節點設備、數據包轉發方法及應用其的網格網絡系統與流程
2023-09-18 21:57:35 1
本發明涉及通信技術，更具體地，本發明涉及一種節點設備、數據包轉發方法及應用其的網格網絡系統。
背景技術：
隨著物聯技術的發展，越來越多的智能設備接入網絡。網格網絡(mesh network)具有可動態擴展、高連接性、高可靠性和高穩定性的優點，因而越來越受到關注。作為終端的智能設備可以先接入網格網絡，然後進一步接入相同或不同類型的其他網絡，從而實現智能設備的遠程管理、定時控制和參數調節等功能。
網格網絡是包括網絡控制器和多個節點設備的網絡架構。網絡控制器可以有一個或者幾個，節點設備有多個。網絡控制器用於節點之間的通信調度和節點與外部網絡之間的通信路由。節點可以經由網絡控制器訪問外部網絡。在同一時刻，一般只有一個網絡控制器對網絡進行控制。現有技術通過廣播來實現網格網絡,實現的協議不盡相同。例如，可以基於藍牙協議4.0或藍牙低功耗協議(BLE)實現網格網絡。
在網格網絡中，利用相鄰的節點設備轉發數據，以代替長距離的直接連接，這種通信方式也稱為「多跳(multi-hop)」通信。節點設備通過轉發收到的數據包來實現數據的傳遞，這種方式可以通過以節點作為中繼的方式實現信息的傳遞。在整個網絡中，節點的數據轉發都是基於隨機延時實現的。然而，部分網格網絡所基於的無線接口傳輸距離有限(例如，小於20米)，當一跳的距離過大時，網格網絡的節點設備之間無法正常通信或者容易受到幹擾。
因此，期望進一步改進網格網絡的數據通信控制方法以提高網格網絡的穩定性。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供一種節點設備、數據包轉發方法及應用其的網格網絡系統以提高網格網絡的穩定性。
第一方面，一種網格網絡系統，包括：
網絡控制器，適於收發第一類型數據包；以及，
多個節點設備，每個所述節點設備工作在第一模式或第二模式，其中，在第一模式下，所述節點設備適於將接收到至少部分第一類型數據包轉換為第二類型數據包發送，並將接收到的至少部分第二類型數據包轉換為第一類型數據包發送，在第二模式下，所述節點設備適於收發第二類型數據包；
其中，所述第一類型數據包為符合預定物理層協議的數據包，所述第二類型數據包為經過物理層性能增強處理的數據包。
在一種可能的設計中，每個所述節點設備根據自身的網絡相對位置或相鄰節點的狀態選擇工作在第一模式或第二模式，其中，所述網絡相對位置表示所述節點設備與所述網絡控制器之間的最短轉發路徑的跳數或轉發次數。優選地，所述節點設備在網絡相對位置為與所述網絡控制器相鄰時選擇工作於第一模式。
在一種可能的設計中，所述網絡控制器適於產生命令數據包並以廣播方式發送，所述節點設備根據所述命令數據包到達時的最小轉發次數確定或更新自身的網絡相對位置。
在一種可能的設計中，所述第一類型數據包為基於第一調製方式的數據包，所述第二類型數據包為基於第二調製方式的數據包。
在一種可能的設計中，所述第二調製方式為較所述第一調製方式接收靈敏度更低和/或速率更低和/或引入擴頻技術的調製方式。優選地，所述第一調製方式為1Mbps GFSK調製，所述第二調製方式為1Mbps BPSK調製、250KHz GFSK調製、擴頻BPSK調製、擴頻GFSK調製或擴頻QPSK調製。
第二方面，提供一種用於網格網絡的節點設備，包括：
多模收發裝置，適於收發第一類型數據包和第二類型數據包；
控制裝置，適於在第一模式下將接收到至少部分第一類型數據包轉換為第二類型數據包交由所述多模收發裝置發送，並將接收到的至少部分第二類型數據包轉換為第一類型數據包交由所述多模收發裝置發送，在第二模式下控制所述多模收發裝置收發第二類型數據包；
其中，所述第一類型數據包為符合預定物理層協議的數據包，所述第二類型數據包為經過物理層性能增強處理的數據包。
在一種可能的設計中，每個所述控制裝置用於根據所述節點設備的網絡相對位置或相鄰節點的狀態選擇工作在第一模式或第二模式，其中，所述網絡相對位置表示所述節點設備與所述網格網絡的網絡控制器之間的最短轉發路徑的跳數或轉發次數。優選地，所述控制裝置在網絡相對位置為與所述網絡控制器相鄰時選擇工作於第一模式。
在一種可能的設計中，，所述控制裝置根據命令數據包到達時的最小轉發次數確定或更新自身的網絡相對位置，所述命令數據包由所述網絡控制器生成並以廣播方法發送。
在一種可能的設計中，所述第一類型數據包為基於第一調製方式的數據包，所述第二類型數據包為基於第二調製方式的數據包。優選地，所述第二調製方式為較所述第一調製方式接收靈敏度更低和/或速率更低和/或引入擴頻技術。進一步優選地，所述第一調製方式為1Mbps GFSK調製，所述第二調製方式為1Mbps BPSK調製、250KHz GFSK調製擴頻BPSK調製、擴頻GFSK調製或擴頻QPSK調製。
第三方面，提供一種數據包轉發方法，包括：
在第一模式下，將接收到至少部分第一類型數據包轉換為第二類型數據包發送，並將接收到的至少部分第二類型數據包轉換為第一類型數據包發送；
在第二模式下，收發第二類型數據包；
其中，所述第一類型數據包為符合預定物理層協議的數據包，所述第二類型數據包為經過物理層性能增強處理的數據包。
本發明實施例同時使得節點設備可以在不同的模式下工作，在上一跳的設備為普通設備時，將符合預定物理層協議的數據包轉換為經過物理層性能增強處理的數據包轉發，在下一跳設備為普通設備時，將接收到的經過物理層性能增強處理的數據包轉換為符合預定物理層協議的數據包轉發，在上一跳和下一跳的設備均為同類設備時，以增強的物理層處理方式進行數據包收發，由此，在兼容現有網格網絡節點設備的同時增強了網格網絡通信連接的性能，提高了網格網絡的穩定性和布設範圍。
附圖說明
通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：
圖1是本發明實施例的網格網絡系統的網絡拓撲示意圖；
圖2A是本發明實施例的節點設備的結構示意圖；
圖2B是本發明實施例的節點設備進行數據包轉發的流程圖；
圖3是本發明實施例的網格網絡系統的數據包發送接收流程圖；
圖4是本發明實施例的另一種網格網絡系統的網絡拓撲示意圖；
圖5是圖4所示的網格網絡通信範圍內出現不期望的節點設備時的網絡拓撲示意圖。
具體實施方式
以下基於實施例對本發明進行描述，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敘述。
此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。
除非上下文明確要求，否則整個說明書和權利要求書中的「包括」、「包含」等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是「包括但不限於」的含義。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。
在現有技術中，基於無線區域網(WLAN)技術、紫蜂(ZigBee)技術以及藍牙技術均可以實現多跳的網格網絡。以下以基於藍牙低功耗標準的網格網絡為例進行說明，但是，本領域技術人員能夠理解，本發明實施例的方法和產品適於使用其它任何可以實現多跳網格網絡的網絡通信系統。
圖1是本發明實施例的網格網絡系統的網絡拓撲示意圖。如圖1所示，該網格網絡系統包括網絡控制器NC和多個節點設備N1至N15。網絡控制器NC例如為手機、計算機、平板電腦等智能終端，也可以是專用的網絡控制器。節點設備可以為智能家電或其它智能設備，例如具備網絡連接功能的電視、冰箱、熱水器、LED燈、攝像頭、監控器、插座、定時器等。
圖1所示的網格網絡為單路徑網絡，其中，以網絡控制器NC為中心提供多條信號路徑，在每條信號路徑上包括串聯的多個節點，且不同信號路徑上的多個節點彼此不連接。如圖1所示，以網絡控制器NC為中心，節點N1、N6和N11依次連接在第一信號路徑上，節點N2、N7和N12依次連接在第二信號路徑上，節點N3、N8和N13依次連接在第三信號路徑上，節點N4、N9和N14依次連接在第四信號路徑上，節點N5、N10和N15依次連接在第五信號路徑上。第一至第五信號路徑共同連接至網絡控制器，彼此之間未連接。每條路徑上的節點在轉發數據時，只能轉發至同一信號路徑上的相鄰節點。也即，每個節點只能經由唯一的信號路徑轉發數據包至相鄰的節點或網絡控制器。例如，節點N9在轉發數據時，只能轉發至第四信號路徑上的相鄰節點N4和N14。
網絡控制器NC與外部網絡之間採用無線區域網(WLAN)協議、紫蜂(Zigbee)協議以及藍牙協議互聯，網絡控制器NC與多個節點之間、以及多個節點彼此之間可以採用藍牙協議、紫蜂協議、WLAN協議互聯。在本實施例中，以採用藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy，BLE)協議為例進行說明。網絡控制器NC不僅控制網格網絡內部的數據通信，而且為網格網絡與外部網絡之間的通信提供路由功能，使得網格網絡系統中的多個節點可以經由網絡控制器訪問外部網絡。
現有的網格網絡系統中，各節點設備之間以及節點設備與網絡控制器NC之間通常是通過標準通信接口進行數據包的收發。但是，標準通信接口在某些情況下容易受到幹擾，同時，還存在通信距離有限的問題。在不同的節點設備之間存在牆壁等障礙物時，會使得節點設備之間的通信連接質量急劇下降。這一問題在使用BLE設備作為節點設備時尤其突出。為了克服該缺陷，本實施例的網格網絡系統中，所有的節點設備除了能基於標準的BLE接口進行通信外，還可以發送和接收物理層性能增強(抗幹擾能力更強、傳輸距離更遠以及穿透障礙物後損耗降低)的數據包，以提高整個網格網絡的穩定性和性能。
具體地，每個節點設備可以工作在第一模式或第二模式。其中，在第一模式下，節點設備將通過BLE標準方式(可稱為第一方式)接收的至少部分數據包以性能增強的物理層處理方式(可稱為第二方式)轉發並將通過性能增強的物理層處理方式接收的至少部分數據包以BLE標準方式轉發。在第二模式下，所述節點設備僅通過性能增強的物理層處理方式收發數據包。也就是說，在第一模式下，節點設備將接收到的至少部分第一類型數據包轉換為第二類型數據包發送，並將接收到的至少部分第二類型數據包轉換為第一類型數據包發送。在第二模式下，節點設備收發第二類型數據包。其中，第一類型數據包為符合預定物理層協議的數據包(也即，以第一方式處理的數據包)，所述第二類型數據包為經過物理層性能增強處理的數據包(也即，以第二方式處理的數據包)。由此，節點設備之間可以通過性能增強的物理層接口以獲得更佳的傳輸性能，彌補現有標準協議的缺陷。並且，由於節點設備也能夠通過BLE標準方式收發數據包，因此，節點設備可以兼容現有的網格網絡節點設備(例如，網絡控制器NC)，與現有的網絡控制器NC實現組網。這對於某些應用場景是非常有益的，因為網絡控制器NC通常可能為用戶的手機、電腦等標準設備。
圖2A是本發明實施例的節點設備的結構示意圖。如圖2A所示，本實施例的節點設備包括多模收發裝置11和控制裝置12。其中，多模收發裝置11被配置為收發BLE標準數據包和經過物理層性能增強處理的數據包。控制裝置12用於在第一模式下將接收到的至少部分數據包(目標節點就是本節點設備的數據包不需要轉發)由一種類型轉換為另一種類型後交由多模收發裝置發送。控制裝置12在第二模式下控制多模收發裝置11以性能增強的物理層處理方式收發數據包(也即收發第二類型數據包)。
在物理層，調製方式對於信號傳輸的影響較大。在本實施例中，符合BLE標準的物理層處理方式為1Mbps GFSK調製，其傳輸距離在20米以內。為了增強物理層的性能，可以採用比上述調製方式接收靈敏度更低和/或速率更低和/或引入擴頻技術的調製方式，物理層性能增強的調整方式包括但不限於1Mbps BPSK調製、250KHz GFSK調製、擴頻BPSK調製、擴頻GFSK調製或擴頻QPSK調製。
在網絡控制器NC為標準的BLE設備前提下，在本實施例的網格網絡系統中，僅需要與網絡控制器NC相鄰的各節點設備工作於第一模式，其它節點設備工作於第二模式。也就是說，在圖1中，節點設備N1-N5工作於第一模式，將基於一種調製方式的數據包轉換為基於另一種調製方式的數據包發送。而節點設備N6-N15均工作於第二模式，其在網格網絡中的上一跳和下一跳節點均為可以收發物理層性能增強的數據包的節點設備，因此，通過收發物理層性能增強的數據包來與上一跳和下一跳節點通信以獲得更好的通信質量和穩定性。也就是說，節點設備N1-N5與網絡控制器NC之間的通信接口為BLE標準接口，而與相鄰的節點設備N6-N10之間的通信接口為性能增強的物理層接口(在本實施例中，為採用的性能增強的調製方式的接口)。在組網時，可以根據需要配置每個節點設備的工作模式。可選地，也可以在組網時以及在網格網絡運行過程中，由節點設備根據自己在網格網絡系統中的網絡相對位置確定工作模式。網絡相對位置用於表示節點設備與網絡控制器NC之間的最短轉發路徑的跳數或轉發次數(也即，路徑上的中間節點設備數量)。根據網絡相對位置，節點設備可以獲知在當前的網絡拓撲中自己與網絡控制器之間進行通信需要經過多少個中間節點(或幾跳距離)。在網格網絡中所有的節點設備均可以通過BLE標準接口和性能增強的物理層接口進行通信的前提下，只需要與網絡控制器NC相鄰所有節點設備工作於第一模式，其它的節點設備工作於第二模式即可。
節點設備的網絡相對位置可以採用中國專利申請CN105681189A公開的方式獲取。也即，網絡控制器NC在初始化時或需要更新網絡拓撲時產生命令數據包並以廣播方式發送，網格網絡中的各節點設備轉發所述命令數據包，並根據所述命令數據包到達時的最小轉發次數確定或更新自身的網絡相對位置。
可選地，節點設備也可以根據所獲取的當前網絡拓撲中相鄰節點的狀態選擇工作於第一模式或第二模式。
圖2B是本發明實施例的節點設備進行數據包轉發的流程圖。如圖2B所示，在步驟100，判斷當前工作模式，如果為第一模式，轉步驟200，如果為第二模式，轉步驟300。工作模式可以根據節點設備的當前網絡相對距離自動確定或根據用戶的設定確定。
在步驟200，在第一模式下將接收到的至少部分第一類型數據包轉換為第二類型數據包發送，並將接收到的至少部分第二類型數據包轉換為第一類型數據包發送。
在步驟300，在第二模式下，收發第二類型數據包。
圖3是本發明實施例的網格網絡系統的數據包發送接收流程圖，其示出了網格網絡系統中不同節點的實現通信的流程。如圖3所示，在第一跳連接中，網絡控制器NC發送第一類型數據包(以1Mbps GFSK調製)給節點設備N1-N5，節點設備N1-N5分別收到第一類型數據包之後會給網絡控制器發送相應的數據包ACK(以1Mbps GFSK調製)，網絡控制器接收到數據包ACK表示當前的第一類型數據包與節點設備N1-N5的通信結束。
工作於第一模式的節點設備N1-N5接收到第一類型數據包(以1Mbps GFSK調製)之後，會通過內部的物理層協議控制器將其轉換為第二類型數據包(以1Mbps BPSK或250Kbps GFSK調製)，然後分別將其轉發給對應的下一跳節點設備N6-N10。節點設備N6-N10工作於第二模式，在接收完成之後會分別向節點設備N1-N5返回相應的數據包ACK(以1Mbps BPSK或250Kbps GFSK調製)，節點設備N1-N5接收到數據包ACK表示當前的第二類型數據包通信結束。
然後，節點設備N6-N10接收到第二類型數據包(以1Mbps BPSK或250Kbps GFSK調製)之後，會將其分別轉發給下一跳節點設備N11-N15。節點設備N11-N15接收完成之後會給節點設備N6-N10發送相應的數據包ACK。節點設備N6-N10接收到數據包ACK表示當前的第二類型數據包發送結束。由此，來自網絡控制器NC的數據包可以廣播到網格網絡中所有的節點設備，並由特定的一個或多個目標節點進行處理。
同時，在上行方向，當節點設備需要向網絡控制器NC發送數據時，節點設備N11-N15之一將所要發送的數據包處理為第二類型數據包(1Mbps BPSK或250Kbps GFSK)之後，會將其轉發給對應的下一跳節點設備N6-N10之一。節點設備N6-N10之一接收完成之後會給對應的節點設備N11-N15之一發送相應的數據包ACK(以1Mbps BPSK或250Kbps GFSK調製的第二類型數據包)。節點設備N11-N15之一接收到數據包ACK表示當前的數據包發送結束，且對應的接收結束。
然後，節點設備N6-N10之一接收到第二類型數據包(以1Mbps BPSK或250Kbps GFSK調製)之後，會將其轉發給下一跳的節點設備N1-N5之一，節點設備N1-N5之一接收完成之後會給上一跳節點設備N6-N10之一發送相應的數據包ACK(以1Mbps BPSK或250Kbps GFSK調製)，節點設備N6-N10之一接收到數據包ACK表示當前的第二類型數據包發送結束，且對應的接收操作結束。
節點設備N1-N5之一接收到第二類型數據包(以1Mbps BPSK或250Kbps GFSK調製)之後，會通過內部的物理層協議控制器將其轉換為第一類型數據包(以1Mbps GFSK調製)，然後將其轉發給網絡控制器NC。網絡控制器NC接收完成之後會給節點設備N1-N5之一發送相應的數據包ACK(以1Mbps GFSK調製的第一類型數據包)。節點設備N1-N5之一接收到數據包ACK表示當前的第一類型數據包通信結束。
由此，網格網絡中的任意一個節點的數據包均可以通過一跳或多跳轉發到達網絡控制器。
由於節點設備N1-N5與節點設備N6-N10之間，以及節點設備N6-N10與節點設備N11-N15之間通過基於物理層性能增強的調製方式的數據包進行通信，可以實現更加穩定的網絡連接，並且擴展網格網絡的通信範圍，保證通信質量。同時，與網絡控制器相鄰的節點設備N1-N5通過符合BLE協議的標準數據包進行通信，由此可以兼容標準的網絡控制器設備。
進一步地，本發明實施例的節點設備並沒有改變物理層以上的各層對於數據包的處理。也就是說，在進行調製前的對數據包處理與標準的BLE設備一致，因此，可以減小設備改造或設計的成本。
圖4是本發明實施例的另一種網格網絡系統的網絡拓撲示意圖。如圖4所示，該網格網絡包括網絡控制器NC和多個節點N1至N15。本實施例的網格網絡為多路徑網絡，其中，以網絡控制器NC為中心提供多條信號路徑，在每條信號路徑上包括串聯的多個節點，且不同信號路徑上的多個節點可以彼此連接。
如圖4所示，以網絡控制器NC為中心，節點N1、N6和N11依次連接在第一信號路徑上，節點N2、N7和N12依次連接在第二信號路徑上，節點N3、N8和N13依次連接在第三信號路徑上，節點N4、N9和N14依次連接在第四信號路徑上，節點N5、N10和N15依次連接在第五信號路徑上。第一至第五信號路徑共同連接至網絡控制器，不同信號路徑的信號節點還可以彼此連接。例如第一信號路徑上的節點N1與第五信號路徑上的節點N10彼此連接，第二信號路徑上的節點N7和第三信號路徑上的節點N3彼此連接。每條路徑上的節點在轉發數據時，不僅可能轉發至同一信號路徑上的相鄰節點，而且可能轉發至相鄰信號路徑上的相鄰節點。也即，每個節點可能經由多條不同的信號路徑轉發數據包至相鄰的節點或網絡控制器。其中，節點設備N1-N5與網絡控制器NC相鄰，因此，被配置為工作在第一模式，通過標準BLE接口與網絡控制器連接。同時，其它節點設備與網絡控制器NC不相鄰，因此，通過物理層性能增強的接口與相鄰的節點設備連接通信。由此，通過一跳或多跳轉發，網格網絡中的任一個節點設備都可以與網絡控制器NC通信。
圖5是圖4所示網格網絡通信範圍內出現不期望的節點設備時的網絡拓撲示意圖。如圖5所示，不期望的BLE設備(B1-B3)出現在網格網絡中並試圖與網格網絡中的網絡控制器NC或節點設備N1-N15通信時，由於各節點設備之間通過物理層性能增強的數據包進行通信，標準的BLE設備(B1-B3)無法與節點設備通信(也即，無法解調數據包，其發出的標準BLE數據包也無法被節點設備N6-N15解調)。由節點設備N1-N5向網絡控制器NC發送的標準BLE數據包以及網絡控制器NC發給節點設備N1-N5的數據包在物理與現有的BLE協議兼容，因此，可以被BLE設備B1-B3接收。但是，這些數據包具有固定的格式，所述BLE設備B1-B3接收數據包後無法進行物理層以上的處理和解析，因此還是無法接入網絡。同時，節點設備N-N5以及網絡控制器NC也可以接收來自BLE設備B1-B3的標準BLE數據包，但是同樣因為數據包格式不同，這些數據被會被節點設備N-N5以及網絡控制器NC丟棄。由此，可以避免出現在網格網絡通信範圍內的標準BLE設備對於網絡構成幹擾，使得網絡具有更好的安全性。
由於節點設備可以在不同的模式下工作，在上一跳的設備為普通設備時，將符合預定物理層協議的數據包轉換為經過物理層性能增強處理的數據包轉發，在下一跳設備為普通設備時，將接收到的經過物理層性能增強處理的數據包轉換為符合預定物理層洗衣的數據包轉發，在上一跳和下一跳的設備均為同類設備時，以增強的物理層處理方式進行數據包收發，由此，在兼容現有網格網絡節點設備的同時增強了網格網絡通信連接的性能，提高了網格網絡的穩定性和布設範圍。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。