶片、控制驅動器、功率放大器組合在一塊，相當於BTS (基站收發信臺)中的載頻部分。合路器則是將多路下行信號合成到一根共用天線上進行發射。合路器、低噪聲放大器、雙工器、天線組合在一塊，相當於基站收發信臺BTS中的射頻部分。中央處理器既控制射頻和基帶部分，進行操作與維護，又存儲數據，提供軟體處理平臺。中央處理器對數據信令路由、信令處理、資源管理與維護操作進行控制，完成軟體的下載和數據的分送。2M接口轉換模塊既提供El接口，在2M鏈路上提取時鐘功能，又將El鏈路信號轉換成微波信號，經由手機終端中的微波天線發射到遠方的基站控制器(BSC)，或者接收基站控制器發給簇頭節點的控制信令，形成網絡覆蓋。本發明採用的主要技術如下1.基於認知的無限傳輸技術本發明將終端節點所處位置的網絡狀況、當前時間、頻率、終端空間位置、終端能量狀況等多參數信息參與傳輸和處理，進行網絡環境的自動識別。手機終端根據能量變換、位置變換、網絡狀況等情況，構建網絡認知算法模型。網絡認知算法模型見圖3，由於多參數信息綱量不同，因此採用了模糊算法進行網絡認知和重組模式決策，模糊決策算法模塊功能結構見圖4。GPRS本身採用TCP/IP數據網絡結構，因此可以完成與其他分組區域網及Internet網的全球性接入，當無法尋找到其他區域網和Internet網時，自組織形成無線區域網路，採用短消息發送模式進行網內聯絡，由簇頭進行網絡管理，進行廣播消息發送、網絡狀況監測、網絡重組、網絡管理；當搜索到其他分組區域網或Internet網時，接入外界網絡進行簡訊模式通信；當搜索到GSM蜂窩網時，接入GSM蜂窩網進行語音模式通信。在與其他網絡接入時，只允許簇頭移動終端與外界網絡聯繫，當簇頭移動終端發送廣播消息放棄管理權限時，內網中的其他移動 終端才能與外界網絡進行聯繫，避免了通訊恢復初期GSM網或其他網絡的堵塞，再次造成通訊問題。2.無線網絡自組織技術本發明採用了基於遺傳聚類的算法進行無線通信網絡自組織，見圖4流程圖，當緊急狀況發生時，手動啟動緊急狀況自組網應用程式，開始採用基於遺傳聚類算法進行初次組網，進行無線通信網絡連接的建立，算法根據獲取參加組網的移動終端的位置和能量狀況等信息，將參與組網的移動終端分成兩類，一類為簇頭，一類為網絡節點，每個無線傳輸區域網路由一個簇頭和多個節點組成，區域網路數量由算法自行劃分，初次組網完成後，每個網絡由簇頭進行網絡的管理，定時進行消息廣播和與外界網絡聯繫，該網絡的移動終端節點只與簇頭進行聯繫以節省能源，之後定期採用遺傳聚類算法進行本區域內信的移動終端的搜索以及移動終端的位置和能量狀況計算，通過重新協商和釋改進行簇頭調整和網絡重組，簇頭調整後網絡的管理權移交給新的簇頭移動終端，原來的簇頭釋放管理權。簇頭移動終端同時不斷搜索其它可與外界聯繫的通信網絡GSM，Internet或其他分組區域網，並進行接入，若可以接入，則通知本網絡所有節點後放棄管理權，所有移動終端恢復與外界網絡的通訊。3. GPRS 技術GPRS技術是在GSM網絡的基礎上發展而來的承載業務，是定義用來在互連網絡環境中提供包交換的計算機通信的協議，基於GSM網絡實現，同時引入GGSN、SGSN、BG、BSS等新網元和接口，實現分組交換業務。GPRS網絡與很多區域網以及Internet網一般採用TCP/IP協議的連接方式，本系統採用TCP協議連接。但為了在緊急情況下延長終端的電池工作時間，降低功耗也是必須要考慮的，因此在無法搜索到外界GSM網時，採用短消息方式進行網內聯絡。程序中協議棧網絡層的功能與設計如下網絡層通過兩個服務實體分別提供網絡層數據服務和網絡層管理服務。數據服務實體提供數據服務，主要負責數據的發送和接收，接收處理模塊負責接收數據，發送處理模塊負責發送數據；管理服務實體提供管理服務，主要負責網絡層的管理和維護，包括網絡的認知和創建，設備的加入和離開以及路由的創建與維護，由網絡設備管理模塊完成。各模塊的功能和工作流程如下數據接收處理模塊負責從下層接收數據，解析報文的網絡層頭部，分情況做相應的處理如果是重複報文，則丟棄；如果是發給本節點的數據報文或者廣播報文，則交給上
層處理。數據發送處理模塊負責從上層或者接收處理模塊中接收數據，根據不同的情況做相應的處理如果是廣播消息則按照路由表，向網內所有節點進行發送，如果非廣播消息時，則查找路由表，如果找到了目的節點的有效路由表項，則根據路由信息將報文發送出去；如果沒有，則放棄。網絡設備管理模塊負責網絡的認知和創建，以及節點的加入和離開，並負責網絡重組和簇頭的調整，非簇頭終 端節點不能參與路由，可以請求加入或離開網絡。節點進行網絡通信的第一步是由進行創建網絡。網絡設備管理模塊首先進行信息掃描來進行網絡認知，將掃描結果採用認知算法，創建初始網絡，同時分配本網絡PID，創建路由表。在網絡重組和簇頭的調整後，路由表也作相應調整。採用GPRS通訊距離可達幾公裡，並且支持無限擴展。在緊急狀況時啟動認知移動終端無線局域通信網絡系統應用軟體進行網絡認知，動態組網，簇頭進行網絡的臨時管理功能，進行廣播消息發送、網絡狀況監測、網絡重組，並不間斷進行網界網絡信號搜索，直到下次網絡重組，管理權限移交給其它移動終端簇頭，或與其它網絡取得聯繫，宣布放棄本區域網路及其網絡管理權，所有移動終端恢復通訊功能，重新自行與外網進行連接。
權利要求
1.GPRS手機終端節點無線網絡系統的結構和網絡自組織方法。此系統特徵在於，基站故障或被毀，手機終端採用遺傳聚類算法自組織成無線傳輸區域網，通過競爭機制，形成簇頭節點和網內節點，簇頭節點發揮BTS (基站收發臺)功能，暫時代替BTS (基站收發臺)，與BSC (基站控制器)無線連接，接入GPRS網絡。網內節點則發揮手機終端功能，通過簇頭節點，實現網內短消息的傳送與語音通話。
2.根據權利要求1所述的GPRS手機終端自動組網功能，其特徵在於採用遺傳聚類算法進行網絡自組織。手機終端節點根據能量變換、位置變換、網絡狀況等情況，採用遺傳聚類算法進行分類，競爭選出簇頭節點和網內節點。
3.根據權利要求1所述的GPRS手機終端，其特徵在於，作為網內節點，發揮手機功能；作為簇頭節點時，啟動應急按鈕，相當於小型基站BTS，負責手機信號的接收與發送處理，將處理後的信號通過El轉換電路，轉換成微波信號，通過Abis接口與BSC基站控制器連接，接入GPRS網絡，實現局部GPRS網絡恢復正常通信。
4.根據權利要求1所述的GPRS手機終端，其硬體結構包括，射頻模塊、基帶處理模塊、控制模塊、傳輸模塊、電源模塊。
所述射頻模塊，包含天線、雙工器、低噪聲放大器、接收機、發射機、控制驅動器、功率放大器、頻率合成器、合路器等； 所述基帶處理模塊，包含數字基帶晶片、音頻編解碼器、語音放大； 所述控制模塊，包含中央處理器、SIM卡、FLASH、SRAM(靜態存儲器)、EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)； 所述傳輸模塊，包含2M接口轉換模塊和微波天線，用於簇頭節點轉換成小型BTS時，El鏈路信號轉換成微波信號，通過微波天線發射出去，與遠方的基站控制器BSC無線連接； 所述電源模塊，包含射頻電源、基帶處理電源、邏輯音頻電源，用於為手機終端供電。
其他器件包含鍵盤、IXD、藍牙、攝像機等。
5.根據權利要求1所述的GPRS手機終端，作為簇頭節點時，其特徵在於，GPRS手機終端能發揮BTS(基站收發臺)功能。在啟動應急按鈕，其射頻模塊，相當於BTS中的載頻單元，對射頻信號進行處理；其基帶模塊相當於BTS中的基帶部分，負責幀、邏輯信道管理等方面；其控制模塊，既控制手機語音通話功能，又控制射頻與基帶部分，使其發揮BTS功能，對手機信號進行信道資源管理。
6.根據權利要求1所述的簇頭節點與BSC(基站控制器)無線連接，其特徵在於，簇頭節點代替BTS，BTS與BSC接口為Abis接口，手機終端中的El線路通過2M接口轉換模塊轉換成微波信號，通過微波天線發射出去，與BSC無線連接，組成小型GPRS無線通信網。
7.根據權利要求1所述的認知移動終端無線網絡系統通訊軟體，包括網絡協議定義、協議棧之間的通信協議轉換的網絡通訊軟體；包括數據融合、日誌管理、報警信息處理、信息存儲等各種應用軟體的系統軟體。
全文摘要
本發明為一套應急通訊系統，系統由GPRS手機終端、基站系統、MSC(移動交換中心)組成，可組成小範圍的GSM應急系統，當基站被毀時，採用手動啟動方式啟動緊急狀況組網功能，進行網絡自動組織，形成一個以GPRS手機終端為節點的局域無線網絡系統。網絡通過競爭機制自組織形成兩種節點，一種為簇頭節點，一種為網內節點。簇頭節點發揮BTS(基站收發臺)功能，暫時替代BTS(基站收發臺)。簇頭節點與BSC(基站控制器)無線連接，網內節點則發揮手機終端功能，通過簇頭節點，實現網內短消息的傳送與語音通話。本發明為緊急狀況下無線通信系統，可解決由颱風、地震、風暴潮等緊急狀況下基站故障或被毀時，進行局域聯絡以及與外界聯繫的難題。
文檔編號H04W4/22GK103067900SQ201110318879
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者何世鈞, 代巖巖, 周汝雁, 張雨, 陳中華, 周文君, 趙世亭, 白凡 申請人:上海海洋大學