一种基于MEC的Mesh网络优化方法及系统与流程

一种基于mec的mesh网络优化方法及系统
技术领域
1.本发明涉及自组网通信技术领域，尤其是涉及一种基于mec的mesh网络优化方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着电子射频发展水平的不断提升以及自组网络的不断发展，已涌现出一大批充分适应特定军事环境、脱离运营商网络的私有通信设备，并且向着智能化、更高安全性的多网融合方向发展，充分解决特殊情形下的通信问题。
3.目前，发展至今的mesh自组网通信网络已实现网络结点参数自配置、节点自优化、网络自愈合、自规划等，组建hetnet的立体分层网络。其网络中所有结点地位平等，无需设置中心控制结点，网络中结点不仅具有普通移动端所需功能，而且具备报文转发能力，与普通移动网络和固定网络相比，具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特性，使其在体系结构、网络组织、协议设计等方面与普通蜂窝移动通信网和固定网有显著区别。
4.但由于网络节点移动性强、需电池供电、无线发送功率实时变化、易受环境影响及信号之间相互干扰等原因，会造成网络拓扑结构的动态变化，导致管理网络拓扑开销负荷增大，这就与尽量减少收发和处理的节点数、拓扑结构需定期更新相矛盾；信号质量变化导致信号衰退和拥塞会使网管误认为节点离开；无线信道传输的信息也易受监听、重发、篡改、伪造等攻击，如路由协议攻击。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种基于mec的mesh网络优化方法及系统，最大程度保障mesh网络数据传输时的稳定性，最大程度延续单个节点次工作时间，保证无线信道传输信息的安全性。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于mec的mesh网络优化方法，包括步骤：
7.基于mec移动边缘计算算法实时检测mesh网络的所有节点流量信息；
8.根据所有所述节点流量信息判断各节点状态是否存在异常；
9.若存在异常，则通过节点故障分级策略对所述mesh网络的异常节点进行分类处理；
10.针对处理结果，通过功率优化算法调节所述mesh网络的拓扑结构。
11.作为本发明的进一步改进，所述根据所述节点流量信息判断节点状态是否存在异常；包括：
12.判断节点流量是否存在定时突降至零点、定时持续下降至低流量、定时突降又恢复正常和定时流量陡增的状况，若存在，则判定节点状态存在异常。
13.作为本发明的进一步改进，所述通过节点故障分级策略对所述mesh网络的异常情况进行分类处理，包括：
14.若节点流量定时突降至零点，则在上级及邻近节点的路由信息表中更新路由链
表，并将该节点从所述mesh网络中剔除，并上报节点异常信息；
15.若节点流量定时持续下降至低流量，则由上级或邻近节点基于mec边缘计算算法进行局部范围内流量优化，使该节点只传送低流量场景使用的信息模式，并上报节点异常信息；
16.若节点流量定时突降又恢复正常，则启动终端节点自修复机制；
17.若节点流量定时流量陡增的状况，则由上级或邻近节点进行数据局部流量优化，降低该节点的数据通过。
18.作为本发明的进一步改进，所述mec移动边缘计算算法以所述mesh网络的终端节点为主体，使所述终端节点周边的节点进行序列符的周期性交换。
19.作为本发明的进一步改进，针对处理结果，通过功率优化算法调节所述mesh网络的拓扑结构；包括：
20.在所述功率优化算法中引入负载均衡因子η(i，r)，公式为：
[0021][0022][0023]
其中，
[0024]
r表示mesh网络中组网的轮数；
[0025]
e
current
(i,r)表示第i个节点在第r轮的初始能量；
[0026]
e
average
(r
‑
1)表示第r
‑
1轮中节点的平均能量；
[0027]
e0表示网络初始能量，即网络总能量除以网络总节点数；
[0028]
表示节点归一化邻居节点分布密度；
[0029]
根据功率优化算法选择所述mesh网络的平衡节点。
[0030]
本发明还提供了一种基于mec的mesh网络优化系统，包括：节点流量检测模块、节点状态判断模块、异常节点处理模块和网络优化模块；
[0031]
所述节点流量检测模块，用于：
[0032]
基于mec移动边缘计算算法实时检测mesh网络的所有节点流量信息；
[0033]
所述节点状态判断模块，用于：
[0034]
根据所有所述节点流量信息判断各节点状态是否存在异常；
[0035]
所述异常节点处理模块，用于：
[0036]
若存在异常，则通过节点故障分级策略对所述mesh网络的异常节点进行分类处理；
[0037]
所述网络优化模块，用于：
[0038]
通过功率优化算法和所有所述节点流量信息，调节所述mesh网络的拓扑结构。
[0039]
作为本发明的进一步改进，布设于mesh网络的mac层。
[0040]
作为本发明的进一步改进，所述节点状态判断模块，具体用于：
[0041]
判断节点流量是否存在定时突降至零点、定时持续下降至低流量、定时突降又恢复正常和定时流量陡增的状况，若存在，则判定节点状态存在异常。
[0042]
作为本发明的进一步改进，所述异常节点处理模块，具体用于：
[0043]
若节点流量定时突降至零点，则在上级及邻近节点的路由信息表中更新路由链表，并将该节点从所述mesh网络中剔除，并上报节点异常信息；
[0044]
若节点流量定时持续下降至低流量，则由上级或邻近节点基于mec边缘计算算法进行局部范围内流量优化，使该节点只传送低流量场景使用的信息模式，并上报节点异常信息；
[0045]
若节点流量定时突降又恢复正常，则启动终端节点自修复机制；
[0046]
若节点流量定时流量陡增的状况，则由上级或邻近节点进行数据局部流量优化，降低该节点的数据通过。
[0047]
作为本发明的进一步改进，所述mec移动边缘计算算法以所述mesh网络的终端节点为主体，使所述终端节点周边的节点进行序列符的周期性交换。
[0048]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0049]
本发明通过在mesh网络接入mec移动边缘计算算法，对终端节点流量变化进行监控采集，然后经节点故障分级措施进行故障处理，有效减少了节点故障的误判，进而维护了mesh网络中整个链路的稳定运行；进一步的，有效降低了mesh网络中局部数据风暴带来的异常功耗，延长了以电池供电的节点的工作时间。
[0050]
本发明通过接入mec移动边缘计算算法，以终端节点为主体，对终端节点周边的有效节点的序列符进行周期性的交换，有效的避免了网络外部及内部的攻击威胁，提高了网络数据的安全性。
附图说明
[0051]
图1为本发明一种实施例公开的基于mec的mesh网络优化方法流程图；
[0052]
图2为本发明一种实施例公开的基于mec的mesh网络优化系统示意图；
[0053]
图3为本发明一种实施例公开的基于mec的mesh网络优化方法具体流程示意图；
[0054]
图4为本发明一种实时例公开的基于mec的mesh网络终端节点序列符交换策略示意图。
具体实施方式
[0055]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
[0057]
如图1、3所示，本发明提供的一种基于mec的mesh网络优化方法，包括：
[0058]
s1、基于mec移动边缘计算算法实时检测mesh网络的所有节点流量信息；
[0059]
s2、根据所有节点流量信息判断各节点状态是否存在异常；
[0060]
其中，包括：
[0061]
判断节点流量是否存在定时突降至零点、定时持续下降至低流量、定时突降又恢复正常和定时流量陡增的状况，若存在，则判定节点状态存在异常。
[0062]
进一步的，将存在异常节点状态分为四种；
[0063]
死态：节点流量定时突降至零点，判定该节点处于死态，死态一般是由人为、损坏等造成节点无法正常工作；
[0064]
被干扰态：节点流量定时持续下降至某点，即流量由正常态time_detect时间内持续下降至某低流量状态，此时判定该终端节点为“被干扰态”，处于此状态可能由于外界干扰、设备部件老化性能下降或局部信息阻塞等造成正常数据报文在该节点丢失；
[0065]
偶然态：定时突降又恢复正常，节点流量在time_detect时间内突降后，在持续的(n*time_detect)时间内又恢复正常流量状态，此时判定该节点为“偶然态”，处于改状态可能由于暂时性的干扰或偶然性流量异常导致；
[0066]
超载态：定时流量陡增，无线网络进行正常数据业务传输，发射端射频部分规定好所占频段、带宽，所占用带宽不会超过预设最高限制，为了使得整网状态处于健康运行，运行流量不会超过预设流量限制，此状态下可判定为“超载态”。
[0067]
s3、若存在异常，则通过节点故障分级策略对mesh网络的异常节点进行分类处理；
[0068]
其中，由于mesh网络应用中包含对等网络平面结构(所有节点地位平等)和分级结构(以簇为子网组成高级网络：全国统一频段的单频分级结构和多频分级结构)，网络节点可随机移动，加上无线装置发送功率的变化、环境影响及信号之间互相干扰等因素，都会造成网络拓扑结构的动态变化，导致网络拓扑管理误操作，现有的通过定期收集节点连接信息，一方面增大了网络负荷；另一方面，信号质量变化导致的信号衰退和拥塞使得网管误认为节点离开；因此，网管必须能够区分是由于节点移动还是链路质量导致的连接中断。
[0069]
基于节点流量变化情况构建节点故障分级策略，具体包括：
[0070]
若节点流量定时突降至零点，则在上级及邻近节点的路由信息表中更新路由链表，并将该节点从mesh网络中剔除，并向网络管理上报节点异常信息；
[0071]
若节点流量定时持续下降至低流量，则由上级或邻近节点基于mec边缘计算算法进行局部范围内流量优化，使该节点只传送低流量场景使用的信息模式，并上报节点异常信息，通过整个网络的网络管理界面提醒工作人员进行必要检查等操作；
[0072]
若节点流量定时突降又恢复正常，则启动终端节点自修复机制，此状态可通过整个网络管理进行观察，不需进行更操作；
[0073]
若节点流量定时流量陡增的状况，则由上级或邻近节点进行数据局部流量优化，降低该节点的数据通过，该模式下节点自动调节，不会通过网络管理进行相关显示。
[0074]
s4、通过功率优化算法调节mesh网络的拓扑结构。
[0075]
在mesh网络中，各移动主机的工作能量有限，损耗能力越多，将降低mesh网络功能，造成信号冲突，进而导致网络的实际传输带宽小于理论最大带宽；因此，对于使用电池供电的设备，需保证管理的负荷限制在最小值以节省能源，尽量减少收发和处理的节点数。
[0076]
因此，本发明基于mec移动边缘计算算法实时检测获取的节点流量信息，根据节点流量变化设计功率优化算法，对mesh网络的拓扑结构进行调节；
[0077]
其中，包括：
[0078]
在功率优化算法中引入负载均衡因子η(i，r)，公式为：
[0079]
[0080][0081]
其中，
[0082]
r表示mesh网络中组网的轮数；
[0083]
e
current
(i,r)表示第i个节点在第r轮的初始能量；
[0084]
e
average
(r
‑
1)表示第r
‑
1轮中节点的平均能量；
[0085]
e0表示网络初始能量，即网络总能量除以网络总节点数；
[0086]
表示节点归一化邻居节点分布密度；
[0087]
通过r＝1时的均衡因子的公式可以看出，节点在最初组网时被选做mesh网络中的能量平衡点的机会与归一化邻居节点的分布密度相关，节点分布密度越小，周围邻居节点越少，通信成本越高的节点被选做能量平衡点的几率越小；
[0088]
通过r>1时的均衡因子的公式，在节点异常状态下，根据引入的均衡因子后的功率优化算法选择mesh网络的平衡节点，可以降低异常节点成为能量均衡点的概率，避免传输成本高级负载过大的节点当选能量均衡点。
[0089]
进一步的，
[0090]
功率优化算法中引入负载均衡因子，可以在网络组网过程中综合考虑节点能量、目的节点与其他节点的距离，进而通过节点发射功率实现合理组网。
[0091]
网络初始阶段每个节点将携带的自身初始能量e
start
和节点密度σ(i)信息发给随机分布用于网络均衡的枝节点，用以计算网络初始平均能量为e
o
，公式为：
[0092][0093]
其中，σ(i)表示网络中的节点密度，计算公式为：
[0094][0095]
其中，d
max
表示节点的最大发射功率；
[0096]
对σ(i)进行归一处理，得到归一化邻居节点密度公式为：
[0097][0098]
当r＝1时，节点初始能量相同：
[0099][0100]
由上式可以看出，所有节点在刚开始组网时被选做平衡节点的机会与其归一化邻居节点分布密度相关，节点密度越小，周围邻居分布越少，通信成本也越高，因此，该节点被选作平衡节点的几率越小，该负载均衡因子在刚开始组网时可以对mesh的拓扑结构起
到优化作用。
[0101]
当r>1时，网络进行轮换，在第r
‑
1轮，节点i带上自己的当前能量值e
current
(i，r
‑
1)向平衡节点发送加入信息，此时的能量总和：
[0102][0103]
根据相关资料可知，节点每发送1byte数据包到距离为d的节点需要消耗：
[0104]
e
tx
(k，d)＝ke
current
kε
fs
d2，d＜d0[0105]
e
tx
(k，d)＝ke
current
kε
mp
d4，d＞d0[0106]
其中，
[0107]
e
elec
表示无线收发电路消耗的能量；
[0108]
ε
fs
和ε
mp
表示自由空间和多径衰落中放大器的能量消耗；
[0109]
由上式可知，节点每接收k比特数据包消耗的能量为：
[0110]
e
rx
＝ke
elec
[0111]
因此，节点i在r
‑
1轮消耗的能量为：
[0112]
e
cost
(i，r
‑
1)＝e
tx
(m，d) g*e
rx
[0113]
由此推算出第r轮的负载均衡因子为：
[0114][0115]
综上，可以确定，在功率优化算法中引入负载均衡因子，可以降低其成为平衡点的概率，避免传输成本高以及负载过大的节点当选，使网络拓扑结构更优化，能耗更均衡。
[0116]
如图4所示，本发明在mec移动边缘计算算法以mesh网络的终端节点为主体，使终端节点周边的节点进行序列符的周期性交换。
[0117]
如图2所示，本发明还提供了一种基于mec的mesh网络优化系统，包括：节点流量检测模块、节点状态判断模块、异常节点处理模块和网络优化模块；
[0118]
节点流量检测模块，用于：
[0119]
基于mec移动边缘计算算法实时检测mesh网络的所有节点流量信息；
[0120]
节点状态判断模块，用于：
[0121]
根据所有节点流量信息判断各节点状态是否存在异常；
[0122]
具体用于：
[0123]
判断节点流量是否存在定时突降至零点、定时持续下降至低流量、定时突降又恢复正常和定时流量陡增的状况，若存在，则判定节点状态存在异常。
[0124]
异常节点处理模块，用于：
[0125]
若存在异常，则通过节点故障分级策略对mesh网络的异常节点进行分类处理；
[0126]
具体的：
[0127]
若节点流量定时突降至零点，则在上级及邻近节点的路由信息表中更新路由链表，并将该节点从mesh网络中剔除，并上报节点异常信息；
[0128]
若节点流量定时持续下降至低流量，则由上级或邻近节点基于mec边缘计算算法
进行局部范围内流量优化，使该节点只传送低流量场景使用的信息模式，并上报节点异常信息；
[0129]
若节点流量定时突降又恢复正常，则启动终端节点自修复机制；
[0130]
若节点流量定时流量陡增的状况，则由上级或邻近节点进行数据局部流量优化，降低该节点的数据通过。
[0131]
网络优化模块，用于：
[0132]
通过功率优化算法和所有节点流量信息，调节mesh网络的拓扑结构。
[0133]
本系统布设于mesh网络的软件协议mac层，可基于网络私有协议进行灵活嵌套。
[0134]
如图4所示，本系统还包括标识符管理模块，基于mec移动边缘计算算法以mesh网络的终端节点为主体，使终端节点周边的有效节点进行序列符的周期性交换，进而应对网络外部攻击和内部攻击两种威胁。
[0135]
本发明的优点：
[0136]
本发明通过在mesh网络接入mec移动边缘计算算法，对终端节点流量变化进行监控采集，然后经节点故障分级措施进行故障处理，有效减少了节点故障的误判，进而维护了mesh网络中整个链路的稳定运行；进一步的，有效降低了mesh网络中局部数据风暴带来的异常功耗，延长了以电池供电的节点的工作时间。
[0137]
本发明通过接入mec移动边缘计算算法，以终端节点为主体，对终端节点周边的有效节点的序列符进行周期性的交换，有效的避免了网络外部及内部的攻击威胁，提高了网络数据的安全性。
[0138]
本发明的流量分级策略可有效调节mesh网络终端节点因偶发性故障带来的组网健壮性问题，较软件算法有更好的故障准确性判断。
[0139]
本发明中在功率优化算法中引入负载均衡因子，将能量因素考虑进来，在路由路径选择过程综合考虑能耗、目的节点及之间距离因素，合理调节节点发射功率。
[0140]
本发明针对mesh网络各类型组网具有效果。
[0141]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。