在传统的蜂窝式网络中，移动单元与诸如蜂窝式基站(BTS)之 类的主干网建立直接下行链路和上行链路连接。近来提出的混合蜂窝 式网络(hybrid-cellular network，HCN)设法通过使上行链路和下行 链路连接能够包括一个以上的链路来缓和传统蜂窝式系统的限制，所 有链路都在BTS发起或终止。这种系统是蜂窝式和专门网络体系结构 之间的混合体，其中发往或发自BTS的上行链路和/或下行链路数据由 其它移动单元或专用中继器来进行中继。在图1中描述了HCN 100的 例子。显然，发往或发自基站102的通信可以作为到移动单元(就像 移动单元101)的直接链路存在或者可以具有一个或多个中间中继站 (就像经由移动单元103所路由的移动单元104)。通过引入中间中继 站，长距离传输可以被断成几个短距离链路，使得减少了下行链路上 的BTS传输功率并且增加了上行链路的容量。
在构造混合蜂窝式网络中的主要难点是实现高效的路由选择协 议。在网络中从节点A1到节点A2的路由选择处理包括建立中间节点 序列，这些中间节点被用作把信息从节点A1发送到节点A2并且从节 点A2发送到节点A1的中继站。当从节点A1发送到节点A2并且从节 点A2发送到节点A1而不涉及中间节点时路由选择可以是直接的。这 里的目标在于创建强壮的路由选择协议，能够在高度移动网络中维持 路由选择信息而没有过度的信令开销。在此问题上的大部分研究活动 集中在用于HCN中的适应性特设(ad hoc)路由选择协议，诸如特设 按需向量路由选择(Ad hoc On-demand Vector Routing，AODV)、动 态源路由选择(Dynamic Source Routing，DSR)和目的地排列的距离 向量路由选择(Destination Sequenced Distance Vector Routing)。这些 协议有效地在一般的特设网络中采集并维护路由选择信息，涉及具有 多个源-目的地对的拓扑，但是对于其中每个路由具有共用的源或目的 节点的情况，HCN拓扑不必很复杂。因此，在HCN内需要存在一种对 HCN拓扑来说不那么复杂的路由选择协议，而对于采集并维持路由选 择信息来说仍然是高效的。
附图说明
图1是现有技术混合蜂窝式网络的框图。
图2是能够作为传统的蜂窝式系统或混合蜂窝式系统操作的通信 系统的特定小区的框图。
图3是用于示出从蜂窝式网络转换为混合蜂窝式网络所必须步骤 的流程图。
图4是用于示出在路由发现期间类J网络元素的操作的流程图。
图5是网络元素的框图。
图6是用于示出路由维护的流程图。

为了解决上述需要，这里公开了一种用于混合蜂窝式网络的路由 选择协议。为了在混合蜂窝式网络内建立往返于基站的路由选择，根 据所接收的基站的信号强度来为每个网络元素分配“操作类(class of operation)”。允许每个网络元素选择更低类的网络元素来把信息中继 到基站。以上路由选择协议是高效却并不复杂的、用于在混合蜂窝式 网络中路由选择信息的手段，其中每个路由具有共用源或目的节点。
本发明包含一种用于在混合蜂窝式网络内确定路由的方法。所述 方法包括步骤：确定来自基站的传输的信号特性，并且根据所述信号 特性来确定特定的操作类。然后为了路由数据选择具有较低操作类的 网络元素，并且通过该具有较低操作类的网络元素来路由所述数据。
本发明还包含一种方法，包括步骤：接收多个阈值T1到TJ以便由 网络元素用于类确定，从基站接收下行链路传输，并且确定用于所述 下行链路传输的信号特性。根据所述信号特性和多个阈值，为该网络 元素确定特定的操作类。然后为其它网络元素接收类信息，并且为了 路由数据选择类＜k的网络元素。
本发明另外包含一种用于在混合蜂窝式网络内确定路由的设备。 所述设备包括用于确定来自基站的传输的信号特性的装置，用于根据 所述信号特性来确定特定操作类的装置，用于为了路由数据而选择具 有较低操作类的网络元素的装置，和用于经由具有较低操作类的网络 元素来路由数据的装置。
现在转向附图，其中同样的数字指代同样的组件，图2是用于通 信系统的特定小区200的框图，所述通信系统能够作为传统的蜂窝式 系统或混合蜂窝式系统操作。小区200包含BTS 201和多个移动或远 程单元203-205(只示出了三个)。该组远程单元203-205由用于维持 与BTS 201活动通信的终端203-204和处于“睡眠”模式中的终端205 组成，即该终端205是被加电而并未与BTS维持活动连接的终端。注 意，“睡眠”模式中的终端仍然可以收听一些信道，诸如寻呼信道或 广播频道，但是并不发送任何数据或控制信息，因此大部分时间所述 BTS甚至不知道此终端存在于其所覆盖的区域内。远程单元可以是静 止的或移动的。小区200还可以包括多个静止的中继器202，特别部署 这些中继器202，用于在BTS 201和活动远程单元203-204之间中继数 据。在小区内，BTS 201、远程单元203-205和静止的中继器202包括 一组网络元素。
在操作期间，小区200可以作为标准的蜂窝式电话模式或HCN模 式来起作用。在标准操作期间，在移动单元203-205和基站201之间的 所有通信利用在移动单元203-205和基站201之间的直接通信来进行。 如上所述，在HCN操作期间，所有链路在BTS 201发起或终止；然而 可以由其它远程单元或专用中继器把上行链路和/或下行链路数据中继 至BTS 201或从其中继。小区200可以从一个操作模式转换为另一个 操作模式。
如上所述，在建立可高效采集路由选择信息而又不比现有技术协 议更复杂的路由选择协议方面存在问题。为了解决该问题，路由选择 协议依赖于在各网络元素之间建立J+1个操作类。BTS 201始终是类0 实体，而其它网络元素属于类1到类J。在任何给定时刻，网络元素只 可以属于单一的类，并且对于上行链路传输(即，在BTS 201终止的 那些传输)来说只可以把数据中继到那些具有较低类值的网络元素。 依照类似的方式，对于上行链路传输来说，网络元素只可以从具有较 高类值的网络元素中接收所中继的传输。因而对于上行线路传输来说， 具有类x的网络元素只可以中继从类＞x的网络元素接收的信息，并且 只可以向类＜x的网络元素执行中继传输。
对于下行链路传输来说(即那些在BTS 201发起的传输)，网络 元素只可以向那些具有较高类值的网络元素中继数据。依照类似的方 式，对于下行链路传输来说，网络元素只可以从具有较低类值的网络 元素中接收所中继的传输。因而对于下行链路传输来说，具有类x的 网络元素只可以中继从类＜x的网络元素接收的信息，并且只可以向类 ＞x的网络元素执行中继传输。对于上行链路和下行链路传输来说，根 据从BTS所接收的信号强度来确定类成员。
如所述的，假定对于小区中的所有路由来说BTS 201是上行链路 上的公共目的地，并且是下行链路上的公共源。通过在网络元素之间 指定链路序列来建立每个路由。逐个类地依次建立各路由。考虑类j 网络元素的路由选择过程。在协议的这个阶段，已经建立了在BTS 201 和属于类1到j-1的所有网络元素之间的路由。类j网络元素评估到至 少某些并且优选是到所有类0至j-1网络元素的链路质量并且与最好的 一个建立链接。在本发明的第一实施例中，从网络元素所接收的信号 强度被用作链路质量的指示符。然而在替换实施例中，使用其它链路 质量指示符，诸如C/I比、C/N、C/(I+N)、BER、FER、链路负载或平 均路径损耗。当网络元素以变化的功率等级发送时，平均路径损耗作 为质量度量最为有用。对于给定类j网络元素来说，只需要考虑由邻近 类0到j-1网络元素所组成的子集。
在本发明的替换实施例中，类j网络元素估计到至少一些并且优 选到所有类0至j-1网络元素的链路质量并且确定一组可能的用于中继 的网络元素。它与该组的网络元素之一建立连接。如果在稍后的时间 点，连接质量变得不能令人满意，那么类j网络元素可以试图与该组的 另一网络元素建立连接。
在进一步的替换实施例中，类j网络元素可以根据由各网络元素 所通告的累积路径质量度量来与类0到j-1网络元素之的某一个建立连 接。在进一步的替换实施例中，累积的路径量度是沿着该网络元素至 BTS的路径的链路特性的总和。链路特性可以包括这些东西作为所述 链路的质量度量，如链路C/I比率、C/N、C/(I+N)、BER、FER、所 述链路上的平均路径损耗、流过所述链路的通信业务量(链路负载) 等。累积的路径量度可以包括对沿着到BTS路径的中继段(hop)数目 的惩罚项。
所述协议对于给定小区中的所有网络元素有效地构造以BTS 201 为根的生成树。利用这种构造，每个类1网络元素必须与BTS 201直 接通信，并且一般地说，每个类j网络元素与类0至j-1的单个网络元 素通信。注意，禁止相同类的网络元素之间的链路以避免在路由选择 图中构成环路。对于任何链路来说，较低类的网络元素被称为“双亲” 并且较高类的网络元素被称为“子女”。给定网络元素具有单个“双 亲”并且可以具有多个“子女”。
一个本领域普通技术人员应当认识到，任何HCN路由选择协议需 要解决两个相关的路由选择任务：(i)把网络从蜂窝式转换为HCN拓 扑，和(ii)一旦建立所述HCN拓扑就递增地更新路由。转换过程构 造初始HCN，而递增的路由更新适合于网络中的改变。
从蜂窝式转换为HCN拓扑
现在根据上述路由选择协议来考虑从蜂窝式到HCN拓扑的转换 过程的细节。这种转换过程可以在每个小区的基础上发生，而不必对 整个网络同时执行。这种转换涉及专用中继器和网络元素，它们与BTS 201活动地维持通信，这是由于处于“睡眠”模式中的网络元素可以通 过随后拓扑中增量式更新来结合到HCN中。作为替换，处于“睡眠” 模式的单元可以被寻呼并被命令参与转换过程。如果允许专用中继器 转换到“睡眠”模式，那么此实施例是特别有用的。图3中示出了该 转换的流程图。
步骤1.确定HCN成员关系。在蜂窝式下行链路上，BTS 201向 小区中的所有活动网络元素指出将通过在广播控制信道或新的逻辑信 道上广播探查信号来开始向HCN的转换。然后BTS 201命令每个活动 网络元素回复报告HCN参与标志。该标志表明了网络元素是否适于参 与该HCN。例如，根据其电池状态、其速度或其硬件能力，网络元素 可能不适于参与。不参与的网络元素继续依照蜂窝式模式与BTS 201 通信。为了节省带宽，可以只由那些愿意参与HCN的网络元素发送 HCN参与标志。于是，不做出响应意味着网络元素不会参与HCN。
步骤2.确定类成员关系。BTS 201命令参与HCN的所有网络元 素来确定他们的特定操作类。这通过BTS 201广播由网络元素用于类 确定的一组阈值T1到TJ来实现。此广播可以发生在转换开始的时候， 或者在控制信道上周期性地进行广播。在替换实施例中，在网络元素 中硬编码阈值。网络元素测量来自BTS 201的下行链路传输的信号特 性。在本发明的第一实施例中，利用来自BTS 201的下行链路接收信 号强度(RSS)，然而在替换实施例中，可以利用其它信号特性，诸如 载波与干扰(C/I)的比率、比特差错率(BER)、帧错误比率(FER) 等。在足够长的时段上求RSS的平均值，从而按如下确定他们的类： 如果RSS≥T1，则该网络元素是类1的成员。如果RSS＜TJ，则所述网 络元素是类(J)的成员。然而如果Tk-1＞RSS≥Tk，其中k是整数且1＜k＜J， 则该网络元素是类-k的成员。作为替换，BTS 201可以根据在蜂窝上行 链路上所获得的RSS测量值(或其它量度值)来确定参与网络元素的 类，继而向相应的网络元素发送类标识。另外在替换实施例中，网络 元素测量来自BTS 201的下行链路传输的信号特性并且向所述BTS 201回复报告这些测量。BTS然后确定每个网络元素的类并且向每个网 络元素通知其类。
步骤3.发现路由。当完成类确定步骤时，BTS 201向每个参与网 络元素分配可识别的导频波形(优选是唯一的)并且命令小区200中 的所有参与元素参与路由发现会话(RDS)。在替换实施例中，在形成 HCN之前，导频波形可以由BTS 201预先分配到每个网络元素。在RDS 期间，每个网络元素根据其操作类来确定传输时段继而在预定时段期 间广播信号(例如其导频)。该信号由其它网络元素使用，用于选择 中继站。特别地是，RDS的持续时间被分成J个时段，各分别用于每 个类1到J。(注意假定在小区内所有参与的网络元素至少被粗略地是 帧同步的)。在每个时段中，相应类的每个网络元素发送其唯一的导 频和控制消息(所述控制消息还可以由该导频波形来调制)。BTS 201 发送其唯一的导频而不管是否处于RDS中。除在其时段期间进行发送 之外，每个网络元素接收由其它网络元素在其它时段发送的导频信号 和控制消息继而确定这些网络元素的类和身份。然后选择较低类的网 络元素作为中继站。在本发明的第一实施例中，所选择的网络元素是 如在“子女”网络元素所测量的具有最好信号强度的一个较低类。在 替换实施例中，所选择的网络元素是具有最低累积路径量度的一个较 低类。然后将此信息提供给BTS 201。
步骤4.更新资源分配和链路建立。当完成路由发现时，BTS 201 依赖在RDS期间所采集的拓扑信息来为“子女”和其对应“双亲”之 间的通信链路分配资源，诸如发送功率和空时频栅格中的段(segment)。 利用所分配的资源，建立在“双亲”与其对应“子女”之间的链路。
通常，链路建立可以是集中式(BTS指导的)或分散式的。在集中式 的情况中，蜂窝式下行链路上的BTS 201指导每个“双亲”-“子女” 对开始在链路所分配资源上的发送和接收。在分散式的情况中，蜂窝 式下行链路上的BTS 201向每个“双亲”通知其所分配的资源，并且 每个“双亲”-“子女”对自发地且异步地与其它的对建立通信(例如， 使用随机访问信道过程或具有争用机制的预先分配的时隙)。
图4是用于示出在路由发现期间类-k的网络元素500(在图5中 示出)的操作的流程图。对于路由发现来说，可以预见，所述导频是 直接序列扩展频谱波形(在时域中或在频域中)，并且由收发器501 接收(其他的抗共信道干扰并且服从快速获取的强壮信令配置也是适 合的)。导频和控制信息传输可以具有相对较低的功率，除非他们要 被发往BTS 201，这是因为只有邻近的网络元素才需要交换路由选择信 息。在实践中，提供了逻辑电路502(例如，执行计算机可读代码的计 算机程序或执行嵌入指令的微处理器控制器)来分析所接收的导频并 且确定那些可接受的用来路由数据的网络元素。特别地是，逻辑电路 502作为用于确定来自基站的传输的信号特性的装置，用于确定网络元 素500的特定操作类的装置，用于选择具有较低操作类的用来路由数 据的网络元素的装置，和用于经由具有较低操作类的网络元素来路由 该数据的装置。
逻辑流程在步骤400开始，在此逻辑电路502分析来自基站的传 输的信号特性并且确定特定的操作类(例如，类k)。在步骤401，逻 辑电路502在时段1到k-1中监视来自较低类网络元素(包括类0的 BTS 201)的导频和控制消息传输。然后逻辑电路502确定其类＜k的“双 亲”(步骤403)。如上所述，在类0到k-1网络元素中选择该双亲， 使得其在该类-k网络元素具有最好的接收信号。在替换实施例中，逻 辑电路502评估经由一个较低类网络元素到BTS的路由的累积路径量 度值，并且挑选具有最低累积路径量度的较低类网络元素作为其“双 亲”。在第k时段中，收发器501发送其唯一的导频和控制消息(步 骤405)。注意，对于类J网络元素来说，导频的发送是不必要的，但 是仍然要求发送用于指明其“双亲”选择的控制消息。在控制消息中， 网络元素通告其自己的类(注意，此通告可以是隐式的，这是由于在 此时段期间只有类-k网络元素正在发送)，通告其“双亲”，并且根 据替换实施例，包括其至BTS的路径的累积量度值。在k+1到J时段 中，逻辑电路502监视来自较高类网络元素的控制消息通告，并且确 定其“子女”。在完成RDS时，假定所有控制消息到达他们所期望的 目的地，那么每个网络元素知道其“双亲”和“子女”。BTS 201通过 轮询蜂窝式下行链路上的网络元素来确定HCN的拓扑。注意，如果 BTS 201已经成功地接收了所有在RDS期间所交换的消息，那么此步 骤不是必要的。当所述拓扑为系统所知时，用于上行线路传输(即， 在网络元素发起、发往BTS 201的数据)的标准HCN路由选择通过逻 辑电路502经由具有较低操作类的网络元素(如上面所选)路由该数 据来进行。特别地，被选择用于路由的网络元素使其逻辑电路502从 较高操作类(即类＞k)的网络元素接收上行链路数据，继而把所接收 的数据路由到具有较低操作类的网络元素。
依照类似的方式，用于下行链路传输的路由选择(即，在BTS 201 发起、最终目的地在网络元素的数据)通过逻辑电路502路由从具有 较低操作类的网络元素所接收的数据来进行。特别，被选择用于路由 的网络元素使其逻辑电路502从较低操作类的网络元素接收下行链路 数据，继而把所接收的数据路由到具有较高操作类的网络元素。
注意，RDS是串行过程：必须在来自较高类网络元素的消息之前 接收来自较低类网络元素的导频波形和控制消息。这种条件使路由树 能够首先从BTS 201开始直到类J的网络元素顺序地构建。
如上面参考图3所述的，每个网络元素被分配有唯一的导频波形。 导频分配并不是基于网络元素的类成员关系。从而，在每个RDS周期 期间，网络元素需要监视整个导频波形组以使得能够得知其双亲或子 女节点。为了减少要在每个RDS周期期间所搜索的可能的导频波形组， 导频波形组可以被划分为J个子集，每个子集对应一个类。利用这种分 配，在第j个RDS周期期间只需要搜索第j个子集。子集的分配可以 由BTS 201预先确定或动态分配并且被通告给参与的各网络元素。为 了便于基于类的导频分配，BTS 201可能需要从参与的网络元素处接收 类报告。这可以通过包括具有HCN参与标志的类报告来高效地执行。 注意，尽管基于类的导频分配降低了搜索复杂性，然而由于当网络元 素的类改变时需要重新分配导频波形，所以也增加了信令开销。
由于链路建立故障而不能建立HCN路由的网络元素继续与BTS 201直接通信。他们可以在随后的RDS期间试图参与所述HCN。参与 所述HCN的网络元素撤下它们的蜂窝式数据信道并且开始使用它们的 HCN路由来发送和接收数据。作为替换，可以只在上行链路或只在下 行链路上使用HCN，而另外的链路保持在蜂窝式模式。对于来自BTS 201的进一步控制消息发送，对于所有活动网络元素(参与HCN和不 参与HCN)来说，下行链路控制信道结构保持不变。
还应当注意，网络元素可以决定使用HCN模式来进行发送而不会 中继任何传输。这可以发生在终端的电池寿命很低，或者因为拥有此 网络元素的订户将其配置为不中继任何呼叫。在这种情况下，网络元 素在图3的步骤2会强制其类为“类J”。在图3中所描述的算法的其 它步骤保持相同。作为替换，这种网络元素可以接收来自其它网络元 素的所有消息但是不广播任何导频波形或控制消息。当这种网络元素 需要发送时，它需要向BTS发送路由选择路径以便所述BTS知道怎样 到达它。
路由维护
路由维护过程(RMP)需要适应HCN成员关系和拓扑的改变。路 由维护过程在每个小区中由BTS启动并且周期性执行，典型情况下为 每隔几个超帧(superframe)。更新之间的时间间隔应当充分短从而可 跟踪网络的成员关系和拓扑的变化。在替换实施例中，当HCN成员关 系改变时可以触发RMP。
HCN成员关系中的改变例如可以是由于新的网络元素到达小区 中，由于网络元素从“睡眠”模式转变到活动模式，或者由于网络元 素从小区中脱离。此外，如果BTS 201试图把处于“睡眠”模式的网 络元素或专用中继器包括到HCN中，那么HCN成员关系会发生改变。 例如HCN拓扑的改变可以是由于参与的网络元素的类成员关系的改 变。可以预计，周期性执行与以上四步骤HCN转换过程类似的过程来 进行路由维护。所述步骤如下并且如图6中所示。
步骤1.更新HCN成员关系。使用蜂窝式下行链路控制信道，BTS 201向小区中的所有活动网络元素指明将开始路由维护过程。然后BTS 201命令每个活动的而不是先前参与的网络元素向回报告参与标志。注 意，所有活动的未参与的网络元素必须依照蜂窝式模式与BTS 201维 持双向通信。所有先前参与的网络元素并不重新发送它们的参与标志， 除非执行了基于类的导频分配。在这种情况下，具有类改变的每个网 络元素也发送HCN参与标志。BTS 201可以通过寻呼并命令处于“睡 眠模式”中的网络元素或中继器网络元素向回报告HCN参与标志来把 所述网络元素包括到HCN中。
步骤2.更新类成员关系。BTS 201命令参与HCN的所有网络元 素来确定它们的类。网络元素如上面HCN初始化过程的步骤2中所述 来确定它们的类。
步骤3.更新路由发现。当完成类确定步骤时，BTS 201向每个新 参与的网络元素分配唯一可识别的导频波形并且命令HCN中的所有元 件参与RDS，如在以上HCN初始化过程的步骤3中所指定的。在替换 实施例中，在执行RMP之前分配导频波形。后来已经变得不活动或不 合格参与HCN的所有先前参与的网络元素在RDS期间保持无声 (silent)。注意，通过在RDS期间保持无声，有效地排除了这些网络 元素参与HCN。为了继续与BTS 201通信，它们优选借助于BTS 201 上行链路随机访问信道来切换到蜂窝式通信模式。
步骤4.更新资源分配和链路建立。此步骤与HCN初始化过程的 步骤4完全相同。
路由故障恢复
周期性执行的路由维护过程为从路由故障中恢复提供了高效的机 制。即，其路由被破坏的HCN参与网络元素简单地监视BTS 201下行 链路控制信道有关通告下一路由维护过程的情况。通过参与下一路由 维护过程，网络元素建立新的HCN路由。如果网络元素通过路由维护 过程重复不能成功建立HCN路由，那么它借助于BTS 201上行链路随 机访问信道来进入蜂窝式操作模式。作为选择，路由故障可以是用于 触发RDS的事件。
HCN越区切换操作
对参与网络元素的小区间切换实质上与蜂窝式模式中的小区间切 换相同。特别地是，所有参与的网络元素维持用于小区间切换的候选 BTS列表。为了与新的BTS建立通信链路，参与的网络元素首先使用 新的BTS的上行链路随机访问信道来访问该BTS。此时，依照蜂窝式 模式与新的BTS建立(低)数据速率信道。当在新的服务小区中建立 蜂窝式链路时，网络元素撤下其在旧小区中的HCN连接。一旦建立新 小区中的蜂窝式链路，如果适用的话，网络元素就参与用于新服务小 区的路由维护过程。注意在越区切换过程期间，网络元素可能会遭受 较低的数据速率直到它参与路由维护过程并且加入新小区中的HCN网 络。作为选择，网络元素的到达可以触发完整的RDS。或者可以防止 到达的网络元素进行发送直到下一RDS。
断电过程
考虑正被其拥有者断电的“双亲”网络元素。在这种情况下，需 要经由此“双亲”节点与所述BTS通信的所有“子女”节点发现至BTS 的新路由。在本发明的第一实施例中，这些“子女”节点当终止它们 与所断电的“双亲”节点的连接时，简单地监视下行链路控制信道并 且参与后续的RMP会话。在第二实施例中，“双亲”网络元素向所述 BTS发送“断电”标志。然后BTS立即开始RMP。在另一实施例，“子 女”重新建立与BTS的直接通信直到下一定期调度的RMP周期。在又 一实施例中，延迟该网络元素断电直到下一周期性路由发现会话。
虽然参考其特定实施例已经特别示出并描述了本发明，然而本领 域内技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以 对其形式和细节进行各种改变。这种改变也包含在权利要求的范围之 内。