CN113098716A - 一种在双模mesh网络中高效的父节点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在双模mesh网络中高效的父节点选择方法，涉及网络通信技术领域，解决了双模mesh通信网络中采用常规父节点选择方法存在的效率低下的技术问题。步骤为：第一层节点在其所属的信道转发组网信标；第二层各节点记录接收的所有发送节点的信道质量，选择所述信道质量最好的n个节点作为父节点，任选其一向中心节点发起所述入网申请；所述中心节点确认所述第二层节点的合法性；同时，还提供了一种双模mesh网络中高效的父节点变更方法。本发明通过设置多个父节点，以适应不同通信介质之间的互联互通，实现双模mesh网络的有效组网与通信；同时，各父节点根据网络环境不断更新，保证了双模mesh网络运行的可靠性与通信的高效性。

Description

一种在双模mesh网络中高效的父节点选择方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种在双模mesh网络中高效的父节点选择方法。

背景技术

目前，常见的mesh通信网络一般是在单种介质中通信，如无线mesh网络或电力线载波mesh网络，也有将两种通信介质混合起来通信的，如窄带电力线载波加无线mesh双模网络。在这些网络中，大多使用集中式路由模式，即由中心节点计算上下行路由，外围节点只是按照路由要求进行中继转发即可。

在宽带电力线载波网络中，使用了分布式路由模式，该模式下组网过程如下：中心节点发出组网信标后，所有收到信标的节点会主动发起入网申请，中心节点对第一层的节点进行入网确认后，会发指令让第一层节点发送组网信标。第二层的节点收到组网信标后，会从其收到所有发送信标的节点中找出一个信号最优的节点作为父节点，并向父节点发起入网申请，以此类推。

上面的宽带电力线载波网络选择父节点的条件比较简单，因为只有一种通信介质。对于双模网络来说，由于存在两种介质，实现分布式路由中父节点选择的算法就相对复杂多了。若仍采用上述父节点选择方法，会导致效率严重下降，甚至组网失败，而且网络中衡量各节点通信效率的指标(如质量及通信成功率等)会随着网络环境不断变化，一旦父节点通信效率指标变化，网络中的父节点不能实时变更，将会导致整个网络通信处于瘫痪状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对双模mesh通信网络中采用常规父节点选择方法存在的效率低下的技术问题，提供了一种高效的高效的父节点选择方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种在双模mesh网络中高效的父节点选择方法，包括如下步骤：

S1、第一层节点在所属的信标时隙到来时，在其所属的信道转发组网信标；所述第一层节点为多个已入网的节点；

S2、第二层各节点收到所述组网信标，记录所有发送节点的信道质量，从中选择所述信道质量最好的n个节点作为父节点，并从所述n节点中任意选择一个向中心节点发起所述入网申请；

S3、所述中心节点通过竞争方式收到所述入网申请，根据竞争排名依次确认所述第二层节点的合法性；如果合法，批准入网，并分配工作时隙；否则，拒绝入网；

S4、所述第二层节点入网后，所述中心节点通过广播通知所述第二层节点转发所述组网信标；

S5、第三层及其后续各层的各节点依次执行步骤S1-S4选择父节点并入网；所述第三层及其后续各层均为未入网的网络层级。

进一步地，所述网络层级为多级，每层节点为多个。所述信道包括无线信道和电力线载波信道。

进一步地，所述第一层节点入网步骤为：

S11、所述中心节点同时在其所属的信道发起所述组网信标；

S12、所述第一层节点收到所述组网信标，以竞争方式在其所属的信道向所述中心节点发送入网申请；

S13、所述中心节点根据竞争排序依次确认所述第一层节点的合法性；如果合法，批准入网，并分配工作时隙；否则，拒绝入网；

S14、第一层节点入网后，所述中心节点在其所属的信道向第一层节点发送转发所述组网信标的指令；所述指令通过广播方式发出。

进一步地，在所有节点完成入网后，还包括的步骤为：

S61、所述中心节点在所属信道发送同步信标；

S62、各层级节点按照时隙依次接收所述同步信标，更新所记录的信道质量信息，计算实际收到所述同步信标的次数与理论应收到所述同步信标的次数之比；

S63、所述各层级节点在完成时钟同步后，向下层节点转发所述同步信标。

进一步地，所述无线信道包括无线公共信道和无线专用信道；所述无线公共信道用于发送所述组网信标；所述无线专用信道用于发送所述入网申请、同步信标；所述电力载波信道用于发送所述组网信标、入网申请和同步信标。

进一步地，所述第一层节点先在所述无线公共信道发送所述组网信标，后在所述电力载波信道上发送所述组网信标。

进一步地，所述信标时限包括无线信标时限和电力载波信标时限；所述无线信标时限为无线信号发送信标的时间段；所述电力载波信标时限为载波信号发送信标的时间段。

进一步地，所述n为不大于8，且不小于2的正整数。

进一步地，所述中心节点为微蜂窝接入中心或分布接入单元；所述中心节点能够对所述网络的节点接入、路由维护与分配以及数据冲突规避进行管理。

本发明还提供了一种在双模mesh网络中高效的父节点变更方法，包括上述任一所述的父节点选择方法及以下步骤：

S100、第一节点在其父节点表中监听并评估各父节点的信道质量；

S200、如果所述第一节点与第一父节点之间的信道质量不合格，删除所述第一父节点，并从其邻居节点中寻找一个信道质量最好的节点替换所述第一父节点；

S300、所述第一节点监听并评估其邻居节点，如果第一邻居节点信道质量优于在所述父节点表中排序最后的父节点，所述第一邻居节点替换该父节点；

S400、所述第一节点向中心节点发送父节点变更请求表，所述中心节点变更所述第一节点的父节点表。

进一步地，所述第一节点通过无线专用信道或电力载波信道将所述父节点变更请求表发送至所述中心节点。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：本发明通过设置多个父节点，以适应不同通信介质之间的互联互通，实现双模mesh网络的有效组网与通信；同时，各父节点根据网络环境不断更新，保证了双模mesh网络运行的可靠性与通信的高效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是本发明实施例的父节点选择方法流程图；

图2是本发明实施例的第一节点入网流程图；

图3是本发明实施例的同步流程图；

图4是本发明实施例的同步信标的帧头结构图；

图5是本发明实施例的同步信标的帧载荷结构图；

图6是本发明实施例的时隙序列图；

图7是本发明实施例的父节点变更方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。术语“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

如图1所示，一种在双模mesh网络中高效的父节点选择方法，其步骤为：

S1、第一层节点在所属的信标时隙到来时，在其所属的信道转发组网信标。其中，第一层节点为多个已入网的节点；

S2、第二层各节点收到组网信标，记录所有发送节点的信道质量，从中选择信道质量最好的n个节点作为父节点，并从n中节点中任选其一向中心节点发起入网申请；第二层为多个节点。其中，信道质量测算方法优选采用目前较通用的信道信噪比公式，或采用自由技术或现有技术，例如，信道质量信息计算方法、装置及系统201610658300.8。优选地，n为不大于8，且不小于2的正整数。当n为2时，无线父节点、载波父节点分别为1个。

S3、中心节点通过竞争方式接收入网申请，根据竞争排名依次确认第二层节点的合法性；如果合法，批准入网，并分配工作时隙；否则，拒绝入网。各父节点节点发送入网申请的方式优选采用竞争方式，各节点通过时隙或信道质量或通信成功率(某一节点接收组网信标的次数与理论应接收的组网信标的比值)等指标值进行由高到低的排名，排在前面节点先进行入网确认。中心节点通过白名单，如果第一层中某个节点没有在白名单中，即不合法，则该节点拒绝入网。白名单为未入网节点的列表，一旦节点入网，便从白名单中删除；

S4、第二层节点入网后，中心节点通过广播通知第二层节点转发组网信标；

S5、第三层及其后续各层的各节点依次执行步骤S1-S4选择父节点并入网；第三层及其后续各层均为未入网，后续各层为第四层、第五层，…，第m 层。其中，第m层为mesh网络的最后一层。

该双模mesh网络(mesh网络即”无线网格网络”，是“多跳(multi-hop)”网络)层级为多级。该双模mesh网络具有无线通信节点与电力载波通信节点两种通信介质。组网信标帧中包含各层级网络ID、无线专用信道频点及电力载波信道频点信息。进一步地，信道包括无线信道和电力载波信道，无线信道能够发送无线信号，电力载波信道能够发送电力载波信号。

如表1所示，为父节点数据帧结构，父节点包括n个无线父节点及电力载波父节点。

表1父节点帧结构图

如图2所示，第一层节点入网步骤为：

S11、中心节点同时在其所属的无线信道和电力载波信道发起组网信标；

S12、第一层节点收到组网信标，以竞争方式在其所属的信道向中心节点发送入网申请；

S13、中心节点根据竞争排序依次确认第一层节点的合法性；如果合法，批准入网，并分配工作时隙；否则，拒绝入网；

S14、第一层节点入网后，中心节点在其所属的信道向第一层节点发送转发组网信标的指令；指令通过广播方式发出。

如图4所示，在所有节点完成入网后，还包括的步骤为：

S61、中心节点在所属信道发送同步信标。同步信标的帧结构，包括帧头和帧载荷参见图3-5所示；

S62、各层级节点按照时隙依次接收同步信标，更新所记录的信道质量信息，计算实际收到同步信标的次数与理论应收到同步信标的次数之比。从而得到各节点的通信率指标；

S63、各层级节点在完成时钟同步后，向下层节点转发同步信标。

如图6所示，第一层节点先在无线公共信道发送组网信标，后在电力载波信道上发送组网信标。信标时限包括无线信标时限和载波信标时限，无线信标时限为无线信号发送信标的时间段，载波信标时限为载波信号发送信标的时间段。信标时隙以一个无线信标和载波信标为固定周期，无线信标在前载波信标在后在时序上按照固定周期排列，当无线信标时隙到来时，无线信道发送信标；载波时隙到来时，电力载波信道才能发送载波信标。

进一步地，无线信道包括无线公共信道和无线专用信道；无线公共信道用于发送组网信标，无线专用信道用于发送入网申请、同步信标；电力载波信道用于发送组网信标、入网申请和同步信标。

中心节点为微蜂窝接入中心或分布接入单元。中心节点能够对网络的节点接入、路由维护与分配以及数据冲突规避进行管理。微蜂窝接入中心或分布接入单元为自有技术和产品。

实施例二：

如图7所示，本发明还提供了一种在双模mesh网络中高效的父节点变更方法，步骤为：

S100、第一节点在其父节点表中监听并评估其各父节点的信道质量。其中，第一节点为mesh网络各层级中的节点；

S200、如果第一节点与第一父节点之间的信道质量不合格，删除第一父节点，并从其邻居节点中寻找一个信道质量最好的节点替换第一父节点；

S300、第一节点监听并评估其邻居节点，如果第一邻居节点信道质量优于在父节点表中排序最后的父节点，第一邻居节点替换该父节点；

S400、第一节点向中心节点发送父节点变更请求表，中心节点变更第一节点的父节点表。

n个父节点在选出来时，便进行排序，按照信道质量从优到劣逐一列在父节点表中，最后一个父节点的信道质量最差。进一步地，第一节点通过无线专用信道或电力载波信道将父节点变更请求表发送至中心节点。

综上所述，本两实施例展示了一种在双模mesh网络中高效的父节点选择方法。通过设置多个父节点，以适应不同通信介质之间的互联互通，实现双模mesh网络的有效组网与通信；同时，各父节点根据网络环境不断更新，保证了双模mesh网络运行的可靠性与通信的高效性。

在阅读完本文描述的内容之后，本领域的技术人员应当明白，本文描述的各种特征可通过方法、数据处理系统或计算机程序产品来实现。因此，这些特征可不采用硬件的方式、全部采用软件的方式或者采用硬件和软件结合的方式来表现。此外，上述特征也可采用存储在一种或多种计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式来表现，该计算机可读存储介质中包含计算机可读程序代码段或者指令，其存储在存储介质中。可读存储介质被配置为存储各种类型的数据以支持在装置的操作。可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现。如静硬态盘、随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、光存储设备、磁存储设备、快闪存储器、磁盘或光盘和/或上述设备的组合。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在双模mesh网络中高效的父节点选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、第一层节点在所属的信标时隙到来时，在其所属的信道转发组网信标；所述第一层节点为多个已入网的节点；

S2、第二层各节点收到所述组网信标，记录所有发送节点的信道质量，从中选择所述信道质量最好的n个节点作为父节点，并从所述n个节点中任意选择一个向中心节点发起所述入网申请；

S3、所述中心节点通过竞争方式接收所述入网申请，根据竞争排名依次确认所述第二层节点的合法性；如果合法，批准入网，并分配工作时隙；否则，拒绝入网；

S4、所述第二层节点入网后，所述中心节点通过广播通知所述第二层节点转发所述组网信标；

S5、第三层及其后续各层的各节点依次执行步骤S1-S4选择父节点并入网；所述第三层及其后续各层均为未入网的网络层级；

所述信道包括无线信道和电力线载波信道；所述网络层级为多级，每层节点为多个。

2.根据权利要求1所述的父节点选择方法，其特征在于，所述第一层节点入网步骤为：

S11、所述中心节点同时在其所属的信道发起所述组网信标；

S12、所述第一层节点收到所述组网信标，以竞争方式在其所属的信道向所述中心节点发送入网申请；

S13、所述中心节点根据竞争排序依次确认所述第一层节点的合法性；如果合法，批准入网，并分配工作时隙；否则，拒绝入网；

S14、第一层节点入网后，所述中心节点在其所属的信道向第一层节点发送转发所述组网信标的指令；所述指令通过广播方式发出。

3.根据权利要求1所述的父节点选择方法，其特征在于，在所有节点完成入网后，还包括的步骤为：

S61、所述中心节点在所属信道发送同步信标；

S62、各层级节点按照时隙依次接收所述同步信标，更新所记录的信道质量信息，计算实际收到所述同步信标的次数与理论应收到所述同步信标的次数之比；

S63、所述各层级节点在完成时钟同步后，向下层节点转发所述同步信标。

4.根据权利要求3所述的父节点选择方法，其特征在于，所述无线信道包括无线公共信道和无线专用信道；

所述无线公共信道用于发送所述组网信标；所述无线专用信道用于发送所述入网申请、同步信标；

所述电力线载波信道用于发送所述组网信标、入网申请和同步信标。

5.根据权利要求4所述的父节点选择方法，其特征在于，所述第一层节点先在所述无线信道发送所述组网信标，后在所述电力线载波信道上发送所述组网信标。

6.根据权利要求4所述的父节点选择方法，其特征在于，所述信标时限包括无线信标时限和电力线载波信标时限；所述无线信标时限为无线信号发送信标的时间段；所述电力线载波信标时限为载波信号发送信标的时间段。

7.根据权利要求5所述的父节点选择方法，其特征在于，所述n为不大于8，且不小于2的正整数。

8.根据权利要求7所述的父节点选择方法，其特征在于，所述中心节点为微蜂窝接入中心或分布接入单元；

所述中心节点能够对所述网络的节点接入、路由维护与分配以及数据冲突规避进行管理。

9.一种在双模mesh网络中高效的父节点变更方法，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的父节点选择方法及以下步骤：

S100、第一节点在其父节点表中监听并评估各父节点的信道质量；

S200、如果所述第一节点与第一父节点之间的信道质量不合格，删除所述第一父节点，并从其邻居节点中寻找一个信道质量最好的节点替换所述第一父节点；

S300、所述第一节点监听并评估其邻居节点，如果第一邻居节点信道质量优于在所述父节点表中排序最后的父节点，所述第一邻居节点替换该父节点；

S400、所述第一节点向中心节点发送父节点变更请求表，所述中心节点变更所述第一节点的父节点表。

10.根据权利要求9所述的父节点变更方法，其特征在于，所述第一节点通过无线专用信道或电力线载波信道将所述父节点变更请求表发送至所述中心节点。

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