Mesh网络中的集中式拓扑控制及功率调整的方法、装置

摘要

本发明实施例公开了一种mesh网络中集中式拓扑控制的方法及装置，以及在集中式拓扑控制下的节点功率调整的方法与装置。所述mesh网络中集中式拓扑控制的方法包括步骤：拓扑控制服务器获取mesh节点的链路信息；获得所述链路信息后拓扑控制服务器向该mesh节点发送前向拓扑探测请求，进行前向拓扑信息收集；完成前向拓扑信息收集后，拓扑控制服务器向该mesh节点的邻居节点发送反向拓扑探测请求，对邻居节点进行反向拓扑信息收集。通过对网络中任意节点的正向和反向邻居信息的收集，可以使得拓扑控制服务器全面了解网络的拓扑信息，以便于做出全局优化的拓扑控制决策，并控制网络内的mesh节点进行功率调整。

说明书

技术领域

本发明涉及网状(Mesh)网络技术，特别涉及一种mesh网络中集中式拓扑控制的方法及装置，以及在集中式拓扑控制下的节点功率调整得方法与装置。

背景技术

无线Mesh网络(WMN)，也称无线网状网络，或“多跳”网络。它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网(WLAN)中，用户设备通过无线链路与无线接入点(AP)相连，再通过AP与有线网相连，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为接入点和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收无线信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大优点在于：如果最近的节点由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。一个无线Mesh网的基础结构由一组若干个Mesh Point(MP)，Mesh AccessPoint(MAP)，Mesh Portal Point(MPP)组成。其中MP为数据转发节点，MAP为带有接入功能的数据转发节点，MPP为网关节点，MP、MAP及MPP均可称为mesh节点。

现有技术中只收集网络中每个节点的功率容量信息，而没有节点的周围邻居信息。因此，不能得到全网的拓扑，它所做出的功率调整的决策缺乏全局性。

发明内容

本发明实施例提供一种mesh网络中集中式拓扑控制的方法，该方法能够获得全网的拓扑信息。同时本发明实施例在集中式拓扑控制的方法下提供一种功率调节的方法。

所述网状mesh网络中拓扑信息收集的方法，包括步骤：

拓扑控制服务器获取mesh节点的链路信息；

获得所述链路信息后拓扑控制服务器向该mesh节点发送前向拓扑探测请求，进行前向拓扑信息收集；

完成前向拓扑信息收集后，拓扑控制服务器向该mesh节点的邻居节点发送反向拓扑探测请求，对邻居节点进行反向拓扑信息收集。

所述调整网状mesh网络中调整mesh节点发射功率的方法，包括：

mesh节点接收拓扑控制服务器的功率调整通告信息，该功率调整通告信息携带了mesh节点的功率调整信息；

所述mesh节点根据接收到的功率调整信息执行功率调整操作；

该mesh节点向拓扑控制服务器发送功率调整信息报告帧，报告自身当前的功率信息。

同时本发明还提供一种实现上述方法的拓扑控制服务器及mesh节点设备。

所述拓扑控制服务器，包括：

拓扑和链路信息收集模块，该模块用于收集mesh节点发送的前向拓扑信息、反向拓扑信息以及功率调整后的链路信息；

集中式拓扑控制决策模块，该模块用于根据收集到的全网络的拓扑和链路信息，作出集中式的拓扑控制决策；

功率调整指令生成模块，该模块用于根据拓扑控制决策，生成广播或单播的功率调整指令，该指令携带在功率调整通告帧中；

管理帧发送接收模块，该模块用于接收和发送与mesh节点交互的管理帧。

所述网状mesh网络中的mesh节点设备包括：

拓扑探测生成和处理模块，该模块用于生成发给邻居节点的前向或反向拓扑探测帧；处理来自邻居节点的前向或反向拓扑探测帧，生成发给TCS的拓扑探测报告帧；

链路信息测量模块，该模块用于测量本节点某个射频所在信道上的链路信息；

服务器交互模块，该模块用于与拓扑控制服务器的管理帧交互，解析管理帧，根据管理帧的信息及要求进行相应操作处理；

邻居节点交互模块，该模块用于与邻居mesh节点之间的管理帧交互；

功率调整执行模块，该模块根据拓扑控制服务器下达的命令，执行功率调整操作；

管理帧发送接收模块，该模块接收和发送邻居mesh节点交互的管理帧。

通过对网络中任意节点的正向和反向邻居信息的收集，可以使得拓扑控制服务器可以全面了解网络的拓扑信息，以便于做出全局优化的拓扑控制决策。

附图说明

图1为TCS的结构框图。

图2为Mesh节点的内部结构框图。

图3为链路信息上报过程的交互流程图。

图4为执行前向拓扑信息收集过程的方法流程图。

图5为执行前反拓扑信息收集过程的方法流程图。

图6为节点移动时的信息收集的方法流程图。

图7为节点正常退出时的信息收集流程的方法流程图。

图8为节点异常退出时的信息收集流程的方法流程图。

图9为调整mesh节点发射功率的第一实施例方法流程图。

图10为目标Mesh节点当前的通信采取保护措施的方法流程图。

图11为调整mesh节点发射功率的第二实施例方法流程图。

具体实施方式

在Mesh网络中，各个Mesh节点可以进行无线的数据转发，并且可以通过多跳的无线链路连接到Internet。此处的Mesh节点包括所有具有无线转发功能的设备，可包括专门用于转发数据的MP，同时用于转发数据和接入用户的MAP以及与有线网络相连的MPP。此外，Mesh节点可以是运营商部署的设备，可以是具有无线转发功能的用户终端设备。

本发明实施例中在Mesh网络中，提供至少一个拓扑控制服务器(TCS，Topology Control Server)，TCS负责对整个Mesh网络中的各个Mesh节点的射频进行信道分配。如果有多个TCS，那么它们之间通过相互协调，对各个mesh节点进行信道分配。TCS可以是与有线网连接的服务器，也可以是某个特定的mesh节点。

如图1所示TCS 10包含了以下模块：

拓扑和链路信息收集模块101：该模块收集mesh节点发送的前向拓扑信息、反向拓扑信息以及功率调整后的链路信息，获得全网的拓扑信息。

集中式拓扑控制决策模块102：该模块根据收集到的全网络的拓扑和链路信息，作出集中式的拓扑控制决策。

功率调整指令生成模块103：该模块根据拓扑控制决策，生成广播或单播的功率调整指令，该指令携带在功率调整通告帧中。

管理帧发送接收模块104：该模块接收和发送与mesh节点交互的管理帧。

如图2所示mesh节点20的内部结构如所示：

拓扑探测生成和处理模块201：该模块用于生成发给邻居节点的前向或反向拓扑探测帧；处理来自邻居节点的前向或反向拓扑探测帧，生成发给TCS的拓扑探测报告帧。

链路信息测量模块206：该模块测量本节点射频所在信道上的链路信息。

服务器交互模块202：该模块用于本节点与拓扑控制服务器的管理帧交互，解析管理帧，根据管理帧的信息及要求进行相应操作处理。

邻居节点交互模块203：该模块用于本节点与邻居Mesh节点之间的管理帧交互。

功率调整执行模块205：该模块根据拓扑控制设备下达的命令，执行功率调整操作。

管理帧发送接收模块204：该模块接收和发送与拓扑控制服务器或者邻居Mesh节点交互的管理帧。

本发明实施例提供的mesh网络系统，包括上述的拓扑管理服务器及mesh节点设备。

本发明实施例中拓扑信息收集过程如下：

TCS收集拓扑信息的过程主要有以下四种情况：节点加入、节点移动、节点退出，而节点退出又分为节点正常退出和节点异常退出。

以下分别对这四种情况的流程进行介绍。

节点加入时的信息收集过程：

节点加入时的信息收集流程，主要分为三个过程：链路信息上报过程、前向拓扑信息收集过程和反向拓扑信息收集过程。

链路信息上报过程的交互流程如图3所示：

mesh节点A加入网络后，将自身功率设置为最大。

mesh节点A的邻居节点与A建立链路，获取A的信息；然后邻居节点向TCS发送链路建立报告帧，即节点A的链路更新信息，该链路建立报告帧中包含A的当前功率信息和功率能力信息。

如果TCS首次收到关于A的链路更新信息，即在TCS内没有存储节点A的相关记录，则添加节点A的记录。TCS每次收到关于A的链路更新信息，则对节点A做unstable标记(不稳定标记)，TCS认为节点A处于不稳定的状态，并启动一个关于节点A的状态稳定定时器，定时为T1秒。在时间T1内，如果没有收到关于A的链路更新信息，则认为A的状态达到稳定，去除节点A的unstable标记。

链路信息上报过程结束后，执行前向拓扑信息收集过程，其流程如图4所示：

TCS向节点A发送前向拓扑探测请求帧，要求节点A进行前向拓扑探测。该前向拓扑探测请求帧用于TCS请求mesh节点进行前向拓扑探测，其中包含的信息携带作前向拓扑探测的节点的设备标识。

节点A收到TCS的请求帧后，逐级改变自身功率(功率可以从大到小改变，也可以从小到大改变)，设置在一功率等级上，然后执行以下过程：节点A遍历各个信道，在每个信道上向邻居节点广播k(k为自然数)次前向拓扑探测帧，帧中包含A当前的功率等级，收到探测帧的邻居节点向TCS发送拓扑信息报告帧。拓扑信息报告帧用于收到拓扑探测的mesh节点向TCS上报该拓扑信息，其中包含本节点的设备标识、进行前向探测的对端节点的设备标识、进行前向探测的对端节点当前功率等级。前向拓扑探测帧用于mesh节点向TCS确认已完成前向拓扑探测，其中包含完成前向拓扑探测的节点的设备标识。应用中需在每个功率等级上执行上述操作。

节点A完成前向拓扑探测过程后，将功率设置为在调整前的功率等级，然后向TCS发送前向拓扑探测确认帧。

前向拓扑信息收集结束后，执行反向拓扑信息收集过程，其流程如图5所示：

TCS根据前向拓扑探测收集到的信息，逐个选出节点A的邻居节点，对每个邻居节点执行以下流程：

TCS向该邻居节点发送反向拓扑探测请求帧，要求该邻居节点进行反向拓扑探测；

该邻居节点收到TCS的请求帧后，逐级改变自身功率(功率可以从大到小改变，也可以从小到大改变)，设置在一功率等级上，然后执行以下过程：邻居节点在节点A所在的信道上向节点A发送k次反向拓扑探测帧，帧中包含邻居节点当前的功率等级；如果A收到该反向拓扑探测帧，则向TCS发送拓扑信息报告帧，帧中包含邻居节点当前的功率等级。反向拓扑探测帧用于Mesh节点的邻居节点向TCS确认已完成反向拓扑探测，其中包括完成反向拓扑探测的节点的设备标识。应用中需在每个功率等级上执行上述操作。

该邻居节点完成反向拓扑探测过程后，将功率设置为在调整前的功率等级，然后向TCS发送反向拓扑探测确认帧。

TCS控制A的所有邻居节点完成反向拓扑探测后，根据收集到的关于节点A的前向和反向拓扑信息，更新拓扑记录。

节点移动时的信息收集过程如图6所示：

节点A移动后，将导致A与旧的邻居节点链路断裂，并与新的邻居节点建立链路。

与节点A链路断裂的旧邻居节点向TCS发送链路断裂报告帧，该帧用于Mesh节点向TCS上报自身与另一个Mesh节点链路断裂的信息，具体的可以包括本节点的设备标识、与本节点链路断裂的对端节点的设备标识、链路断裂的信道的类别标识、链路断裂的信道的编号。

与节点A建立链路的新邻居节点向TCS发送链路建立报告帧。

TCS每次收到关于A的链路更新信息，则将节点A打上unstable标记，并启动一个关于节点A的状态稳定定时器，定时T1。在时间T1内，如果没有收到关于A的链路更新信息，则认为A的状态达到稳定，去除节点A的unstable标记。

上述过程结束后，再执行前向拓扑信息收集过程和反向拓扑信息收集过程，这两个过程与节点加入时的操作相同。

下面介绍节点退出时的信息收集过程，节点退出可能为正常退出，或者异常退出。

节点正常退出时的信息收集流程如图7所示：

若节点A离开网络，先向TCS发送节点退出通告帧，节点退出通告帧用于Mesh节点向TCS单播或向邻居节点广播通告自身退出网络。节点退出通告帧中携带该Mesh节点的设备标识。

TCS收到通告帧后，向节点A发送节点退出确认帧，并删除关于节点A的拓扑信息。节点退出确认帧用于TCS向Mesh节点进行确认，通知该Mesh节点TCS已收到其退出通告。退出确认帧中也需包含退出Mesh节点的设备标识。

节点A收到确认帧后，向邻居节点广播k次节点退出通告帧，或者逐个向已建立链路的邻居节点单播节点退出通告帧，然后退出网络。邻居节点收到节点A的退出通告帧，获知节点A将退出网络，因此之后与节点A链路断裂，将不会向TCS发送链路断裂报告帧。

节点异常退出时的信息收集过程如图8所示：

节点A异常退出网络时，各个邻居节点发现与A的链路断裂，向TCS发送链路断裂报告帧。

TCS向节点A发送节点存在查询帧，实际上节点A无法收到该帧，节点存在查询帧用于TCS在网络中查询某个Mesh节点是否存在。节点存在查询帧中只需包含被查询的节点的设备标识。

TCS定时T秒，等待接收节点存在确认帧，节点存在确认帧用于Mesh节点向TCS反馈该节点在网络中存在。节点存在确认帧中也只需包含被查询的节点的设备标识。

若定时结束时，没有收到节点A反馈的节点存在确认帧，则删除关于节点A的拓扑信息。

在具体实施中，对以上过程，还有另一种实施方案：

TCS自身存储了关于节点A的建立链路的对端邻居信息，如果发现节点A的所有对端邻居都上报与节点A的链路断裂，那么启动一个关于节点A的异常退出定时器，定时一段时间T2。

如果定时结束时，没有收到节点A或其它节点上报的关于节点A的链路建立信息，那么就删除节点A的拓扑信息。

通过对网络中任意节点的正向和反向邻居信息的收集，可以使得TCS可以全面了解网络的拓扑信息，以便于做出全局优化的拓扑控制决策。

本发明实施例在通过上述的方法完成网络的拓扑控制后还提供了控制mesh节点功率调整的方法。

本发明实施例提供的调整mesh节点发射功率的第一实施例方法如图9所示：

TCS在Mesh网中广播功率调整通告帧，功率调整通告帧中携带了全网所有Mesh节点的功率调整信息。

Mesh节点收到功率调整通告帧后，判断之前是否接收过此帧，如果没有则向邻居广播k次，(k可以是1次，也可以是多次，尽量保证邻居节点都可收到该帧，实施中优选k＝3)。

该Mesh节点完成功率调整通告的转发之后，再根据帧中包含的自身的功率调整信息，执行功率调整操作。然后设置第一定时器，等待时间为T0。该定时结束时，网络状态已趋于稳定，此时该Mesh节点向TCS单播功率调整信息报告帧，报告自身当前的功率信息。

网络中的每个Mesh节点在收到功率调整通告帧后，进行相同的操作，从而完成整个Mesh网的功率调整。

实际应用中还可以对第一实施例的方法进行修改，在功率调整通告帧增加全网的调整时间信息，当Mesh节点收到功率调整通告后，判断是否之前收到过该帧：如果首次收到，则向邻居节点广播k次该帧，然后根据该帧中携带全网同步的功率调整时间信息，定时时间T3，该定时结束时，根据通告帧中包含的功率调整信息，执行功率调整操作；然后，设置所述第一定时器，定时为T0。

此外，实际应用中，在该Mesh节点完成转发之后，目标Mesh节点收到功率调整通告帧后，对目标Mesh节点当前的通信采取保护措施，如图10所示。保护措施可以是：在调整之前，使可能断裂的链路上的数据发送完毕；调整之后，该节点仍存在到网关的路由路径。具体措施不限于这两种情况。

目标Mesh节点完成保护措施后，向邻居Mesh节点发送功率调整请求帧，然后目标节点设置定时器定时t。功率调整请求帧中包括：本节点要作功率调整的射频MAC地址、调整前原有的功率等级、调整后新的功率等级。

邻居Mesh节点根据请求帧中的信息，对自身当前的通信采取保护措施。

邻居Mesh节点完成保护措施后，向目标Mesh节点发送功率调整响应帧。调整响应帧中包括，要作功率调整的射频MAC地址、对端邻居自身的射频MAC地址。如果目标Mesh节点在定时结束时，没有收到邻居节点的响应帧，则重发请求帧(最多重发k次)。此时该Mesh向TCS单播功率调整信息报告帧，报告自身当前的功率信息。

考虑到功率调整请求可以是单播，也可以是广播，因此对上述进行如下修改。

目标Mesh节点完成保护措施后，向邻居Mesh节点单播或广播功率调整请求帧，然后目标节点设置定时器定时t秒。功率调整请求帧中包括：调整前原有的功率等级、调整后新的功率等级。

邻居Mesh节点根据请求帧中的信息，对自身当前的通信采取保护措施。完成保护措施后，向目标Mesh节点单播功率调整响应帧。

在单播功率调整请求帧的情况下，目标节点收到邻居节点的功率调整响应帧或者定时器时间到，则开始对下一个邻居节点的请求过程，直到与所有邻居节点完成交互为止。

在广播功率调整请求帧的情况下，目标节点在定时器时间到后，如果没有收到所有邻居节点的功率响应帧，则重新广播功率调整请求帧并启动定时器定时t秒。如果目标节点收到所有邻居节点的功率调整响应帧，或者已经广播了k次，则结束与邻居的交互。

本发明实施例提供的mesh节点发射功率的第二实施例方法如图11所示：

TCS向目标Mesh节点单播功率调整通告帧发送给Mesh网关，然后设置定时器定时T4秒。

中间Mesh节点收到通告帧后，向目标Mesh节点转发该帧。

目标Mesh节点通告帧后，根据通告帧中的信息执行功率调整操作。

然后向TCS反馈功率调整信息报告帧，中间Mesh节点收到报告帧后，向TCS转发该帧。实际应用中，可以先向TCS反馈功率调整信息报告帧，该帧中携带是执行功率调整的结果的功率信息，然后目标节点根据通告帧中的信息执行功率调整操作。

如果TCS在所述定时器定时结束时，未收到目标Mesh节点的报告帧，则重发通告帧并等待报告帧(最多重发K次)。

通过该流程，可以实现TCS对某个Mesh节点的快速功率调整。

在实际应用中可以对当前的通讯进行保护，实际应用中，在该Mesh节点完成转发之后，目标Mesh节点收到功率调整通告帧后，对目标Mesh节点当前的通信采取保护措施。保护措施可以是：保证在调整之前，使可能断裂的链路上的数据发送完毕；保证调整之后，该节点仍存在到网关的路由路径。具体措施不限于这两种情况。

目标mesh节点完成保护措施后，向邻居mesh节点发送功率调整请求帧，然后目标节点设置定时器定时t。功率调整请求帧中包括：接收请求的对端邻居射频MAC地址、本节点要作功率调整的射频MAC地址、调整前旧的功率等级、调整后新的功率等级。

邻居Mesh节点根据请求帧中的信息，对自身当前的通信采取保护措施。

邻居Mesh节点完成保护措施后，向目标Mesh节点发送功率调整响应帧。调整响应帧中包括，要作功率调整的射频MAC地址、对端邻居自身的射频MAC地址。

如果目标Mesh节点在定时结束时，没有收到邻居节点的响应帧，则重发请求帧(最多重发k次)。此时该Mesh向TCS单播功率调整信息报告帧，报告自身当前的功率信息。

本发明实施例还提供拓扑服务控制器的另一种实施例，其用于执行上述方法实施例中拓扑服务控制器要完成的各个操作，该拓扑控制服务器至少包括：

链路信息收集模块，其用于获取mesh节点的链路信息，

前向拓扑收集模块，其用于获得所述链路信息后向该mesh节点发送前向拓扑探测请求，进行前向拓扑信息收集；

反向拓扑收集模块，其用于完成前向拓扑信息收集后，向该mesh节点的邻居节点发送反向拓扑探测请求，对邻居节点进行反向拓扑信息收集。

所述信息收集模块还包括信息记录添加模块，用于首次收到该mesh节点的链路更新信息则添加该mesh节点的记录。

本发明实施例还提供mesh节点设备的另一种实施例，其用于执行上述方法实施例中拓扑服务控制器要完成的各个操作，该mesh节点设备包括：

功率调整通告信息接收模块，其用于mesh节点接收拓扑控制服务器的功率调整通告信息，该功率调整通告信息携带了mesh节点的功率调整信息；

功率调整模块，其用于根据接收到的功率调整信息执行功率调整操作；

报告帧发送模块，其用于向拓扑控制服务器发送功率调整信息报告帧，报告自身当前的功率信息。

通过上述设备实施本发明实施例提供的方法能够及时对mesh节点的发射功率进行调整，并且所述的调整基于全局的拓扑信息，能够减小无线信道信号间干扰，提高频谱复用效率。