在包括無電池zigbee設備的網絡中通信的方法，及為此的網絡和設備的製作方法

2023-06-22 03:29:26 1

專利名稱：在包括無電池zigbee設備的網絡中通信的方法，及為此的網絡和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於在無線控制網絡中通信的方法，更具體地，本發明涉及用於確保無線網絡中通信設備和路由器之間保持通信鏈路的方法。例如，本發明與包括具有低功率資源的資源受限設備的無線網絡有關。在特定應用中，本發明與使用例如ZigBee協議的通信協議的無線網絡有關，所述通信協議與 IEEE802. 15. 4還有基於IEEE802. 15. 4的協議兼容。
背景技術：
無線控制網絡近來已經成為通信領域的普遍趨勢，尤其是對於建築物管理系統。 無線技術在設備放置自由度、設備便攜性以及安裝成本降低方面表現出重大優勢，因為不需要拖放線纜和鑽孔。因此，這樣的技術對於使用傳感器設備(如光開關、調光器、無線遙控器、移動或光檢測器)的互連、檢測、自動化、控制或監視系統特別有吸引力，它們彼此必須安裝在遠距離的位置並且遠離它們控制的設備，例如燈具。這類網絡所表現出的缺陷之一與設備供電有關。實際上，由於設備未導線連接，因此它們不再能夠從市電或經由與控制器的連接來接收執行網絡中所有所需操作所必要的功率。這樣，已經預想到用內置電池來裝備這類設備。然而，由於所述設備的尺寸是十分受限的，因此電池不會是大的尺寸，這導致設備的壽命降低或者使用大量勞力的電池替換。已經提出通過給傳感器設備裝備自給的能源(它從其環境獲取能量)來補救該問題。儘管如此，但是現用的能量獲取器可獲得的能量的量是很有限的，這意味著無電池設備的特徵和功能嚴重受限。在所述功能中，對於無線網絡中的良好操作必須要保持的功能是鏈路連接，其使得可以確保在任何時候資源受限設備都被連結到路由器，其中該路由器代表該設備轉發消息。因此，在現有的實施方式中，在端設備(通常為資源受限的)及其父路由器之間建立了親子關係。子端設備將其所有通信尋址到父路由器以便將其轉發給它們的最終目的地。然而， 在能量獲取設備的情況下，這種關係在網絡中產生了單點故障，因為如果父鏈路中斷，來自端設備的通信則無法再成功地執行。而且，在大多數情況下，由於在資源受限設備上不存在或未使用接收電路，或者用於等待和接收反饋的能量不足，而導致這種父鏈路故障甚至不能被端設備檢測到。實際上，由於端設備的資源非常有限，在通信丟失時它無法執行徹底的搜索以便發現新的父路由器，因此網絡中的操作以及從用戶觀點看端設備的操作都受到損害。因此為了補救由資源受限設備的父鏈路產生的單點故障問題，已經提出了利用 MAC層廣播通信的解決方案。在這樣的方法中，源設備僅傳送數據而不跟蹤它是否被其鄰居轉發，也不預期任何確認。在更高層上，轉發被關注到，同時還可以通過附加的機制來防止或濾出潛在的副本。因此，通過允許若干節點在不同的傳播條件下接收以及需要時轉發幀來實現可靠性。這種較高層機制之一是802. 15. 4/ZigBee網絡層多播通信給定範圍內的每個節點接收消息，且每個組成員轉發該消息一次或多次。另一這樣的較高層機制是 802. 15. 4/ZigBee網絡層廣播。然而，其可靠性基於被動的確認機制，這需要發起者以及任何其它轉發節點去跟蹤其鄰居是否轉發該消息以及在某些未轉發時重試它。兩種機制都意味著端設備無法支持的例如由響應跟蹤和/或可能的重試導致的高能耗。此外，由於給定鄰域內多個設備多次重發，使得廣播/多播的使用導致帶寬消耗高，這又可能導致網絡過載，從而導致從用戶角度看的臨時故障或可靠性降低。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提出一種方法，其允許在資源受限設備和無線網絡之間維持正確的通信而不會產生單點故障，也不會使發起通信的資源受限設備(例如無電池設備)耗費太多功率。本發明的另一目的是提出一種用於在網絡中通信的方法，其儘可能減少端設備的投入。本發明的又一目的是提出一種方法，其與使用廣播和多播的現有可靠的通信方法相比允許降低帶寬消耗，同時允許端設備運用其鄰區內的多個可用代理功能設備。本發明的另一方面涉及在網絡中使用來執行按照本發明的方法的路由器設備，以及這樣的網絡。在這方面，本發明提供了在包括資源受限端設備以及至少一個路由器設備的網絡中進行無線通信的方法，其中所述方法包括以下步驟
一端設備傳送要被轉發給網絡中的目的地設備的數據幀， 一路由器設備接收該數據幀，
一路由器設備將延遲關聯到數據幀並計劃在該延遲之後進行幀的傳送，以及一在路由器設備監聽到數據幀已經被另一路由器設備轉發時，取消所計劃的數據幀的傳送。因此，按照本發明的方法使得端設備不需要被預配置有代理的身份，也無需跟蹤代理。另外，代理也不需要被預配置。本發明含義內的資源受限設備(也稱為端設備)涉及至少在能源方面受限的通信設備，其充當網絡中的功能降低設備。這種方法使端設備可以在網絡中通信而完全不需要端設備被預配置有或發現代理的身份，因為端設備傳送待轉發的幀而無需知道將要處理所述傳送的路由器設備的身份。此外，該方法允許代理承擔其責任但無需較早預配置有端設備的標識符。因此，發送數據幀是端設備執行的唯一動作，其意味著功耗被降至最小。該方法還解決了前述網絡中未檢測到故障的問題，因為路由器設備不提前預分配，而是以ad-hoc方式即時分配。在本發明的一個實施例中，當計劃傳送時，與數據幀有關的延遲至少部分地以隨機方式被確定。在其它實施例中，通過考慮其它參數如傳送到目的地設備的總路徑成本、 或鏈路成本，路由狀態信息如路由新鮮度、用該路由轉發的分組的數量、該路由上分組成功率，來確定所述延遲。在本發明的某些實施例中，所述方法包括以下步驟的一個或多個 一用確保覆蓋兩倍的端設備的範圍的傳送功率來轉發數據幀的步驟。
一在轉發數據幀之前，路由器設備執行針對目的地設備的路由路徑發現過程的步驟。在該情況下，數據幀的轉發在一個實例中導致到目的地設備的路由路徑的建立。在示例性實施例中，轉發的數據幀還包含路由發現信息，並且按照路由發現機制在網絡中傳播。本發明的另一方面涉及路由器設備，其包括
一接收裝置，用於接收來自無線網絡中的端設備的數據幀， 一傳送裝置，用於向網絡中的目的地設備轉發數據幀， 一計時器，用於在傳送數據幀之前設定延遲，
一用於當監聽到數據幀已經被另一路由器設備傳送時取消數據幀的計劃傳送的裝置， 一存儲器裝置，用於存儲預建立的路由。本發明的又一方面涉及包括按照本發明的至少一個路由器以及至少一個資源受限設備的網絡。


現在將通過示例、參考附圖更詳細地描述本發明，其中 一圖1示出了按照本發明的網絡。
具體實施例方式本發明涉及如圖1所示的在無線控制網絡中通信的方法。所述網絡包括端設備。 該設備例如是Zigbee無電池設備(ZBLD)，但是本發明通過任何資源受限無線設備，尤其是電池供電或能量獲取設備如光開關、調光器、無線遙控器、移動檢測器或光檢測器而獲得應用。所述網絡還包括若干路由器設備(Rl，R2, R3, R4, R5)。這些路由器設備在示例性實施例中符合Zigbee通信協議。在另一有利的實施例中，ZigBee無電池設備和路由器符合基於輕量802. 15. 4的ZigBee無電池協議。在按照本發明的網絡中，路由器設備不提前被配置成連結到特定的Zigbee設備。 實際上，每當需要傳送數據幀時，路由器以ad-hoc方式在它們中即時決定代理角色。網絡中的通信由^LD發起。例如，與^LD交互的用戶、^LD實施的傳感器事件或者內部計時器可以觸發^LD對數據幀的傳送。在示例性802. 15.4/ZigBee實施例中，通過使用MAC廣播或間接通信來通過MAC層傳送該幀。在另一實施例中，仍舊在802. 15.4/ ZigBee網絡中，通過利用適當的尋址，即用於聯繫單個設備的單播、用於聯繫一組設備的多播或用於聯繫所有設備的廣播，來通過應用支持子層來傳送幀。有關觀LD的分組的最終目的地的知識可存儲在^LD中，並包括在由^LD發送的分組中，或者由代理路由器處理並從而當轉發幀時被添加。位於^LD鄰域內的所有路由器Rl，R2, R3, R4和R5因此接收到幀或分組P。在可選實施例中，路由器檢查該分組是否實際來自^LD。這可以例如通過在分組中包括設備類型信息(例如以標誌、來自預定義地址池內的標識符或使用的幀格式的形式)來實現。隨後，每個路由器計劃在預定延遲之後轉發分組。該延遲例如對應於廣播協議方法中的時間窗口。在一示例中，與數據幀有關的延遲以隨機方式確定。然而，在某些情況下，由於網絡和路由器設備的不同參數而適應性調節該隨機延遲可能是有用的。實際上，在^LD數據幀要被轉發至單播目的地時，在觀LD的鄰域內的路由器設備發現並維持到目的地的預建立的路由可能是有必要的。在這種情況下，可以使用有關傳送到目的地的總鏈路成本的信息來適應性調節所述隨機延遲。在示例性實施例中，隨機延遲被計算為
延遲=5ms*total_path_cost + 隨機(0. 10*nwkMaxBroadcastJitter),其中t0tal_path_C0St是從給定路由器到^LD消息的目的地的總路徑成本，而 nwkMaxBroadcastJitter是按照本發明的網絡中廣播抖動的最大值。在有利的實施例中，每個路由器包括路由表，其包括用於記憶針對每個目的地的總鏈路成本的欄位。而且，在某些實施例中，路由表還包括與路由狀態有關的某些欄位，如路由的新鮮度、或其成功率，並且這些欄位的內容還可以用於確定在轉發數據幀之前的延遲。另一方面，按照本發明的一些網絡支持^LD和/或代理移動性。在該情況下，不能總是依賴具有到所需目的地的預建立路由的鄰域路由器，因為那些路由器或^LD由於先前的傳送可能在網絡中已經移動。因此，在可替換實施例中，當確定與轉發數據幀有關的延遲時，考慮到路由器或^LD設備的可能的移動性是有用的。位置的變化可以通過例如鄰域監視(例如跟蹤鄰居設備的分組)來檢測到。那些分組可以是數據分組或者命令分組，如心跳、鏈路狀態消息、或者關聯/加入/試運行命令。實際上，如果在網絡中，路由器本身已經移動到新^LD的鄰域內，位於該^LD的鄰區內的其它路由器可能已經建立了 ^LD所需的路由，因此執行允許使那些路由器的優先級高於最近移動的路由器的特徵是更有效的。在這方面，最近移動的路由器將轉發延遲的路徑成本相關值設置成最大可能值，並且由此僅在沒有其它路由器代表^LD轉發消息時才代表^LD轉發消息。相反，如果網絡內是^LD移動到新的鄰區，很可能沒有鄰居路由器有到^LD的目的地的路由，因此無論如何將需要建立路由路徑。這樣，延遲新的代理分配沒有意義。在這種情況下，路由器將轉發延遲的路徑成本相關值設置成最小可能值。因此，每個路由器Rl，R2, R3, R4或R5計劃在隨機延遲之後傳送數據分組P。假定路由器R5是與最短延遲有關的路由器。那麼，在超時時，路由器R5利用足夠高以便確保覆蓋兩倍的^LD所覆蓋的普通範圍的功率來傳送分組(PFW)。鄰域的其它路由器，即R1， R2，R3和R4因此將接收到由路由器R5轉發的分組(PFW)，從而它們取消它們計劃的傳送， 以避免數據幀的任何雙重傳送。如前所解釋的，在某些情況下，網絡中的路由器設備代表^LD執行ad-hoc路由發現。例如通過在接收到來自^LD的數據分組之後發送路由請求消息來完成這種發現。該解決方案的缺點是在傳送中引起了附加的延遲，因為由^LD發起的數據幀僅在路由到位之後才被轉發。為了避免該缺點，在可替換的實施例中，代理路由器發送數據幀，該數據幀通過路由請求欄位得到擴展。該代理路由器發送的總消息具有擴展的頭部，其包括所需的路由發現信息。該消息利用廣播方法來發送，並且導致在該代理路由器和^LD的目標設備之間建立路由路徑。本發明通過用於控制網絡(特別是照明控制網絡、建築物自動化和家庭自動化)的
6無電池設備獲得具體有利的應用。設備的示例包括光開關、光遙控、調光器、光傳感器以及存在性檢測器。還可以通過控制網絡(例如ZigBee端設備，即^D)中具有有限能量存儲的電池供電設備獲得應用，以進一步優化它們的操作和增加它們的壽命。在本說明書和權利要求中，元件前面的用詞「一」或「一個」不排除多個這類元件的存在。此外，詞語「包括」不排除除了那些列出來的元件或步驟之外的其它元件或步驟的存在。權利要求中括號內包含參考標記意在輔助理解而非意在限制。根據閱讀本公開內容，其它修改對於本領域技術人員將是明顯的。這種修改會涉及在無線控制網絡領域內已知的其它特徵，這些特徵可以替代本文中已經描述的特徵來使用或者在本文中已經描述的特徵之外來使用。
權利要求
1.一種在包括資源受限端設備以及至少一個路由器設備的網絡中進行無線通信的方法，其中所述方法包括以下步驟一端設備(ZBLD)傳送要被轉發給網絡中的目的地設備的數據幀，一路由器設備(R5)接收該數據幀，一路由器設備將延遲關聯到數據幀並計劃在該延遲之後進行幀的傳送，以及一在路由器設備監聽到數據幀已經被另一路由器設備轉發時，取消所計劃的數據幀的傳送。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述延遲至少部分地以隨機方式來確定。
3.如前述權利要求之一所述的方法，包括以下步驟通過考慮傳送到目的地設備的總路徑成本來確定與轉發數據幀有關的延遲。
4.如前述權利要求之一所述的方法，包括以下步驟通過考慮路由狀態信息，如路由新鮮度、經由該路由轉發的分組數量、或者該路由上的分組成功率來確定與轉發數據幀有關的延遲。
5.如前述權利要求之一所述的方法，其中所述延遲被確定在具有最大值和最小值的範圍內，所述方法包括以下步驟一路由器設備確定該數據幀的目的地設備，一該路由器設備檢查它是否設置了到該目的地設備的預建立的路由，一在該路由器沒有預建立的路由時，將延遲設置為所述範圍的最大值。
6.如前述權利要求之一所述的方法，包括以下步驟在沒有現成路由時，通過進一步考慮可能的路由器/端設備位置變化，來確定與轉發數據幀有關的延遲。
7.如前述權利要求之一所述的方法，包括利用確保覆蓋兩倍的端設備的範圍的傳送功率來轉發數據幀的步驟。
8.如前述權利要求之一所述的方法，包括在轉發數據幀之前路由器設備執行針對目的地設備的路由路徑發現過程的步驟。
9.如前述權利要求之一所述的方法，其中所述轉發數據幀導致到目的地設備的路由路徑的建立。
10.如前述權利要求之一所述的方法，其中轉發的數據幀還包括路由發現信息，並按照路由發現機制在網絡中傳播。
11.一種路由器設備，包括一接收裝置，用於接收來自無線網絡中的端設備的數據幀，一傳送裝置，用於向網絡中的目的地設備轉發數據幀，一計時器，用於在傳送數據幀之前設定延遲，一用於當監聽到數據幀已經被另一路由器設備傳送時取消數據幀的計劃傳送的裝置，一存儲器裝置，用於存儲預建立的路由。
12.一種無線網絡，包括按照權利要求11的至少一個路由器以及至少一個資源受限設
全文摘要
本發明涉及一種在包括資源受限端設備(ZBLD)以及至少一個路由器設備(R5)的網絡中進行無線通信的方法，其中所述方法包括以下步驟端設備(ZBLD)傳送要被轉發給網絡中的目的地設備的數據幀，路由器設備(R5)接收該數據幀，路由器設備將延遲關聯到數據幀並計劃在該延遲之後進行幀的傳送，以及在路由器設備監聽到數據幀已經被另一路由器設備轉發時，取消所計劃的數據幀的傳送。本發明還涉及一種路由器設備以及為此的網絡。
文檔編號H04L12/56GK102318285SQ201080007616
公開日2012年1月11日 申請日期2010年2月10日 優先權日2009年2月13日
發明者萊爾肯斯 A., 埃爾德曼 B., F. 帕斯維爾 W. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司