CN101043236B - 控制网状网络节点发射功率的方法及网状网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术，特别涉及网状网络通信技术，公开一种控制网状网络节点发射功率的方法及网状网络节点。本发明技术方案从网络的整体性能出发，依据不同业务的性能要求，结合网络的拓扑结构进行功率调整，达到了优化网络性能的目的，解决了现有技术中不能依据不同业务的性能要求并结合网络拓扑合理调整发射功率的问题；进一步结合现有节点之间点对点功率控制方法，发射节点建立功率表记录每一个邻居节点的当前发射功率，解决了现有功率控制信息交互频繁占用系统资源的问题。

Description

控制网状网络节点发射功率的方法及网状网络节点

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及网状网络通信技术，公开一种控制网状网络节点发射功率的方法及网状网络节点。

背景技术

网状网(Mesh Network)当中的节点和一个或多个节点有连接，节点只和邻居节点进行直接通信(一跳的通信)，因此两个非相邻节点之间的通信需要通过其它节点中转(多跳的通信)。因为每个节点都可能存在多个连接，因此两个节点之间可能有多条通信路径，这样可以提高整个网络系统的可靠性。个人域网络(PAN，Personal Area Network)：是指个人范围内的设备所组成的网络，个人范围也指短距离的范围，跟局域网(LAN，Local Area Network)、广域网(WAN，Wireless Area Network)等概念相对应。PAN当中的设备可以通过各种技术进行连接，比如蓝牙、UWB(Ultra Wide Band，超宽带技术)、ZigBee(一种低速的短距离无线通信技术)等。

个人域网络中的无线设备工作的时候都有一个发射功率，该发射功率值是可以预先设置的。对无线设备来说，在整个工作过程当中，发射功率可以不改变，也可以改变。一般来说，源节点发射功率越大，目的节点接收到的信号能量就越大，信噪比就越大，误码率就比较低。但这并不是说应该无限制的提高发射功率，因为提高发射功率受到很多限制：第一是能耗提高和当今节能社会的要求相违背；第二是当功率高出一定程度的时候，对误码率的改善就没有明显效果了，没有必要再增大发射功率；第三是增大发射功率对于其它不相关的设备来说是增大了干扰、减小了网络容量；第四是在不同地方应用时，地方规定对发射功率有不同的限制。所以发射功率不是越高越好，但也不是越低越好，因为发射功率太低就很难接收到有用信号了。因此需要找到一个合适的发射功率。用户一般是不会关心这个发射功率究竟是多大才合适，而且也很难实时控制，需要引入一些自动调整机制让设备能够对发射功率进行自动调整。

总的来说，增大发射功率的好处是时延减小(通信距离增加，跳数或者说转发次数减少，中间处理的次数也减少)，坏处是容量降低、能耗增加；降低发射功率，好处是容量增加、能耗降低，坏处是时延增加(通信距离减少，跳数增加，中间处理的次数也增加)。容量发生变化的原因是对自己来说是有用的发射信号对其它无关的节点来说是干扰，如果增大发射功率，那么网络整体的干扰就增加，容量就降低，如果降低发射功率，那么网络整体的干扰就降低，容量就增加。

对于点对点的通信来说，方法比较简单。蜂窝移动网络当中，基站和移动台之间通常就有开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制等方式。而在无线局域网和无线个人域网络中，也会有一些点对点的功率控制机制。点对点的功率控制机制一般来说有以下两种方法：

方法一是发射机根据接收信号的功率来判断自己的发射功率的合理值是多大，如果和现在的发射功率不一致，就要进行调整；

方法二是接收机根据接收信号的强弱或者接收误码率去判断发射机合理的发射功率，如果和现在的发射功率不一致，就发出指令要求发射机调整发射功率。

点对点的功率控制的原理比较简单，而在网络当中应用时，这个控制机制就比较复杂了。因为节点之间的距离和传播环境往往不一样，因此节点到其它节点的发射功率有可能差别比较大，这样可能不同节点要求发射节点进行的功率调整也不同。发射节点向其中一个节点发信号的时候可能采取某种功率，向另一个节点发信号的时候可能会采取另一种功率，有可能会频繁的进行功率调整，这需要很多功率调整信息的交互。点对点的功率控制调整很有限，最大的功率调整也需要满足两点之间进行直接通信。这样做有时候对网络的整体性能来说不一定是最优的。考虑跟节点直接连接和通信的邻居节点，由于邻居节点与本节点的距离或者信道环境不一样甚至相差很远，本节点到它们的发射功率也可能不一样或者相差很远，即使进行了点对点功率控制依然改变不了这个结果。

无线网络当中每次通信都采用点对点的闭环功率控制。即在一次通信过程当中，如果接收设备发现接收信号功率太小，低于下门限，就向发射设备发送功率调整命令，要求提高发射功率并且给出提高的数值，发射设备接收到功率调整命令之后增加发射功率；如果接收设备发现接收信号功率太大，高于上门限，就向发射设备发送功率调整命令，要求降低发射功率并且给出降低的数值，发射设备接收到功率调整命令之后降低发射功率。

采用点对点功率控制时，每次接收节点改变的时候，都有可能需要进行一次协调发射功率大小的过程，产生大量的信息交互。该方法无法从网络整体性能来考虑问题，不能达到网络性能的更优化；每次功率控制只从一对节点的角度来考虑，可能不满足公平性要求。

无线网路中还采用一种开环功率控制方法。接收节点根据接收到的链路的信号衰落情况，估计自身发射链路的衰落情况，从而确定发射功率。主要特点是无需反馈信息。但是仍然无法使网络性能达到最优，同时不满足公平性原则。

发明内容

本发明提供一种控制网状网络节点发射功率的方法及网状网络节点，以解决现有技术中不能依据不同业务的性能要求并结合网络拓扑合理调整发射功率的问题；

进一步结合现有节点之间点对点功率控制方法，发射节点建立功率表记录每一个邻居节点的当前发射功率，进一步解决现有功率控制信息交互频繁占用系统资源的问题。

一种控制网状网络节点发射功率的方法，所述网状网络至少包括一个功率控制节点，所述功率控制节点记录该网状网络中各节点之间的路由关系，发射节点分别根据各邻居节点的功率控制命令调整并记录每一个邻居节点的当前发射功率，所述方法包括如下步骤：

A1、发射节点向功率控制节点发送拓扑改变请求，所述拓扑改变请求中携带需要到达的目标节点标识、该目标节点上当前业务的应用性能参数和每一个邻居节点对应的当前发射功率；

A2、功率控制节点根据所述路由关系和所述业务的应用性能，在可用路径中为该目标节点确定满足所述应用性能的最优可用路径，并将最优可用路径的路由信息携带在拓扑改变成功应答中发送给发射节点，其中：如果仅存在一条可用路径，则该可用路径即为所述最优可用路径；如果存在至少两条可用路径，则通过如下方法之一确定所述最优可用路径：

预先保存为每一种业务类型设定的优先考虑的应用性能参数，并且根据该所述当前业务的类型优先考虑的应用性能参数，选择在一条可用路径上实际进行所述当前业务时，使优先考虑的应用性能参数达到最佳的一条可用路径；或者

预先保存为每一种业务类型设定的各项应用性能参数的权重值，并且根据所述当前业务的类型确定每一项应用性能参数对应的权重值，然后分别确定在每一条可用路径上实际应用该当前业务时，各应用性能参数值与对应权重值分别相乘后的乘积之和，然后选择其中乘积之和最小的一条可用路径；

A3、发射节点收到所述拓扑改变成功应答后，根据所述最优可用路径和相应邻居节点上的当前发射功率进行所述当前业务。

步骤A1之前还包括如下步骤：

发射节点在所述当前业务开始时，判断该业务当前路径的应用性能是否满足该业务的应用性能要求，如果是，则在所述当前路径上进行该业务，否则触发步骤A1请求所述可用路径；或者

在每一次调整时，计算调整前后发射功率值之间的第一差值，当该第一差值超过第一设定阈值时，将对应的邻居节点作为目标节点触发步骤A1；或者

在每一次调整后，分别计算任意两个邻居节点对应的发射功率之间的第二差值，当至少一个第二差值超过第二设定阈值时，将其中发射功率较高的邻居节点作为目标节点并触发步骤A1；或者周期性记录接收到的所有功率控制命令的总次数和每一个邻居节点的调整次数，当一个周期中的所述总次数超过第三设定阈值时，将其中当前发射功率最高或调整次数最多的邻居节点作为本次功率调整的目标节点并触发步骤A1。

所述应用性能参数包括：实际时延参数，该实际时延参数根据该路径的路由代价确定；实际功率损耗参数，该实际功率损耗参数等于可用路径相应邻居节点对应的当前发射功率；实际容量参数，该实际容量等于所述当前发射功率的倒数。

预先在功率控制节点上设置所述网络中允许的门限发射功率，所述步骤A2中，功率控制节点确定出所述最优可用路径后，先判断该最优可用路径相应邻居节点对应的发射功率是否超过所述门限发射功率，如果是则返回拓扑改变失败应答；否则再发送所述拓扑改变成功应答。

所述方法还包括如下步骤：发射节点每次收到所述拓扑改变成功应答后，向功率控制节点返回成功响应；

功率控制节点收到所述成功响应后，根据本次新路径更新本地保存的各节点之间的路由关系。

所述步骤A2中还包括，功率控制节点发送完所述拓扑改变成功应答后，根据确定的最优可用路径更新本地保存的各节点之间的路由关系。

所述步骤A3中还包括，发射节点从本地记录的邻居节点以及对应的当前发射功率信息，删除所述当前路径相应邻居节点的相关信息。

所述方法同时包括如下步骤：

发射节点每一次删除一个邻居节点的相关信息时通知被删除的邻居节点；

被删除的邻居节点相应修改本地记录的该发射节点的相关信息。

所述的方法中，功率控制节点记录邻居上一次根据拓扑改变请求调整的时间信息并在每一次调整完成后更新该时间信息，并且功率控制节点在每一次根据拓扑改变请求进行调整之前，先判断距离上次调整时间的时间间隔是否大于设定的时间阈值，如果是再进行调整；否则向发射节点返回拓扑改变失败应答。

所述方法中还包括：

各节点发现邻居节点增加或变化时，将变化信息上报给功率控制节点并更新本地记录的各邻居节点的发射功率；

功率控制节点接收到所述变化信息时更新本地记录的所述路由关系。

步骤A2中，如果不存在所述可用路径，功率控制节点则向发射节点返回拓扑改变失败应答。

每一个邻居节点的初始发射功率为预先设定的发射功率。

各邻居节点根据接收信号和/或信道的质量向发射节点发送相应的功率控制命令，该功率控制命令包括当前发射功率、发射功率调整趋势和对应的调整量。

发射节点每一次收到拓扑改变成功应答后，在本地记录的邻居节点以及对应的发射功率中删除所述目标节点的相关信息。

所述网状网络为个人域网络。

本发明提供的一种用于网状网络的功率控制节点，包括

路由关系发现单元，用于发现本节点的当前路由关系；

第一存储单元，保存所述当前路由关系；

其特征在于，所述功率控制节点还包括：

拓扑改变控制单元，连接所述第一存储单元，用于根据所述路由关系和业务的应用性能为能够到达的目标节点确定满足所述应用性能的最优可用路径并确定所述最优可用路径对应的发射功率，根据所述最优可用路径更新所述当前路由关系，其中：所述确定最优可用路径具体包括：根据所述路由关系确定能够到达指定目的节点的可用路径，并根据所述可用路径的路由代价确定对应的时延信息，然后根据目的节点上业务的应用性能从可用路径中选择最优可用路径，其中：如果仅存在一条可用路径，则该可用路径即为所述最优可用路径；如果存在至少两条可用路径，则通过如下方法之一确定所述最优可用路径：

预先保存为每一种业务类型设定的优先考虑的应用性能参数，并且根据当前业务的类型优先考虑的应用性能参数，选择在一条可用路径上实际进行所述当前业务时，使优先考虑的应用性能参数达到最佳的一条可用路径；或者

预先保存为每一种业务类型设定的各项应用性能参数的权重值，并且根据所述当前业务的类型确定每一项应用性能参数对应的权重值，然后分别确定在每一条可用路径上实际应用该当前业务时，各应用性能参数值与对应权重值分别相乘后的乘积之和，然后选择其中乘积之和最小的一条可用路径。

本发明的有益效果如下：本发明技术方案从网络的整体性能出发，依据不同业务的性能要求，结合网络的拓扑结构，达到了优化网络性能的目的；进一步结合现有节点之间点对点功率控制方法，发射节点建立功率表记录每一个邻居节点的当前发射功率，发射功率在每一次发射信号时，查询功率表确定发射功率，减少了功率控制过程中不必要的信息交互，也加强了网络通信的公平性.

附图说明

图1为本发明所述集中式控制方式中，发射节点在每一次新增业务开始时，如果该新增业务的当前路径不满足该业务的应用性能，则触发功率服务器查找新路径已达到结合拓扑改变进行发射功率调整的方法流程示意图；

图2、图3分别为图1所示方法具体实施例的个人域网络结构示意图；

图4为本发明所述分布式控制方式中，第一种进行控制的方法流程；

图5、图6分别为图4所示方法具体实施例的个人域网络结构示意图；

图7为本发明所述分布式控制方式中，第二种进行控制的方法流程；

图8为实现本发明所述方法的个人域网络节点的一种结构示意图。

具体实施方式

本发明在现有点对点功率控制的基础上，在点对点功率控制无法保证网络整体性能时，提出一种依据不同业务的性能要求并结合网络的拓扑结构的功率控制方法，从而达到优化网络性能的目的，并减少了功率控制过程中不必要的信息交互，提高了网络的总体性能，也加强了网络通信的公平性。

实际上，点对点功率控制的结果可能造成对不同的目的节点的发射功率相差很远，这样是有问题的，可以根据业务应用性能重新衡量一下，高的发射功率是否会造成很大的干扰，或者大大增加了能耗。但是改用低的发射功率后可能有的节点就不能进行直接通信了，但是可以根据网络拓扑结构，选择通过其它节点转发进行间接通信，这实际上改变了网络的拓扑结构。

本发明上述功率控制方法可以有以下两种具体实现方式，包括集中式控制和分布式控制，下面分别详细说明。

一、集中式控制

实现集中式功率控制的个人域网络中至少包括一个执行功率控制的节点，可以称为功率控制服务器，一般由网络中处理能力较强的节点承担该功能，该功率控制服务器记录个人域网络中各节点之间的拓扑连接关系并建立相应的路由关系表，个人域网络中各节点发现邻居节点增加或变化时，将变化信息上报给功率控制服务器，功率控制服务器接收到所述变化信息时更新本地记录的路由关系表。

发射节点和各自邻居节点之间同时进行点对点的功率控制，设备初始工作阶段，每一个发射功率都为预设功率值.各邻居节点根据接收信号质量，例如接收信号的误码率，或者根据信道的质量，例如信噪比判决应该提升或降低发射功率，并向发射节点发送相应的功率控制命令，该功率控制命令包括当前发射功率、发射功率调整趋势和对应的调整量，发射节点根据功率控制命令相应调整发射功率并记录在本地的邻接节点功率表中，例如：接收设备发现接收信号功率太小，低于下门限(可以是一个根据信道环境变化的功率值；也可以根据误码率和信噪比进行判断的依据)，就向发射设备发送功率调整命令，要求提高发射功率并且给出提高的数值，发射设备接收到功率调整命令之后增加发射功率；如果接收设备发现接收信号功率太大，高于上门限，就向发射设备发送功率调整命令，要求降低发射功率并且给出降低的数值，发射设备接收到功率调整命令之后降低发射功率.

上述点对点功率控制和现有技术不同的是，每一个节点建立功率表。记录调整后的发射功率值，这样每次进行新业务时时候，根据发送目的标识(如目的地址)来选择发射功率，就可以相应减少功率调整的次数。

在上述点对点的功率控制过程中，发射节点同时判断如下集中式功率控制的触发条件是否发生：

1、在每一次调整时，计算调整前后发射功率值之间的第一差值，当该第一差值超过第一设定阈值时，将对应的邻居节点作为目标节点并触发集中式功率控制；或者

如果发生两次功率调整的差值较大，则调整后的高发射功率可能影响网络中其他正在进行的业务和整个网络的性能，不可能通过点对点的功率控制解决发射功率之间的矛盾，因此可以结合拓扑关系重新确定路由来降低发射功率。

2、在每一次调整后，分别计算任意两个邻居节点对应的发射功率之间的第二差值，当至少一个第二差值超过第二设定阈值时，将其中发射功率较高的邻居节点作为目标节点并触发集中式功率控制；

同一发射节点上任意两个发射功率的差值不应该超过限定值，因此当出现这种情况时，不可能通过点对点的功率控制解决发射功率之间的矛盾，可以结合拓扑关系改变其中较高发射功率业务的路径来降低发射功率。

3、发射节点周期性记录接收到所述功率控制命令的总次数和每一个邻居节点的调整次数，当所述次数超过第三设定阈值时，将其中发射功率最高的邻居节点或调整次数最多的邻居节点作为本次功率调整的目标节点并触发集中式功率控制；

4、发射节点在每一次新增业务开始时，判断该新增业务的当前路径是否满足该业务的应用性能，如果不是，则根据下述步骤查找路径已达到结合拓扑改变进行发射功率调整的目的。

具体调整过程如图1所示，包括如下步骤：

S101、发射节点向功率控制节点发送拓扑改变请求，所述拓扑改变请求中携带需要到达的目标节点标识、该目标节点上当前业务的应用性能参数和每一个邻居节点对应的当前发射功率；

S102、功率控制节点根据所述路由关系和所述业务的应用性能为该目标节点确定满足所述业务的应用性能的最优可用路径，并将最优可用路径的路由信息携带在拓扑改变成功应答中发送给发射节点；

S103、发射节点收到所述拓扑改变成功应答后，根据所述最优可用路径和相应邻居节点上的当前发射功率进行所述当前业务。

上述方法中，所述应用性能参数为目标时延参数；所述可用路径为实际时延小于或等于所述目标时延的路径，所述实际时延根据该路径的路由代价确定；所述实际发射功率为在所述可用路径上能够满足所述目标时延的最低发射功率。

当然，每一个个人域网络中都有门限发射功率的限制，如果超出该门限发射功率，则会对其他节点上的业务的应用性能造成影响，因此功率控制节点还需要判断所述最低发射功率是否高于设定的门限功率，如果是则向发射节点返回拓扑改变失败应答；否则再返回所述拓扑改变成功应答。

新增业务应用性能要求是否满足需求包括很多方面，这里主要指时延的业务需求，但不局限于此。当新增的业务的目标节点不是发射节点的邻居节点，且要求时延小于现有支持此业务的时延要求时，发射节点需要请求功率控制服务器改变发射功率来满足此业务需求。另外，功耗要求虽然不是业务应用性能要求的范畴之内，但是其作为应用性能也作为判断触发改变发射功率过程。

上述任意一种情况发生时，不可能通过点对点的功率控制解决发射功率之间的矛盾，可以结合拓扑关系通过改变其中一个业务的路径来降低较高的发射功率。这样在具体调整时，如果只有一条可用路径，则直接根据该路径进行调整，在有多条路径时，如何选择最优可用路径则是一个难点，如果从全局考虑所有性能因素的话，实际的计算量将大得无法实现，所以只能使用一些次优的算法，但是又要能获得不错的性能。

比较简单的一个方法是根据业务类型设定最优先考虑的应用性能参数，这些应用性能参数包括但不限于功耗、时延、容量等，其它应用性能参数规定一个基本的要求。在满足其它应用性能参数基本要求的情况下，功率调整的方向是要使最优先考虑的应用性能参数达到最佳。就是说，在判决的时候，计算调整功率后是否能满足基本的性能要求，如果有几种调整方式，再看哪一种能使优先考虑的应用性能参数达到最优，就选择该种方式。

另一种方法是使用加权平均的方法，根据业务类型对功耗、时延、容量等应用性能参数有不同的要求，可以为每一种业务类型各规定一个权重值(此权重值会根据不同的应用情况而改变)，在判断的时候，根据调整的功率值和路由代价来考虑对功耗、时延、容量等应用性能参数的影响，考虑这些参数的经济成本，各自乘以权重之后再相加，比较所有可能的做法，选择结果最小，即经济成本最佳的一种做法。

详细说明如下：

方法一、

参阅图1所示，预先在功率控制节点保存为每一种业务类型设定的优先考虑的应用性能参数，并且：

步骤S101中，发射节点同时将所述当前业务的类型信息和每一个邻居节点的当前发射功率携带在所述拓扑改变请求中发送给功率控制节点；

步骤S102中，如果存在至少两条满足该业务应用性能参数的可用路径，则根据该业务类型的优先考虑的应用性能参数，选择在一条可用路径上实际进行所述当前业务时，使优先考虑的应用性能参数达到最佳的一条可用路径。

方法二、

仍参阅图1所示，预先在功率控制节点保存为每一种业务类型设定的各项应用性能参数的权重值，并且：

步骤S101中，发射节点同时将所述当前业务的类型信息和每一个邻居节点的当前发射功率携带在所述拓扑改变请求中发送给功率控制节点；

步骤S102中，如果存在至少两条满足该业务应用性能参数的可用路径，功率控制节点根据所述当前业务的类型确定每一项应用性能参数对应的权重值，然后分别确定在每一条可用路径上实际应用该当前业务时，各应用性能参数值与对应权重值分别相乘后的乘积之和，然后选择其中乘积之和最小的一条可用路径。

这里，应用性能参数包括：实际时延参数，该实际时延参数根据该路径的路由代价确定；实际功率损耗参数，该实际功率损耗参数等于可用路径第一跳邻居节点对应的当前发射功率；实际容量参数，该实际容量等于所述当前发射功率的倒数.

本发明技术方案中，功率控制服务器在执行步骤S102之前，首先查询当前路由关系中是否包括所述目标节点，如果是继续选择或产生所述新路径；否则向发射节点返回查询失败应答；以及

本发明技术方案中，发射节点收到查询失败应答后，根据来自该目标节点的最近一次功率控制命令调整该目标节点的发射功率或者以设定次数为限重新触发步骤S101。

功率服务器可以发送完拓扑改变成功应答后，直接根据选择的新路径更新本地保存的各节点之间的路由关系。或者，发射节点每次收到所述拓扑改变成功应答后，向功率控制服务器返回成功响应；功率控制服务器收到所述成功响应后，再根据本次新路径更新本地保存的各节点之间的路由关系。

为防止功率调整过于频繁，功率控制服务器记录相邻上一次根据拓扑改变请求调整发射功率的时间信息并在每一次调整完成后更新该时间信息，功率控制服务器在每一次进行发射功率调整之前，先判断距离上次调整时间的时间间隔是否大于设定的时间阈值，如果是再进行调整；否则向发射节点返回拓扑改变失败应答，发射节点收到所述拓扑改变失败应答后保持原发射功率。

根据网络的性能衡量，功率控制服务器还可以决定不进行本次功率调整，主要考虑因素包括网络容量和功耗，但不局限于这两个因素。例如，当发射节点请求增加发射功率，功率控制服务器判断增加发射功率对其他节点通信造成的干扰影响，若此干扰影响超过增加发射功率所带来的好处的话，则作出无需调整的应答。这个干扰影响可包含在网络容量范围内。在功耗要求上，除了每个节点都有发射功率的范围之外，在不同的应用环境中，网络整体发射功率对每个节点的发射功率都有个限制，所有当请求改变的发射功率不满足网络整体功率要求的话，也会作出不改变的应答。

下面举一个实例来详细说明。

1、功率表的建立

如图2所示，为一个人域网络的连接拓扑图，考察无线网络中的5个节点，A、B、C、D、M和S。考虑M的功率控制，S作为功率控制服务器。M经过扫描发现有四个邻居节点，分别是A、B、C、S，M建立初始功率表，如表1所示，每一个邻居节点的初始发射功率设为初始值，如10dBm(10mW)。

表1  初始建立的功率表

邻居节点	发射功率(dBm)
		A	10
B	10
		C	10
S	10

S通过路由发现过程建立如表2所示的路由关系表：

表2  路由关系表

节点1	邻居节点
		M	S，A，B，C
A	B，D，M
		B	A，M
C	D，M
		D	A，C
S	M

2、通过点对点的功控进行功率表的更新过程

由于B、C和S离M很近，因此10dBm的发射功率造成在它们的接收机接收能量非常大，判断高于设定的门限发射功率，因此请求M降低发射功率，经过计算分别降低7dBm、8dBm和8dBm。M收到降低发射功率的请求后更新功率表，将表1更新为表3。M每次发射信号之前先查找功率表，按照功率表所设定的发射功率值来进行信号发送。

表3  更新后的功率表

邻居节点	发射功率(dBm)
		A	10
B	3
		C	2
S	2

3、结合拓扑的集中式功率控制

M发现此时功率表当中A和C(S)要求的发射功率相差8dBm，而门限只有3dBm，于是给S发送功率请求命令，带有对应邻居节点的发射功率调整值、目标节点为A以及业务、应用类型相关信息。S收到功率请求命令之后，查找表2，当前拓扑连接中，A节点当前业务有三个可用路径，直接发送、经B或C转发，通过S无法到达A，分别对应的路由代价为：

A：降低功率0，增加路由代价0；

B：降低功率7dBm，增加路由代价1；

C：降低功率8dBm，增加路由代价2；

S：降低功率8dBm，增加路由代价为∞。

这里没有考虑中间节点的处理功耗，实际上也可以考虑，这样降低的功耗就少一些。下面判断采用哪种方式进行调整：

方法一、S首先根据功率请求命令带有的业务类型来确定最优先考虑的应用性能参数，假设该业务对时延要求不高，优先考虑节省功耗和增加容量，该业务规定的时延基本要求不超过1s，路由代价反映了时延，假设路由代价为1表示10ms的时延，则现在到A的三种方法中：直接发送、经过B转发、经过C转发，对应的路由代价分别是1、2、3，时延都满足要求。因此选择更能节省功耗和增加容量的方法，选择经过C发送，功率降低8dBm。根据以上的判断结果，S发送带有功率降低8dBm和经由C进行转发的应答信息给M。

方法二、首先从业务类型确定对应的时延、功耗、容量的权重假设分别是0.1、0.5、0.4。时延的经济成本计算是f(cost)＝cost，功耗的经济成本计算是g(power)＝power，容量的经济成本计算是h(capacity)＝1/capacity＝power，假设这里容量数值上等于功率的倒数，那么总的经济成本为0.1*f(delay)+0.5*g(power)+0.4*h(capacity)。分别计算到A的三种方法的经济成本：

A：0.1*1+0.5*10+0.4*10＝9.1；

B：0.1*2+0.5*3+0.4*3＝2.9；

C：0.1*3+0.5*2+0.4*2＝2.1。

由于C的成本最低，因此选择经过C转发。

根据以上的判断结果，S发送带有功率降低8dBm和经由C进行转发的应答信息给M。

M降低发送功率后，改变路由关系表和功率表。即在功率表当中删除A的项，删除之后如表4所示。

表4  进行拓扑改变之后的邻居节点功率表

邻居节点	发射功率(dBm)
		B	3
C	2
		S	2

S发送拓扑应答消息之后，修改相应的路由关系表，如表5所示。

表5  拓扑改变后路由关系表

节点1	邻居节点
		M	S，C
A	B，D

节点1	邻居节点
		B	A
C	D，M
		D	A，C
S	M

上述实施例通过改变路径降低了发射功率，该实施例中，发射节点必须在本地建立邻居节点功率表并及时进行更新。

下面再以一个具体实施例进行说明，例如个人域网络的当前拓扑结构如图3所示，执行功率控制的节点，即功率服务器为S，S上存储有个人域网络的路由关系，M和A之间出现新增业务，新增业务的目的节点为A，当前路径为M通过邻居节点C向A发数据，需要经过C和D的转发，时延为30ms。

假若该新增业务的时延要求小于25ms，那么M发送拓扑改变请求命令发送到S，该请求中包括新增业务的应用性能要求和当前各邻居节点的发射功率，其中主要包括时延，S查询相应的路由关系表，然后得出到达A的路径及相应的路由代价和对应的时延，假设1个路由代价的时延为10ms，则：

经过C到达A的路由代价为3，时延为30ms；

经过B到达A的路由代价为2，时延为20ms；

于是S改变M到目的节点A的新路径为通过B转发，S更新路由关系表中的M到达A的表项，把下一跳地址改为B的地址，并将通过B发送数据的路由信息通知M，M根据该新路径和B对应的发射功率进行新增业务。

二、分布式调整方法

分布式调整是在每一个节点上记录本节点的路由关系，然后根据本节点上的路由关系，有各节点结合拓扑关系自行调整，下面详细说明。

每一个节点记录可到达节点的路由关系，发射节点分别根据各邻居节点的功率控制命令调整并记录对应邻居节点的发射功率，并且在如下条件之一发生时触发拓扑改变流程：

1、在每一次调整时，计算调整前后发射功率值之间的第一差值，当该第一差值超过第一设定阈值时，将对应的邻居节点作为目标节点触发下述步骤S201降低发射功率，并以该邻居节点对应的当前发射功率发送拓扑改变请求；或者

2、在每一次调整后，分别计算任意两个邻居节点对应的发射功率之间的第二差值，当至少一个第二差值超过第二设定阈值时，将其中发射功率较高的邻居节点作为目标节点并触发下述步骤S201降低发射功率，并以该邻居节点对应的当前发射功率发送拓扑改变请求；或者

3、周期性记录接收到所述功率控制命令的次数宗和每一个邻居节点的调整次数，当所述次数超过第三设定阈值时，将其中发射功率最高的邻居节点或调整次数最多的邻居节点作为本次功率调整的目标节点并触发下述步骤S201降低发射功率，并以该邻居节点对应的当前发射功率发送拓扑改变请求；

4、发射节点在每一次新增业务开始时，判断该新增业务的当前路径是否满足该业务的应用性能，如果不是，则并触发下述步骤S201提高发射功率，并以初始发射功率发送所述拓扑改变请求。

如图4所示，具体流程包括如下步骤：

S201、发射节点向周围节点一跳广播携带所述目标节点标识的拓扑改变请求；

S202、每一个收到所述拓扑改变请求的节点查询本地记录的路由关系，在本节点和该目标节点之间存在可用路径时，向发射节点返回携带该可用路径相关应用性能的拓扑改变应答；

S203、发射节点根据本地路由关系和所述业务的应用性能为该目标节点确定满足所述业务的应用性能的最优可用路径，并在该最优可用路径上进行所述当前业务。

该步骤中，发射节点在本地记录的邻居节点以及对应的发射功率中删除所述目标节点的相关信息。

发射节点改变发射功率后，尚需要根据原来的发射功率通知所有邻居节点它要进行功率调整，以及功率调整后影响到的节点。接收到功率调整通知的节点如果功率调整后影响到和自己的直接通信，就修改邻居节点功率表，即若降低功率后不能直接通信，就删除发射节点对应的邻居节点功率表项，若增加功率后能直接通信，就增加或保持发射节点对应的邻居节点功率表项。

所述步骤S202和S203之间还可以包括：发射节点判断是否收到非邻居节点返回的所述扑改变应答，如果是则将该节点添加为邻居节点并设置对应的发射功率为初始发射功率，同时更新本地路由关系后再执行步骤S203；否则直接执行步骤S203。

如果仅有一条可用路径，则可以直接将该路径作为可用路径，如果存在至少两条可用路径，同样，可以预先在每一个节点上保存为每一种业务类型设定的优先考虑应用性能参数，并且：

步骤S202中，如果存在至少两条满足该业务应用性能参数的可用路径，则根据该业务类型的优先考虑的应用性能参数，选择在一条可用路径上实际进行所述当前业务时，使优先考虑的的应用性能参数达到最佳的最优可用路径。

或者预先在每一个节点上保存为每一种业务类型设定的各项应用性能参数的权重值，并且：

步骤S202中，如果存在至少两条满足该业务应用性能参数的可用路径，功率控制节点根据所述当前业务的类型确定每一项应用性能参数对应的权重值，然后分别确定在每一条可用路径上实际进行该当前业务时，各应用性能参数值与对应权重值分别相乘后的乘积之和，然后选择其中乘积之和最小的最优可用路径。

应用性能参数包括：实际时延参数，该实际时延参数根据路由代价确定；实际功率损耗参数，该实际功率损耗参数等于该可用路径对应的邻居节点的当前发射功率；实际容量参数，该实际容量等于所述当前发射功率的倒数。

根据所述优先考虑的应用性能参数选择最优可用路径的方法包括：

所述优先考虑的应用性能参数为所述实际时延参数，所述最优可用路径是指实际时延最小的可用路径；或者

所述优先考虑的应用性能参数为所述实际功率损耗参数，所述最优可用路径是指实际功率损耗参数最小的可用路径。

步骤S202中还包括，发射节点根据确定的可用路径更新本地保存的各节点之间的路由关系。

该方法中，发射节点记录相邻上一次根据拓扑改变请求调整的时间信息并在每一次调整完成后更新该时间信息，并且发射节点在每一次发送拓扑改变请求之前，先判断距离上次调整时间的时间间隔是否大于设定的时间阈值，如果是再发送所述拓扑改变请求；否则不发送所述拓扑改变请求。

步骤S202中，如果不存在所述可用路径，则保持所述目标节点的现有路径。

下面仍以具体实施例详细说明：

1、功率表的建立

如图5所示，考察无线网络中的4个节点，A、B、C、M。考虑M的功率控制。M在初始工作的时候把发射功率设为初始值，如10dBm(10mW)。它经过扫描发现有三个邻居节点，分别是A、B、C，于是建立一个功率表如表6所示。

表6  初始建立的功率表

邻居节点	发射功率(dBm)
		A	10
B	10
		C	10

2、通过点对点的功控进行功率表的更新

由于B和C离M很近，因此10dBm的发射功率造成在它们的接收机接收能量非常大，判断高于门限，因此请求M降低发射功率，经过计算分别降低7dBm和8dBm。M收到降低发射功率的请求后更新功率表，变成表7。M每次发射信号之前先查找功率表，按照功率表所设定的发射功率值来进行信号发送。

表7  更新后的功率表

邻居节点	发射功率(dBm)
		A	10
B	3
		C	2

3、结合拓扑的功率控制

M发现此时功率表当中A和C要求的发射功率相差8dBm，而相差门限只有3dBm，觉得到A的发射功率太高，于是广播改变拓扑请求命令，告诉邻居节点，它想查询其它节点能否到达A：

A收到后发现目标节点就是自己，返回一个响应：能到达A，路由代价为0；

B收到后查找邻居节点功率表和路由关系表，发现A在它的邻居节点功率表当中，于是返回一个响应：能到达A，路由代价为1；

C收到后查找邻居节点功率表和路由关系表，发现A在它的路由关系表当中，于是返回一个响应：能到达A，路由代价为2

M收到3个响应，分别是：

A：降低功率0，增加路由代价0；

B：降低功率7dBm，增加路由代价1；

C：降低功率8dBm，增加路由代价2。

这里没有考虑中间节点的处理功耗，实际上也可以考虑，这样降低的功耗就少一些。

根据方法一来判断采用哪种方式进行调整，首先判断业务类型，假设是对时延要求不高，但是对节省功耗是优先考虑的，规定时延不超过1s就行。而路由代价反映了时延，假设路由代价为1表示10ms的时延，现在到A有三种方法：直接发送，经过B转发，经过C转发，路由代价分别是1，2，3，时延都满足要求。因此根据邻居功率表选择更能节省功耗和增加容量的方法，选择经过C发送。

根据方法二来进行判断，首先从业务类型得到时延、功耗、容量的权重假设分别是0.1、0.5、0.4。时延的经济成本计算是f(cost)＝cost，功耗的经济成本计算是g(power)＝power，容量的经济成本计算是h(capacity)＝1/capacity＝power，假设这里容量数值上等于功率的倒数，那么总的经济成本为0.1*f(delay)+0.5*g(power)+0.4*h(capacity)。分别计算到A的三种方法的经济成本。A：0.1*1+0.5*10+0.4*10＝9.1；B：0.1*2+0.5*3+0.4*3＝2.9；C：0.1*3+0.5*2+0.4*2＝2.1。由于C的成本最低，因此选择经过C发送。

M决定降低发送功率后，改变路由关系表和邻居节点功率表。即在邻居节点功率表当中删除A的项，删除之后如表3所示。同时在路由关系表当中增加一项，目的节点是A，下一条地址是C，路由代价是3。

表8  进行拓扑改变之后的邻居节点功率表

邻居节点	发射功率(dBm)
		B	3
C	2

M降低发射功率之前还可以选择广播通知原来的所有邻居节点，说要进行功率调整，以及会影响到A。那么A可以选择从自己的邻居节点功率表当中删除M，也可能会降低自己的发射功率，不过这一个步骤不是必需的。

上面的例子是降低发射功率的例子，下面再举一个增加发射功率的例子，如图6所示，M要发数据到A，需要经过C转发，时延为30ms.假若此时有新的业务要求，需要时延小于25ms，那么M高一等级的发射功率例如3dBm广播一个拓扑改变请求命令，查询其它节点有没有到达A的，此时B和C都收到请求，查询各自的路由关系表和邻居节点功率表，然后给出响应到达A的路由代价分别是1和2.由于经过C到达A的路由代价为3，时延为30ms不满足要求，所以选择从B到达A，于是改变目的节点是A的路由关系表项，把下一跳地址改为B的地址.

如图7所示，第二种进行分布式控制个人域网络节点发射功率的方法中，每一个节点记录可到达节点的路由关系和为每一种业务类型设定的优先考虑的应用性能参数，发射节点在新增业务当前路径无法满足该业务的应用性能时，触发下述步骤：

S301、发射节点以初始发射功率向周围节点一跳广播拓扑改变请求；

S302、每一个收到所述拓扑改变请求的节点向发射节点返回拓扑改变应答；

S303、发射节点判断要所述新增业务的目标节点是否返回所述拓扑改变应答，如果是则利用该门限功率与所述目标节点之间直接进行该新增业务；否则结束。

之后，该发射节点和目标节点(现为邻居节点)之间执行点对点的功率控制。

应用性能参数包括：实际时延参数，该实际时延参数根据可用路径的路由代价确定；实际功率损耗参数，该实际功率损耗参数等于所述当前门限发射功率；实际容量参数，该实际容量等于所述当前发射功率的倒数。

具体实施例为：参阅图6，假设此时A节点新增业务要求低时延优先，M以门限功率，假设为10dBm的功率广播一个拓扑改变请求命令，不给出目标节点，结果A、B、C都给出响应，M选择直接到达A，即到A的发射功率为10dBm。

如图8所示，实现上述方法的一种用于个人域网络的功率控制节点，包括

路由关系发现单元，用于发现本节点的当前路由关系；

第一存储单元，保存所述当前路由关系；

拓扑改变控制单元，连接所述路由关系存储单元，根据所述路由关系确定能够到达指定目的节点的可用路径，并根据所述可用路径的路由代价确定对应的时延信息，然后根据所述目的节点上业务的应用性能从可用路径中选择最优可用路径以及确定对应的发射功率，并根据所述最优可用路径更新所述当前路由关系。

第二功率控制单元，根据邻居节点的功率控制命令控制对应的发射功率；

第二存储单元，连接在所述第二功率控制单元和拓扑改变控制单元之间，保存第二功率控制单元或拓扑改变控制单元确定的每一个邻居节点对应的当前发射功率。

上述实施例以个人域网络为例进行说明，实际上本发明所述方法可以用于各种网状结构的网络中。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种控制网状网络节点发射功率的方法，所述网状网络至少包括一个功率控制节点，所述功率控制节点记录该网状网络中各节点之间的路由关系，发射节点分别根据各邻居节点的功率控制命令调整并记录每一个邻居节点的当前发射功率，所述方法包括如下步骤：

A1、发射节点向功率控制节点发送拓扑改变请求，所述拓扑改变请求中携带需要到达的目标节点标识、该目标节点上当前业务的应用性能参数和每一个邻居节点对应的当前发射功率；

A2、功率控制节点根据所述路由关系和所述业务的应用性能，在可用路径中为该目标节点确定满足所述应用性能的最优可用路径，并将最优可用路径的路由信息携带在拓扑改变成功应答中发送给发射节点，其中：如果仅存在一条可用路径，则该可用路径即为所述最优可用路径；如果存在至少两条可用路径，则通过如下方法之一确定所述最优可用路径：

预先保存为每一种业务类型设定的优先考虑的应用性能参数，并且根据所述当前业务的类型优先考虑的应用性能参数，选择在一条可用路径上实际进行所述当前业务时，使优先考虑的应用性能参数达到最佳的一条可用路径；或者

预先保存为每一种业务类型设定的各项应用性能参数的权重值，并且根据所述当前业务的类型确定每一项应用性能参数对应的权重值，然后分别确定在每一条可用路径上实际应用该当前业务时，各应用性能参数值与对应权重值分别相乘后的乘积之和，然后选择其中乘积之和最小的一条可用路径；

A3、发射节点收到所述拓扑改变成功应答后，根据所述最优可用路径和相应邻居节点上的当前发射功率进行所述当前业务。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A1之前还包括如下步骤：

发射节点在所述当前业务开始时，判断该业务当前路径是否满足该业务的应用性能要求，如果是，则在所述当前路径上进行该业务，否则触发步骤A1请求所述可用路径；或者

在每一次调整时，计算调整前后发射功率值之间的第一差值，当该第一差值超过第一设定阈值时，将对应的邻居节点作为目标节点触发步骤A1；或者

在每一次调整后，分别计算任意两个邻居节点对应的发射功率之间的第二差值，当至少一个第二差值超过第二设定阈值时，将其中发射功率较高的邻居节点作为目标节点并触发步骤A1；或者

周期性记录接收到的所有功率控制命令的总次数和每一个邻居节点的调整次数，当一个周期中的所述总次数超过第三设定阈值时，将其中当前发射功率最高或调整次数最多的邻居节点作为本次功率调整的目标节点并触发步骤A1。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应用性能参数包括：

实际时延参数，该实际时延参数根据该路径的路由代价确定；

实际功率损耗参数，该实际功率损耗参数等于可用路径对应邻居节点对应的当前发射功率；

实际容量参数，该实际容量等于所述当前发射功率的倒数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，预先在功率控制节点上设置所述网络中允许的门限发射功率，所述步骤A2中，功率控制节点确定出所述最优可用路径后，先判断该最优可用路径相应邻居节点对应的发射功率是否超过所述门限发射功率，如果是则返回拓扑改变失败应答；否则再发送所述拓扑改变成功应答.

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

发射节点每次收到所述拓扑改变成功应答后，向功率控制节点返回成功响应；

功率控制节点收到所述成功响应后，根据本次新路径更新本地保存的各节点之间的路由关系。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A2中还包括，功率控制节点发送完所述拓扑改变成功应答后，根据确定的最优可用路径更新本地保存的各节点之间的路由关系。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A3中还包括，发射节点从本地记录的邻居节点以及对应的当前发射功率信息，删除所述当前路径相应邻居节点的相关信息。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法同时包括如下步骤：

发射节点每一次删除一个邻居节点的相关信息时通知所有邻居节点；

各邻居节点相应修改本地记录的相关信息。

9.如权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，功率控制节点记录相邻上一次根据拓扑改变请求调整的时间信息并在每一次调整完成后更新该时间信息，并且功率控制节点在每一次根据拓扑改变请求进行调整之前，先判断距离上次调整时间的时间间隔是否大于设定的时间阈值，如果是再进行调整；否则向发射节点返回拓扑改变失败应答。

10.如权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，所述方法中还包括：

各节点发现邻居节点增加或变化时，将变化信息上报给功率控制节点并更新本地记录的各邻居节点的发射功率；

功率控制节点接收到所述变化信息时更新本地记录的所述路由关系。

11.如权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，步骤A2中，如果不存在所述可用路径，功率控制节点则向发射节点返回拓扑改变失败应答。

12.如权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，每一个邻居节点的初始发射功率为预先设定的发射功率。

13.如权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，各邻居节点根据接收信号和/或信道的质量向发射节点发送相应的功率控制命令，该功率控制命令包括当前发射功率、发射功率调整趋势和对应的调整量。

14.如权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，发射节点每一次收到拓扑改变成功应答后，在本地记录的邻居节点以及对应的发射功率中删除所述目标节点的相关信息。

15.如权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，所述网状网络为个人域网络。

16.一种用于在网状网络中实现权利要求1所述方法的功率控制节点，包括：

路由关系发现单元，用于发现本节点的当前路由关系；

第一存储单元，保存所述当前路由关系；

其特征在于，所述功率控制节点还包括：

拓扑改变控制单元，连接所述第一存储单元，用于根据所述路由关系和业务的应用性能为能够到达的目标节点确定满足所述应用性能的最优可用路径并确定所述最优可用路径对应的发射功率，根据所述最优可用路径更新所述当前路由关系，其中：所述确定最优可用路径具体包括：根据所述路由关系确定能够到达指定目的节点的可用路径，并根据所述可用路径的路由代价确定对应的时延信息，然后根据目的节点上业务的应用性能从可用路径中选择最优可用路径，其中：如果仅存在一条可用路径，则该可用路径即为所述最优可用路径；如果存在至少两条可用路径，则通过如下方法之一确定所述最优可用路径：

预先保存为每一种业务类型设定的优先考虑的应用性能参数，并且根据当前业务的类型优先考虑的应用性能参数，选择在一条可用路径上实际进行所述当前业务时，使优先考虑的应用性能参数达到最佳的一条可用路径；或者

预先保存为每一种业务类型设定的各项应用性能参数的权重值，并且根据所述当前业务的类型确定每一项应用性能参数对应的权重值，然后分别确定在每一条可用路径上实际应用该当前业务时，各应用性能参数值与对应权重值分别相乘后的乘积之和，然后选择其中乘积之和最小的一条可用路径。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述网状网络为个人域网络。

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