用於優化至無線網格網絡的節點的數據傳輸的系統和方法

2023-05-10 05:03:46 2

專利名稱：用於優化至無線網格網絡的節點的數據傳輸的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於控制無線網格網絡中的數據分組傳輸的系統和方法。
背景技術：
近來，例如對於照明系統、樓宇自動化、監視應用、傳感器系統和醫療應用的遠程控制而言，無線網格網絡吸引了越來越多的關注。特別地，戶外照明設備的遠程管理，所謂的遙控管理，變得越來越重要。一方面，這是由對環境的考慮所驅使，因為遙控管理系統能夠例如隨著時間、天氣狀況和季節的變化而使用不同的調光模式，以允許更節能地使用戶外照明系統。另一方面，這也是由經濟原因所驅使，因為提高的能源效率還降低了運營成本。此外，所述系統可以遠程監控電力使用並檢測燈故障，這允許確定維修照明設備或替換燈的最佳時間。目前的基於射頻(RF)的無線解決方案使用星型網絡拓撲或者網格網絡拓撲。在星型網絡中，控制中心具有至網絡中的每個節點的直達無線通信路徑。然而，典型地，這需要將高功率/高靈敏度的類似於基站的控制中心放置在高位置處(例如，在樓宇頂部)，這使得所述解決方案難以部署並且昂貴。在網格網絡中，多個節點一般不與控制中心直接通信，而是經由所謂的多跳通信進行。在多跳通信中，經由一個或多個中間節點將數據分組從發送器節點傳輸至目的地節點。節點充當了路由器，以將數據分組從鄰近節點傳輸至那些太遠而不能在單跳中到達的節點，這導致可跨越更大距離的網絡。通過將長距離分成一連串較短的跳，信號強度被維持。因此，由網格網絡的所有節點執行路由，以決定數據分組將被發送至哪個鄰近節點。因此，網格網絡是一種非常魯棒和穩定的網絡，其具有高連通性，因而具有高冗餘和高可靠性。在現有技術中，網格網絡傳輸技術可以分為兩類:基於洪泛(flooding-based)的網格網絡和基於路由的網格網絡。在基於洪泛的網格網絡中，所有數據分組由網絡中的所有節點轉發。因此，節點不必進行複雜的路由決策，而僅僅是對數據分組進行廣播。通過這些手段，所述技術非常魯棒。然而，在大型網絡中，由於轉發而引起的數據開銷將影響總數據速率。此外,數據分組的衝突更有可能發生,從而進一步降低總體性能。因此,這種解決方案的主要問題是可擴展性。基於路由的網格網絡可以被進一步分為主動方案和被動方案。在主動的基於路由的網格網絡中，所有需要的網絡路徑都被存儲在每個節點的路由表中。路由表被保持為最 新的，這例如是通過將定期信標消息發送至鄰近節點以發現高效的路由路徑來進行的。儘管在這種網絡中數據傳輸非常高效，但是可擴展性仍然低下，這是因為，在大型網絡中，路由表的主動更新消耗大部分網絡資源。而且，路由表將隨著網絡規模增大而增長。此外，網絡的建立需要時間和資源以便構建路由表。相反，被動方案通過按需發現路由來避免持久性開銷和大路由表。它們使用洪泛來發現網絡路徑並高速緩存活動路由或節點。當路由幾乎不是僅用於單個數據分組時，用洪泛數據分組來替代執行路由發現可能更高效。如果路由被保持得足夠長以避免頻繁路由，被動方案退化為主動方案。被動的基於路由的網格網絡協議的例子被用在ZigBee中。然而，這種協議方案的主要問題仍然是網絡的可擴展性。在大多數傳感器/致動器網絡中，網絡節點一般只與充當至控制中心的網橋或網關的收集器節點(collector node )進行通信，而收集器節點(或控制中心)是與個體節點或一組節點進行通信的唯一實體。而且，在總數據流量中，一般盛行從節點至控制中心的通信。因此，在這些網絡中，通常從節點至相應收集器節點優化數據分組傳輸，即，底層協議是面向數據收集器的。但是，這些協議僅改善了朝向收集器節點的路徑。為了從收集器節點或控制中心向個體節點傳輸數據，要麼必須在單個節點處存儲附加的大量的路由協議，要麼必須在數據分組中包括精確的路由信息。但是，當使用附加協議時，在節點處需要用於路由表的附加存儲空間，這使得節點和系統更複雜。然而，當在數據分組中包括精確的路由信息時，將造成巨大的數據開銷，這進一步增大了網絡負荷，從而降低了網絡的可擴展性。作為替代，通常使用洪泛。然而，這是一種與個體節點進行通信的極其低效的方式，也導致了增加的網絡流量，因而可擴展性更低。此外，在大規模多跳網絡中，數據分組必須經過的跳數與小型網絡中的跳距(hopdistance)相比是大的。因此，在包括數千節點的大射頻遙控管理系統中，很可能出現20-40跳。然而，個體數據分組的交付機會隨其跳距的增大而減小，這是因為，對於每一跳，都存在數據分組丟失的機會。因此，為了保證數據分組的成功交付，可以在確認模式下傳輸數據分組，在確認模式中，接收器節點在接收到數據分組之後向發送器節點傳輸確認。因為接收器節點大多與收集器節點相對應，所以該確認必須從收集器節點傳輸至發送器節點。然而，相應通信路徑非常低效，如前所述，尤其是當考慮確認的低有效載荷(通常只包括數據分組的類型以及序列號)時。因此，普通無線網格網絡的大缺點一方面是由令人厭煩的配置構成，另一方面則是由極其有限的網絡可擴展性構成。尤其是，RF遙控管理網絡還由於其拓撲結構和大小的緣故而遭受嚴重的過載，這限制了它們的可擴展性。結果，高效的路由協議是在諸如具有大量照明設備節點的街道照明系統之類的大規模無線網絡中從數據收集器到個體網絡節點或一組網絡節點的數據傳輸所需要的，以便實現所需的吞吐量、響應時間以及魯棒性。US 2009/0154395 Al描述了具有層級結構的無線傳感器網絡中的路由，其中所述網絡包括多個簇(cluster)，每個簇具有多個節點和簇頭。簇頭用作相應簇的節點與其它簇的節點之間的網關。

發明內容
鑑於現有技術中的上述缺點和問題，本發明的一個目的在於提供一種用於在無線網絡中傳輸數據分組的系統和方法，其中，從收集器節點至一個或多個網絡節點的數據分組傳輸被改善，而無需附加的路由協議或者增加總網絡負荷。本發明基於的構思是，將從單個節點至收集器節點的高效路由用於反向傳輸的數據分組。為此，接收傳向收集器節點的上行鏈路數據分組的每個節點臨時存儲與數據分組的原始發送器節點相關的信息以及與已從其接收到數據分組的前一傳輸節點相關的信息。在下文中，上行鏈路數據分組指的是從節點朝向收集器節點發送的數據分組，而下行鏈路數據分組指的是從收集器 節點向一個或多個個體節點發送的數據分組。根據本發明的一個方面，提供一種用於控制無線網絡中的數據分組傳輸的系統，所述網絡包括多個節點和可以用作至控制中心的網關的至少一個收集器節點。在節點或收集器節點接收傳向或被尋址到(addressed to)該收集器節點的數據分組時(或之後),該節點或收集器節點將至少關於發送器節點和關於傳輸節點的信息作為反向路由信息存儲預定時間。優選地，在多跳模式下執行無線網格網絡中的數據分組傳輸。因此，如果接收節點不是收集器節點，則接收節點可以是多跳傳輸中的中間節點或轉發節點。發送器節點信息和傳輸節點信息中的至少一個可以被包括在接收的上行鏈路數據分組中。發送器節點信息可以涉及發起數據分組傳輸的節點的地址或其它標識信息。同樣，傳輸節點信息可以涉及從其接收到數據分組的前一節點的地址或標識信息。優選地，在接收節點的路由高速緩存中，發送器節點信息被臨時存儲為目的地節點信息，且傳輸節點信息被臨時存儲為接收節點信息。如果在反向路由信息正被高速緩存的同時接收到傳向上行鏈路數據分組的發送器節點的下行鏈路數據分組，則節點可以使用反向路由信息來轉發下行鏈路數據分組。通過這些手段，可以以與上行鏈路數據分組相反的方向傳輸下行鏈路數據分組。因為，一般而言，上行鏈路傳輸遵循極其高效的路由協議，所以按照這種方式可以改善下行鏈路傳輸，而無需附加的路由協議或者包括在下行鏈路數據分組中的全路由信息。因此，本發明的構思涉及反向路由聞速緩存。無線網絡可以具有網格拓撲，其中每個節點都可以充當路由器。這種網絡增大了冗餘度和可靠性。優選地，無線網絡的節點是固定的，對於大型戶外照明系統而言情況主要就是這樣。可替換地或此外，至少一些節點的位置可以是被網絡的至少一些其它節點所已知的。例如，至少一些節點可以存儲用於至最近收集器節點的上行鏈路傳輸的路由表。對於上行鏈路傳輸，用於至收集器節點(「信宿」)的數據分組傳輸的路由協議可以是基於信宿距離向量路由(sink-distance vector routing)的，也稱作多至一路由。因此,數據分組被傳輸至更靠近收集器節點之一的鄰近節點。通過這些手段，數據分組傳輸變得更快且更高效。此外，這也允許在例如具有超過1000個的大量節點的大型無線網格網絡中省卻大量的收集器節點。可替換地或此外，可以在每個節點處存儲路由表，包括用於將上行鏈路數據分組轉發至最近收集器節點的路由信息。上行鏈路數據分組可以包括與檢測的事件、傳感器數據和狀況數據中的至少一個相關的報告數據。例如，在照明系統中，照明設備節點可以定期地報告功率狀況、光傳感器所檢測的環境亮度、操作狀況等。優選地，接收節點存儲反向路由信息的高速緩存時間(即預定時間)取決於該接收節點。例如，與靠近收集器節點的節點相比或者與收集器節點自身相比，靠近發送器節點的節點可以將反向路由信息存儲更長時間。因此，高速緩存時間可以取決於相應節點至收集器節點的距離，例如取決於跳距。在一個例子中，節點的高速緩存時間超過平均往返時間(即，將接收的上行鏈路數據分組從該節點轉發至收集器節點所需的時間加上經由相同中間節點從該收集器節點接收該上行鏈路數據分組的確認所需的時間)。然而，高速緩存時間可以被選擇得足夠短，使得不需要大的路由高速緩存，這是因為這在許多無線設備中也許是不可能的。因此，反向路由信息的壽命可以較短。此外，路由高速緩存的尺寸可以依據節點而改變。優選地，路由高速緩存大得足以可以同時高速緩存與多於一個的發送器節點相對應的反向路由信息。反向路由信息被保持在節點中的預定時間可以開始於創建反向路由信息之時。可替換地，預 定時間開始於節點已轉發傳向發送器節點A的下行鏈路數據分組之時。通過這些手段，在已使用反向路由信息傳輸第一下行鏈路數據分組之後，反向路由在所述預定時間內仍然開放或者可用。當隨後從收集器節點向相同發送器節點A發送若干數據分組時，這可能尤其有用。可能地，在上行鏈路數據分組中包括指示是否要存儲反向路由信息的數據欄位。優選地，如果該數據欄位指示要存儲或者如果在上行鏈路數據分組中包括該數據欄位，節點才存儲反向路由信息。因此，如果在上行鏈路數據分組中不包括該數據欄位，則可以不必存儲反向路由信息。也可以通過指定反向路由信息要被存儲多長時間來指示存儲反向路由信息的需求。這可以通過在上行鏈路數據分組或下行鏈路數據分組中包括高速緩存時間(即預定時間)來實現，例如如果該預定時間以使用反向路由信息轉發下行鏈路數據分組作為開始。可替換地，接收上行鏈路數據分組的節點可以適於，通過將在該上行鏈路數據分組中指定的預定時間乘以其至收集器節點的跳距來確定其用於存儲反向路由信息的個體高速緩存時間。此外或可替換地，節點可以存儲包括特定發送器節點A的發送器節點信息的反向路由信息，直到該節點接收到包括擦除信息或擦除命令並且傳向該發送器節點A的下行鏈路數據分組為止。當接收到傳向發送器節點A並包括擦除信息的下行鏈路數據分組時，該節點可以在使用反向路由信息轉發了該下行鏈路數據分組之後刪除與該發送器節點A相對應的反向路由信息。例如，當一批下行鏈路數據分組必須被傳輸至發送器節點A時，必須通過該反向路由的最後一個分組可以包括擦除消息，以便釋放傳輸節點的路由高速緩存。通過這些手段，可以保證反向路由保持開放，直到最後一個下行鏈路數據分組通過為止，同時反向路由信息沒有被保持不必要的長久。在另一修改中，通過反向路由的下行鏈路數據分組可以包含一數據欄位，向傳輸節點指示反向路由信息是否必須進一步被保持和/或反向路由信息必須進一步被保持多長時間。這在收集器節點向發送器節點A發送多個數據分組的情況下尤其有用。在另一實施例中，已接收到要被轉發至發送器節點A的下行鏈路數據分組的節點可以基於與該發送器節點A相對應的反向路由信息的可用性來選擇傳輸模式。例如，如果在該節點處反向路由信息不再可用，則該節點可以使用洪泛等來轉發下行鏈路數據分組。洪泛可以包括跳計數約束，即，洪泛可以被限制於網絡的特定區域。這可以基於節點至發送器節點A的距離。因此，可以從中間節點處的反向路由信息不可用的點(例如從收集器節點至發送器節點A的下行鏈路傳輸的中途的點)開始使用諸如洪泛之類的其它傳輸模式。在優選實施例中，收集器節點適於在預期要從節點接收上行鏈路數據分組的情況下延遲下行鏈路數據分組至該節點的傳輸。當在接收到上行鏈路數據分組之後傳輸下行鏈路數據分組時，在收集器節點和中間節點處高速緩存的反向路由信息可以用於傳輸下行鏈路數據分組。因此，可以經由已轉發過上行鏈路數據分組的相同中間節點來從收集器節點向所述上行鏈路數據分組的發送器節點傳輸下行鏈路數據分組。因而，相同傳輸路徑可以用於上行鏈路和隨後的下行鏈路的傳輸。優選地，收集器節點將發送器節點信息作為目的地節點信息包括在下行鏈路數據分組中並將該下行鏈路數據分組傳輸至收集器節點已經從其接收到上行鏈路數據分組的中間節點。同樣，接收下行鏈路數據分組的每個中間節點可以將在下行鏈路數據分組中包括的目的地節點信息與存儲的發送器節點信息進行比較。如果存儲的發送器節點信息等同於下行鏈路數據分組的目的地節點信息，則節點可以將該下行鏈路數據分組轉發至與關聯 於所述存儲的發送器節點信息的存儲的傳輸節點信息相關的下一中間節點。
優選地，收集器節點僅延遲時間不重要或延遲容忍的數據分組。延遲時間(即收集器節點將下行鏈路數據分組的傳輸延遲的時間)可以取決於該下行鏈路數據分組。例如，收集器節點可以適於確定下行鏈路數據分組的傳輸的緊迫度並相應地設置最大延遲時間。下行鏈路數據分組可以包括例如從發送器節點接收的上行鏈路數據分組的確認。此外或可替換地，下行鏈路數據分組可以包括所請求的數據和/或其它數據，例如協議的更新、時間表等。在優選實施例中，下行鏈路數據分組和所接收的上行鏈路數據分組的確認被作為一個數據分組進行傳輸。因為確認具有大數據開銷，尤其是當考慮其低有效載荷時，所以可以通過將確認與必須被發送至相同節點的其它數據相結合來減少數據開銷。這也稱作搭載(piggybacking)。然而，在一些情況下，可能需要將下行鏈路數據分組與上行鏈路數據分組的確認分離地進行傳輸。在這種情況下，只要在上行鏈路傳輸期間創建的反向路由仍然可用，就應該傳輸下行鏈路數據分組和確認。因此，可以剛好在傳輸上行鏈路數據分組的確認之前或之後傳輸下行鏈路數據分組。在另一實施例中，收集器節點可以適於，向一個或多個節點傳輸觸發消息，以便創建相應反向路由信息。例如，觸發消息可以涉及這樣的通知消息:收集器節點處數據可用。觸發消息可以被作為廣播而被發送至所有節點，或者被作為多播而被發送至一組節點。觸發消息可以在洪泛模式下傳輸，其中所有節點向除了從其接收了消息的傳輸節點之外的每個鄰近節點轉發該消息。在接收到觸發消息之後，節點可以在該觸發消息中所指定的時間間隔內向收集器節點發送數據請求。優選地，數據請求的上行鏈路傳輸被執行為路由的單播傳輸。響應於來自節點的數據請求，收集器節點可以使用高速緩存的反向路由信息而經由數據請求的反向路由來傳輸所請求的數據。通過這些手段，可以省卻用於向每個單個節點傳輸數據的洪泛單播傳輸，從而避免過度的網絡負荷。此外，通過在觸發消息中包括接收觸發消息的節點必須傳輸其數據請求的時間間隔，數據流量可以相對於時間而成形。優選地，節點隨機地選擇所指定的時間間隔內的時隙，用於傳輸其數據請求。通過這些手段，貫穿所述時間間隔，多個節點的數據請求可以被均勻地執行。因此，可以避免收集器節點處的數據請求風暴以及在收集器節點處或其鄰近位置處網絡的結果開銷。因此，可以防止數據分組衝突和隨後的數據分組丟失。如果一組節點將一起被更經常地尋址(addressed)，則可以通過例如在洪泛模式下傳輸廣播消息來創建多播組。例如，需要相同固件更新或將接收相同觸發消息的節點可以被分組為多播組。用於創建多播組的廣播消息可以包括相應節點的地址和多播組地址。替代節點地址或組地址，其它標識信息也可以用於尋址該節點或組。因此，其地址(或標識信息)被包括在廣播消息中的那些節點可以存儲多播組地址(或多播組的標識信息)，使得它們作為多播組的成員而被尋址。在可替換實施例中，至少一個多播組地址和/或至少一個節點地址被包括在觸發消息中。因此，觸發消息可以被洪泛，但是只有被尋址的節點可以向收集器節點發送數據請求。這個方法可能是有利的，如果觸發消息傳向的節點在這個組合中將不再被使用或者只是極少被使用的話。可能地，觸 發消息必須被分為若干子批，例如，如果節點地址的數目超過了觸發消息的可用有效載荷的話。於是，觸發消息的每個子批可以包括不同節點地址。所述子批可以被順序地處理，即一個接一個地。這意味著，在收集器節點從已在觸發消息的前一子批中被尋址的所有節點接收到數據請求之後，將傳輸觸發消息的後續子批。可替換地，收集器節點甚至可以延遲下一子批的傳輸，直到已通過向相應節點傳輸所請求的數據答覆了前一子批的所有數據請求為止。根據本發明的系統尤其適用於照明系統，這是因為在所述系統中，大多數數據流量是從照明設備節點傳向收集器節點(N:1流量)，而從收集器節點至照明設備節點的傳輸(1:N流量)不那麼經常發生。由於反向路由高速緩存，所以可以改善從收集器節點至其它節點的數據分組傳輸，同時保持系統在網絡建立和維護上簡單。因此，在優選實施例中，至少一些節點和/或收集器節點與照明系統的照明設備節點相關聯。此外，根據本發明的系統可以用在照明系統的遙控管理中，例如，用於開/關照明設備節點、用於控制照明設備節點的調光模式和/或用於從照明設備節點報告數據。將根據本發明的系統用於照明系統的遙控管理將導致具有高可擴展性的高性能照明系統。根據本發明的另一個方面，提供一種用於無線網格網絡的節點的設備，所述網絡包括多個節點和至少一個收集器節點。所述設備使得相應節點在接收到傳向收集器節點的上行鏈路數據分組時或之後能夠將至少發送器節點信息和傳輸節點信息作為反向路由信息存儲預定時間。所述設備可以與節點相關聯，或者可安裝在節點中。此外，所述設備可以使節點能夠執行以上針對系統提及的其它功能的至少一些。根據本發明的再一個方面，提供一種用於控制無線網格網絡中的數據分組傳輸的方法，所述網絡具有至少一個收集器節點和多個節點。當向收集器節點傳輸上行鏈路數據分組時，已接收到該上行鏈路數據分組的節點或該收集器節點將至少發送器節點信息和傳輸節點信息作為反向路由信息存儲預定時間。通過這些手段，用於從收集器節點至上行鏈路數據分組的發送器節點的下行鏈路傳輸的反向路由可以被高速緩存。


在附圖中:
圖1示出無線網格網絡的例子；
圖2示出無線網格網絡中的多跳傳輸；
圖3示意性地示出洪泛多播傳輸；
圖4A-C示出反向路由高速緩存；
圖5示出延遲下行鏈路數據分組的傳輸的過程；
圖6A示例性地示出確認數據分組的結構；
圖6B示例性地示出包括其它數據的確認數據分組；
圖7示出響應於觸發消息而請求下行鏈路數據的過程；以及 圖8示出響應於觸發消息而請求下行鏈路數據的另一過程。
具體實施例方式本發明的優選應用是致動器網絡、傳感器網絡或諸如(例如，用於街道、公園和公共區域的)戶外照明系統和用於一般區域照明(例如，用於商場、競技場、停車場、車站、隧道等)的室內照明系統之類的照明系統。在下文中，將進一步使用用於街道照明的戶外照明系統的例子來說明本發明 ，但是本發明不限於這種應用。在照明控制領域，經由射頻網絡技術的戶外照明設備的遙控管理受到越來越多的關注，尤其是具有針對具有超過200個照明設備的段的大規模裝置的實用性的解決方案。在圖1中，示出了具有網格拓撲的典型網絡。多個節點10 (N)彼此經由無線通信路徑40相連。節點10中的一些用作收集器節點50 (N/DC)，收集器節點50經由單跳傳輸或多跳傳輸從周圍節點10接收數據分組並向控制中心60傳輸它們，反之亦然。因此，收集器節點50可以按照處於節點10與控制中心60之間的網關的方式來操作。可選地，收集器節點自己可以充當控制中心。節點10與收集器節點50之間的無線通信路徑40可以通過RF傳輸來構建，而收集器節點50與控制中心60之間的連接70可以利用網際網路、移動通信網絡、無線電系統或其它有線或無線數據傳輸系統。因此，節點10和收集器節點50包括用於經由無線通信路徑40 (例如，經由RF傳輸)來傳輸或接收數據分組的收發單元。因為RF傳輸不需要高傳輸功率並且易於實現和部署，所以可以降低使用設備來設立和操作網絡的成本。對於大型RF網絡，例如用於照明系統的RF遙控管理網絡，這尤其重要。然而，可替換地，數據分組傳輸可以使用紅外通信、自由空間可見光通信或電力線通信。在下文中，從節點10傳輸至收集器節點50的數據分組稱作上行鏈路數據分組，而從收集器節點50傳輸至一個或多個節點10的數據分組被表示為下行鏈路數據分組。此外，當數據分組被尋址至Ij (addressed to)網絡的所有節點10時,這稱作廣播,而傳向一組節點10的數據分組稱作多播或組播數據分組。傳向單個節點10的數據分組被表示為單播數據分組。在用於照明控制的遙控管理系統中，照明設備節點10的數量極其大。因此，網絡規模非常大，尤其是當與典型地包含少於200個節點的普通無線網格網絡相比時。此外，典型地，節點10由於成本考慮而具有有限的處理能力，使得照明設備節點10的處理和存儲器資源將受限。因此，用於在單個節點10之間傳輸數據分組的通信協議應該考慮用於高效和快速的分組數據傳輸的有限資源。此外，與其它所謂的自組織(ad-hoc)網格網絡相比，用於戶外照明控制網絡的遙控管理系統是固定的，即，節點10不移動。此外，所有節點10都可以連接至市電電源。因此，網絡變化主要由變化的環境導致，例如由於流量導致。如果節點10是固定的，則節點10的物理位置(例如GPS坐標)可以在系統中是已知的，從而實現地理的或基於位置的路由。此外，戶外照明系統的遙控管理不需要高數據吞吐量。這意味著，數據流量中的大部分包括時間不重要的數據分組，例如，狀態報告數據、統計數據、時間表更新等。此外，在諸如街道照明系統之類的照明系統中，通信非常不對稱。大多數流量由照明設備節點10產生，例如，向控制中心60報告它們的狀態、它們的調光輪廓、傳感器值或功率使用。其它流量包括從控制中心60到不同節點10的控制命令，例如用於調整調光模式或開燈/關燈的控制命令。從控制中心60或數據收集器50到節點10的流量包括在單播、多播或者在廣播模式下的1:N流量。然而，大多數流量由從節點10至控制中心60或相應收集器節點50的上行鏈路傳輸中的N:1流量(單播)構成。因此，對於這種系統而言，有利的是優化上行鏈路傳輸。在圖2中，示出了被多個節點10包圍的收集器節點50，圖示了經由多個中間節點
N1......Ni從發送器節點A至收集器節點50的多跳單播數據傳輸。節點10具有至收集器
節點50的不同跳距，如界限501、界限502和界限503所示。例如，在界限501內但在界限502外的節點A需要三跳A7、 h2和A 來將上行鏈路數據分組傳輸至收集器節點50，即，必須經由中間節點NI和中間節點N2將上行鏈路數據分組從該節點A傳輸至收集器節點50。與此不同，在界限502內但在界限502外的節點10可以在兩跳內將它的上行鏈路數據分組傳輸至收集器節點50。因此，可以針對每一對發送器節點A與收集器節點50來定義跳距。對於從照明設備節點10至收集器節點50的數據分組傳輸(上行鏈路)，優選地利用信宿距離向量路由，其中每個節點10將更靠近收集器節點50之一的鄰近節點10選作中間節點
10。這裡，可以採用主動路由結構，這是因為至收集器節點50的路由被定期地使用。在主動路由結構中，路由表被存儲在每個節點10中，以指示哪個鄰近節點10更靠近收集器節點50之一。因此，可以以非常高效和快速的方式將數據分組發送至最近的收集器節點50。有利地，每個節點10將關於多個下行鏈路鄰近節點10的信息保持為備選路由，以便增加可靠性。如果一個鄰近節點10由於強幹擾或完全失效而不可達到，則路由協議具有用於將數據分組路由至收集器節點50的附加備選方案。這樣的面向收集器的協議是簡單的並且還可適用於大型無線網格網絡。而且，它們具有低協議開銷，從而降低了網絡負荷。雖然對於上行鏈路而言，值得使用高效的面向收集器的路由協議，但是因為下行鏈路路徑使用頻率低得多，所以下行鏈路路徑的創建或維持的成本將大得多。因此，通過洪泛將下行鏈路數據分組從收集器節點50傳輸至一個或多個目的地節點B，如圖3所示。在洪泛過程中，數據分組被轉發至網絡中的所有照明設備節點10 (見箭頭)，但是只有目的地節點B (有陰影的圓圈，其節點地址被包括在洪泛數據分組中)對所述數據分組進行解碼。這種洪泛方法可以被用於單播、多播或廣播下行鏈路數據分組。因此，在具有這些特定的上述通信特性的系統中，用於下行鏈路傳輸的洪泛協議可以與用於上行鏈路傳輸的面向收集器的路由協議相結合。通過這些手段，可以在使系統提供用於高效數據傳輸的手段的同時將所述系統保持得儘可能地簡單。然而，洪泛顯著地增加了網絡負荷，因此，是一種用於傳輸單播或多播的數據分組的非常低效的方式。因此，根據本發明的優選實施例，上行鏈路傳輸的高效路由路徑用於隨後的下行鏈路傳輸，以便提高下行鏈路傳輸的效率。為此，反向路由信息被高速緩存或者臨時存儲，例如，標識發送器節點A的信息以及標識從其接收到上行鏈路數據分組的前一傳輸節點的信息。例如，如圖4A所示，上行鏈路數據分組在多跳模式下被從發送器節點A經由中間節點NI和N2 (實線箭頭)傳輸至收集器節點50。圓弧502和503再次指示從相應節點10至收集器節點50的跳距，而虛直線箭頭指示用於傳輸上行鏈路數據分組的備選路由。每個中間節點Ni和收集器節點50在接收上行鏈路數據分組時存儲相應的反向路由信息。在一個例子中，反向路由信息被存儲在路由表中，如圖4B所示。因此，當節點10接收傳向收集器節點50的上行鏈路數據分組時，節點10相應地將發送器節點信息和傳輸節點信息分別存儲為目的地節點信息和下一節點信息。由於節點10中的有限的存儲器空間或路由高速緩存，反向路由信息只被短時間存儲，使得其可以只被用於上行鏈路數據分組的即刻回復或確認。因此，當節點10接收要轉發的下行鏈路數據分組時，節點10將在下行鏈路數據分組中包括的目的地節點信息與在節點10的路由高速緩存中存儲為反向路由信息的目的地節點信息相比較。如果確定與所述下行鏈路數據分組的目的地節點相對應的目的地節點信息可用，則獲取相應的下一節點信息，以便將下行鏈路數據分組轉發至與下一節點信息相對應的下一節點10。在圖4C中，針對圖 4A的例子，示出了在相應節點處存儲的反向路由信息。因此，在節點NI從發送器節點A接收到傳向收集器節點50的上行鏈路數據分組之後，節點NI將節點A的地址或其它標識信息存儲為目的地節點信息和下一節點信息，這是因為對於節點NI而言，節點A既是原始發送器節點，也是傳輸節點。然後，節點NI根據信宿距離向量路由協議將所述上行鏈路數據分組轉發至下一節點N2。在從節點NI接收到所述上行鏈路數據分組之後，節點N2在其路由高速緩存中將節點A的地址存儲為目的地節點信息並將節點NI的地址存儲為下一節點信息。接下來，節點N2將所述上行鏈路數據分組轉發至收集器節點50，收集器節點50將節點A的地址高速緩存為目的地節點信息並將N2的地址高速緩存為下一節點信息，以進行至節點A的下行鏈路傳輸。例如，如果上行鏈路數據分組必須被收集器節點50確認，則現在可以通過使用在相應節點處存儲的反向路由信息來按照與上行鏈路數據分組相反的方向發送確認(如圖4A的虛曲線箭頭所示)。因此，收集器節點50將針對包括與節點A相對應的目的地節點信息的反向路由信息而檢查其路由高速緩存。如果存在與確認的目的地節點(即，節點A)相對應的目的地節點信息，則反向路由信息的相應下一節點信息用於向所述相應下一節點10傳輸確認。在所給出的例子中，收集器節點50將傳向目的地節點A的確認轉發至中間節點N2。同樣，中間節點N2將針對與確認的目的地節點A相對應的反向路由信息而檢查其路由高速緩存。如果仍存在與存儲在N2處的節點A相對應的目的地節點信息，則中間節點N2將確定的是，根據下一節點信息，確認必須被轉發至中間節點NI。對於節點NI而言，目的地節點信息和下一節點信息將相同，即，二者都將與節點A相對應。因此，中間節點NI將確認傳輸至目的地節點A。換句話說，朝向收集器節點50轉發上行鏈路數據分組的每個節點10都在其路由高速緩存中存儲條目，其中，將分組始發者節點作為目的地節點且將最後向接收節點10傳輸上行鏈路數據分組的節點10作為朝向該目的地節點的下一轉發節點。當然，相同方法可以應用於其它種類的下行鏈路數據分組，並且不限於確認的傳輸。通過這些手段，朝向網絡節點10的反向路由可以被高速緩存預定時間。因此，當節點10發起通信時，可以只優化從收集器節點50朝向個體節點10的通信路徑。因為在具有數千資源受限的節點10的大規模網絡中，只有一小部分用於下行鏈路傳輸的反向路由可以被高速緩存，所以會導致反向路由的有限壽命。反向路由被高速緩存在節點10的時間間隔可以取決於相應節點10。例如，時間間隔的長度可以設置為對應於相應節點10與收集器節點50的接近度。因此，與遠離收集器節點50的節點10相比，靠近收集器節點50的節點10可以將反向路由信息高速緩存較短時間間隔。這特別有利，原因在於，靠近收集器節點50的節點10會更頻繁地參與到向收集器節點50轉發上行鏈路數據分組，因此不得不高速緩存多得多的反向路由。相反，遠離收集器節點50的節點10在上行鏈路傳輸中將不那麼經常被用作轉發節點。此外，對於靠近收集器節點50的節點10而言，將數據分組轉發至收集器節點50並使用反向路由信息從收集器節點50接收要被轉發的後續的數據分組平均所需要的時間要短得多。因此，靠近收集器節點50的節點10的高速緩存時間間隔無需與遠離收集器節點50的節點10的高速緩存時間間隔一樣長。優選地，高速緩存時間至少與從相應節點10向收集器節點50傳輸上行鏈路數據分組並從數據收集器50接收立即返回的確認所需要的時間一樣長。因此，高速緩存時間可以至少是從相應節點10至收集器節點50以及從收集器節點50返回所述相應節點10的往返所平均需要的時間。可以例如通過保持計數器，而 從相應節點10自身在確認模式中向收集器節點50發送的單播消息獲知該往返時間。開始時，往返時間可以被設置為高默認值，但是當在節點10處更精確地確定往返時間時，可以降低所述往返時間。為了更高效地利用反向路由高速緩存，收集器節點50可以高速緩存至節點10的下行鏈路數據分組，如果不久後諸如預定數據報告等之類的定期上行鏈路數據分組預期來自該節點10的。數據分組的高速緩存器時間或延遲可以取決於上行鏈路數據分組的時間敏感性。例如，如果上行鏈路數據分組是時間不重要的或者延遲不敏感的，則與時間重要的數據分組相比，上行鏈路數據分組可以被延遲較長時間。高速緩存下行鏈路數據分組的這個方法尤其有益於向照明系統的照明設備節點10傳輸新的開/關時間表。新時間表可以在白天創建，但是不需要被立即傳輸，這是因為它們通常在天黑時才開始生效。因此，時間表可以被存儲在收集器節點50處，直到已從相應照明設備節點10接收到上行鏈路數據分組為止。然後，可以使用反向路由信息將新時間表作為下行鏈路數據分組傳輸至照明設備節點10。這避免了通過向個體照明設備節點10進行洪泛的高成本單播通信。在圖5中，示出了該過程的另一例子。這裡，在確認模式下執行上行鏈路數據傳輸，即，從目的地節點向發送器節點返回確認。因此，在收集器節點50從節點I接收到上行鏈路數據分組之後，只要反向路由仍然可用，收集器節點50就將確認ACK向回傳輸到節點I。當收集器節點50把下行鏈路數據發送至節點I時，收集器節點50可以將下行鏈路數據分組高速緩存預定時間。如果之後從節點I接收到上行鏈路數據分組，則收集器節點50向節點I傳輸上行鏈路數據分組的確認和高速緩存的下行鏈路數據分組。這裡，可以經由上行鏈路數據分組的反向路由將下行鏈路數據分組和確認作為一個組合的下行鏈路數據分組進行傳輸，以節約網絡資源。可替換地，例如，如果分組大小太大，則在至節點I的反向路由可用的時間段內，可以一個接一個地單獨地發送下行鏈路數據分組和確認。因此，也可以在傳輸確認之前或之後立即傳輸下行鏈路數據分組。在所有情形下，反向路由仍然可用，使得可以經由上行鏈路數據分組已通過的相同中間節點將組合的數據分組或者確認和下行鏈路數據分組向回傳輸到節點I。如前所述，該方法也適用於非確認傳輸模式。在圖6A中，舉例說明了確認數據分組的結構。一般而言，確認數據分組需要全報頭開銷(header overhead),即，關於確認必須被發送至的目的地節點的信息。然而，確認不需要太多有效載荷，這是因為其通常只包括確認數據分組的身份信息，例如分組類型和序列號。因此，儘管全物理層(PHY)、MAC層和網絡層的報頭開銷是確認所需要的，但是確認不包括太多有效載荷，從而讓數據分組的剩餘傳輸容量空著。因此，報頭開銷與有效載荷之比對確認而言是不利的，從而降低了網絡效率。為了更高效地使用報頭開銷，可以用也必須被發送至目的地節點的其它數據來填充確認數據分組，如圖6B所示。例如，如上所述，可以將確認與高速緩存的下行鏈路數據分組結合。通過這些手段，網絡負荷可以被降低，因為報頭開銷只被需要一次。這也稱作搭載。在圖7中，圖示了利用反向路由高速緩存的另一過程。這裡，收集器節點50處的數據可用，比如，新照明時間表、固件更新、調光模式或針對一個或多個照明設備節點10的其它配置信息。替代對包括數據的單播、多播或廣播的數據分組進行洪泛，收集器節點50對指示收集器節點50處的數據可用的觸發信息進行洪泛。取決於數據是應該被傳輸至網絡的單個節點10、一組節點10還是所有節點10，洪泛的觸發消息可以是單播、多播或廣播的數據分組並且包括相應的尋址。通過這些手段，節點10被觸發來從收集器節點50請求數據，以便創建臨時反向路由。因 此，替代使用η個低效的洪泛的單播從收集器節點50向η個節點10傳輸將跟著η個(高效的)確認的數據，只有一個觸發消息被洪泛以便從所述η個節點10觸發η個高效數據請求，這些數據請求中的每一個實現了具有包括所請求數據的下行鏈路數據分組的高效回復。因此，只有一個洪泛的多播(或廣播)和2η個單播是將更新加載到η個單個節點10所需要的。在圖7中，多播觸發消息包括指示給目的地節點10的時間間隔，在該時間段內，數據請求應該被傳輸至收集器節點50。在所給出的例子中，觸發消息包括具有六個請求時隙的時間間隔。多播觸發消息中所尋址的每個節點10隨機地選擇時隙並在所選時隙內向數據收集器50傳輸數據請求。響應於數據請求，收集器節點50向相應節點10返回用於交付所請求數據的下行鏈路數據分組。通過隨機地選擇在觸發消息中指定的時間段內的時隙，可以避免擁塞和分組衝突。如果更新數據應該被傳輸至還未處於多播組中的節點10，則必須首先創建多播組。這可以通過洪泛包括應該被含在新多播組中的相應節點10的網絡地址或其它標識信息的廣播消息來進行。然而，因為這將導致大量網絡流量，所以如果新產生的多播組將來被再次使用，這個過程才有利。對於只必須被尋址一次的一組節點10而言，可能更可取的是在觸發消息中包括相應節點10的網絡地址(或標識信息)。因為數據分組的可用有效載荷有限(見圖6)，例如在IEEE 802.15.4數據分組中的20-25個4位元組地址，所以觸發消息只能包括有限數目的節點地址。如果節點10的數目太大，則觸發消息可以被分為多個子批，每個子批包括不同節點地址和被尋址的節點10不得不發送其數據請求的時間間隔。這在圖8中進行了圖示。在所示例子中，收集器節點50將第一子批觸發消息作為洪泛的多播發送至節點1、2和3，節點1、2和3包括具有第一子批的六個請求時隙的時間間隔。節點1、2和3隨機地選擇所述六個請求時隙之一併相應地傳輸其數據請求。在從節點10接收到數據請求之後，收集器節點50使用所述數據請求的反向路由向相應節點10傳輸所請求的數據，如前所述。然後，對於其它子批，重複相同過程。優選地，在收集器節點50已經回復了前一子批的最後一個數據請求之後，傳輸下一子批觸發消息。通過這些手段，收集器節點50並非必須等待直到前一子批的總時間間隔逝去為止，而是它可以在前一子批的最後一個節點請求了其數據分組之後立即開始傳輸下一子批觸發消息。因為一個子批的節點10隨機地選擇在觸發消息中指定的時間間隔內的請求時隙並且因為不同子批的數據請求不重疊，所以可以避免收集器節點50處及其周圍的數據衝突，從而防止數據丟失和擁塞。因此，根據本發明，應用或傳輸層協議被適應性調節，以便有效地使用底層聯網協議，例如，使用跨層通信。通過組合兩個簡單協議，即洪泛和信宿距離向量路由，提供了用於無線網絡中的數據傳輸的系統和方法，其中，從收集器節點的下行鏈路數據傳輸被優化。這是通過沿著上行鏈路傳輸路由在節點中臨時存儲反向路由信息來實現的。通過在上行鏈路數據分組被預期時在收集器節點處延 遲下行鏈路分組的傳輸，或者通過觸發個體節點以傳輸數據請求，這個原理甚至可以被進一步利用。此外，當上行鏈路數據分組必須被收集器節點確認時，可以在確認數據分組中包括其它數據。通過這些手段，網絡資源可以被更高效地利用，從而增加網絡的可擴展性。
權利要求
1.一種用於控制無線網格網絡中的數據分組傳輸的系統，包括: 至少一個收集器節點(50);和 多個節點(10)； 其中，接收被尋址到收集器節點(50)的上行鏈路數據分組的節點(10)和/或收集器節點(50)適於將至少發送器節點信息和傳輸節點信息作為反向路由信息存儲預定時間。
2.根據權利要求1的系統，其中，使用反向路由信息經由上行鏈路數據分組路由的反向路由來從收集器節點(50)向發送器節點(A)傳輸下行鏈路數據分組。
3.根據權利要求1或2的系統，其中當預期來自發送器節點(A)的上行鏈路數據分組時，收集器節點(50)適於對下行鏈路數據分組至發送器節點(A)的傳輸進行延遲，直到所述上行鏈路數據分組被接收為止。
4.根據前述權利要求中任一項的系統，其中，反向路由信息被存儲在節點(10)處的所述預定時間取決於該節點(10)至收集器節點(50)的距離。
5.根據前述權利要求中任一項的系統，其中，接收下行鏈路數據分組的節點(10)適於基於反向路由信息的可用性來選擇用於轉發下行鏈路數據分組的傳輸模式。
6.根據前述權利要求中任一項的系統，其中，上行鏈路數據分組包括指示反向路由信息是否要被存儲和/或指示反向路由信息要被存儲的所述預定時間的數據欄位。
7.根據前述權利要求中任一項的系統，其中，節點(10)適於存儲反向路由信息，直到接收到要被轉發至發送器節點(A)並包括擦除信息的下行鏈路數據分組為止。
8.根據前述權利要求中任一項的系統，其中，下行鏈路數據分組和上行鏈路數據分組的確認被作為一個數據 分組傳輸至發送器節點(A)，或者其中，在傳輸上行鏈路數據分組的確認之前或之後的預定時間間隔內，下行鏈路數據分組被單獨傳輸。
9.根據前述權利要求中任一項的系統，其中，收集器節點(50)適於向一個或多個節點(10)廣播和/或多播觸發消息。
10.根據權利要求9的系統，其中，已接收到所述觸發消息的節點(10)適於隨機地選擇在所述觸發消息中指定的時間間隔內的時隙，以用於向收集器節點(50)發送數據請求。
11.根據前述權利要求9或10中任一項的系統，其中，所述觸發消息被分為若干子批，每個子批包括不同節點地址，並且其中所述子批被順序地處理。
12.一種用於無線網格網絡的節點(10)的設備，所述網絡包括多個節點(10)和至少一個收集器節點(50)，其中，所述設備適於，在已接收到傳向收集器節點(50)的上行鏈路數據分組之後，將至少一個發送器節點信息和傳輸節點信息作為反向路由信息存儲預定時間。
13.根據前述權利要求中任一項的系統，其中，至少一些節點(IO)和/或收集器節點(50)與照明系統的照明設備相關聯。
14.根據權利要求13的系統，其中，所述系統用在用於開/關和/或控制照明設備節點(10)的調光模式和/或用於報告傳感器數據和/或照明設備狀態數據的照明系統的遙控管理中。
15.一種用於控制無線網格網絡中的數據分組傳輸的方法，所述網絡包括至少一個收集器節點(50 )和多個節點(IO )，其中，所述方法包括以下步驟: 在節點(10)處或在收集器節點(50)處接收被尋址到收集器節點(50)的上行鏈路數據分組；以及將至少發送器節點信息和傳輸 節點信息作為反向路由信息存儲預定時間。
全文摘要
為了改善從收集器節點至一個或多個網絡節點的數據分組傳輸而沒有附加路由協議或總網絡負荷的增加，提供了一種系統和方法，其中，接收被尋址到收集器節點的上行鏈路數據分組的節點和/或收集器節點適於將至少發送器節點信息和傳輸節點信息作為反向路由信息存儲預定時間。
文檔編號H04W40/24GK103222241SQ201180057010
公開日2013年7月24日 申請日期2011年11月10日 優先權日2010年11月25日
發明者D.M.戈爾根, J.埃斯皮納佩雷滋, T.C.W.申克, O.加西亞莫喬恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司