專利名稱：用于數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的制作方法
用于數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
本發(fā)明涉及適于使多數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)接收器互連的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。
對在某一區(qū)域移動并配備有在計算和記憶方面高性能的、且能夠收 集、處理及共享通過大量的設(shè)置在戶外環(huán)境中的低成本傳感器收集到的環(huán)
境數(shù)據(jù)的移動用戶的機會(叩portunistic )利用目前在情境式自主通信 (Situated Autonomic Communication)的研究領(lǐng)域得到了高度的注意。已i人識 到，這樣的游牧(nomadic)方式具有為了私人用戶和公共用戶兩者的利益而 為位置/環(huán)境感知應(yīng)用和服務(wù)的大規(guī)模部署的引入創(chuàng)造條件的潛力。而且這 樣的通信范例(paradigm)解決了公知的基于多跳路由體系結(jié)構(gòu)固有的可 測量性(scalability)和成本問題。
本申請人的歐洲專利申請EP 05001930.6和EP 05008909.3目標定位在 能夠解決這些挑戰(zhàn)的新穎的方法。自然與社會展示了系統(tǒng)的許多例子，在 這些系統(tǒng)中，眾多的人口能夠達到有效的平衡并發(fā)展有效的協(xié)作和生存戰(zhàn) 略，能夠在沒有中心控制的情況下工作并能夠利用局部相互作用。本發(fā)明 旨在提供全集成網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)環(huán)境，該環(huán)境適用于大量不同種類的設(shè)備并能 夠以自主的方式適應(yīng)與發(fā)展。
上面引用的歐洲專利的主題克服了設(shè)備的異質(zhì)性并通過自主且本地 的對等通信范例，實現(xiàn)了可測量性。這些主題發(fā)展，以適應(yīng)周圍的環(huán)境， 就像生命有機體通過自然選擇進化一樣。網(wǎng)絡(luò)運行由服務(wù)驅(qū)動，在需要時 以及在需要的地點提供點到點(adhoc)支持以滿足用戶的要求。安全問題被 認為是服務(wù)本身的基本職責(zé)，代表實現(xiàn)目的性的自主系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。網(wǎng) 絡(luò)僅僅變成了服務(wù)的附屬物，服務(wù)反過來變成其所服務(wù)的用戶的社會網(wǎng)絡(luò) 的鏡像。這種以人為中心的范例打破了服務(wù)提供者和用戶間的障礙，并為 自發(fā)服務(wù)的"迅速增長"創(chuàng)造了良機，因而為服務(wù)和以用戶為中心的信息 與區(qū)域(Community)技術(shù)革命創(chuàng)造了條件。
本發(fā)明旨在解決源于關(guān)于普遍深入的計算與通信環(huán)境，即大量的聯(lián)網(wǎng) 嵌入式設(shè)備的新興趨勢的問題。這樣的設(shè)備具有感覺/識別的能力，使得對 于位于用戶的服務(wù)來說，有可能與周圍環(huán)境直接通過4妻口連接，伴隨引入
完全新穎的服務(wù)的可能性，能夠增強五感(five sense),并且提高人們的通 信與工具處理能力。
嵌入式的設(shè)備必須具有計算與(基本的)通信能力，具有形成巨大的、 量級大于當前互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的潛力。
這種環(huán)境的復(fù)雜性并非遠不及生物有機體、生態(tài)系統(tǒng)以及社會經(jīng)濟區(qū) 域的復(fù)雜性。
因為傳統(tǒng)的通信方式未能處理幾個新的特征節(jié)點能力與服務(wù)要求的 廣泛的異質(zhì)性、大量的具有繼起的可測量性問題的節(jié)點、可能高的節(jié)點移 動性以及管理復(fù)雜性，這種情況下，傳統(tǒng)的通信方式是^^效的。
根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)解決了上面提及的問題，并提供了 一種基
申請的主體內(nèi)容之間的折衷的結(jié)構(gòu)，下文稱為游牧方式。
根據(jù)本發(fā)明，在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的地之間，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和至少一個 數(shù)據(jù)集中器，用于數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特征在于節(jié)點被設(shè)計為或 通過處于多跳;溪式的永久運行的網(wǎng)絡(luò)，或通過與處于游牧^^莫式的、與移動 用戶節(jié)點無線連接的不定期運行的網(wǎng)絡(luò)，來與數(shù)據(jù)集中器雙向通信，網(wǎng)絡(luò) 體系結(jié)構(gòu)的特征還在于提供了轉(zhuǎn)換(commutation)的方法(means )，以檢測 故障多跳式節(jié)點并改為激活游牧式節(jié)點直到故障消失，以便保持網(wǎng)絡(luò)的總 體功能。
對于根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)和變體，可參考隨附的權(quán)利要求。
本發(fā)明將在下文中參考附圖描述。


圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)。
圖2示意性地顯示了在^:據(jù)集中器1和最初處于游牧^^莫式的兩個節(jié)點 4之間的相互通信。圖3示意性地顯示了數(shù)據(jù)集中器1和用于服務(wù)移動用戶6的處于游牧 才莫式或多跳才莫式的節(jié)點之間的相互通信。
圖4示意性地顯示了如果出現(xiàn)故障節(jié)點，在數(shù)據(jù)集中器1和多跳式節(jié)
點之間的相互通信。
現(xiàn)參考圖1，網(wǎng)絡(luò)作為收發(fā)器設(shè)備和處于多跳模式的節(jié)點2的無線的、 永久地連接的簇(cluster)組織在數(shù)據(jù)集中器1周圍，與數(shù)據(jù)源3 (或多個數(shù) 據(jù)源)相關(guān)聯(lián)，其中信息按照多跳方式在所述節(jié)點間向著數(shù)據(jù)集中器1移 動。除了這樣的簇外，未連接到所述簇的一定數(shù)量的節(jié)點4也是可用的。 這樣的節(jié)點彼此獨立地運行并通過不定期連接的網(wǎng)絡(luò)擴展5，以輪詢的方 式將這些節(jié)點的信息提供給所經(jīng)過的移動用戶6。移動用戶6的設(shè)備在獲 得所述數(shù)據(jù)后承載這些數(shù)據(jù)，直到用戶接近數(shù)據(jù)集中器1為止。進一步可 能的是，用戶可能在用戶自己間(每當它們沿著行進路徑遇到移動用戶時) 通過對等通信，共享收集到的數(shù)據(jù)。
由任何數(shù)據(jù)集中器(只顯示了一個集中器1)收集到的所有的數(shù)據(jù)， 以它們被收集時的原始的或修改的形式，在初步的處理(elaboration)后，將 被轉(zhuǎn)發(fā)到在其中分析這些收集到的數(shù)據(jù)的操作中心7中。
取決于環(huán)境的類型，數(shù)據(jù)將在操作中心被感知(perceive )，且足夠的 特定事件(case-specific)程序?qū)⒆罱K被啟動。
根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)基于在集成體系結(jié)構(gòu)中合并的兩個不同的網(wǎng)絡(luò)在 多跳模式中，節(jié)點2發(fā)現(xiàn)通過其他節(jié)點(圖1中未顯示)經(jīng)由永久運行網(wǎng) 絡(luò)8而到達數(shù)據(jù)集中器1的無線路徑。例如數(shù)據(jù)聚合的技術(shù)或特定的體系 結(jié)構(gòu)可以用來最優(yōu)化發(fā)送的信息的數(shù)量(因此減少節(jié)點的功耗)。網(wǎng)絡(luò)8 的啟動由數(shù)據(jù)集中器管理，安排節(jié)點的任務(wù)(主要地從環(huán)境收集數(shù)據(jù))。
在游牧;漠式中，不用與其他節(jié)點通信，數(shù)據(jù)由節(jié)點4獨立地收集。當 移動用戶6距節(jié)點足夠近時，此節(jié)點通過不定期連接的網(wǎng)絡(luò)擴展5將所有 收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶6。移動用戶6隨即在可能有其他移動用戶的區(qū) 域內(nèi)移動如果用戶6遇到其他移動用戶中的一個用戶，"在運行中(onthe fly)"用戶6共享所有收集到的數(shù)據(jù)。每當移動用戶6到達數(shù)據(jù)集中器時，
用戶6將其在行進時收集到的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)集中器。
根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1中所顯示的，主要由四種不同種類
的設(shè)備組成。根據(jù)UML標準，這些設(shè)備的各自的鏈接表示如下
-以箭頭形三角形終止的線條(見靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點11 )表示節(jié)點間的繼 承關(guān)系或分級的從屬關(guān)系(dependency)。
-以白色菱形終止的線條表示聚合關(guān)系。被此菱形連接的兩個對象邏 輯上聚集在一起。
-以黑色菱形終止的線條表示組合關(guān)系接近此菱形的對象的每個實 例包括一定數(shù)量的指向?qū)ο?pointing object)的實例。
-包括正方形的符號(例如在節(jié)點4和節(jié)點6之間)表示物理接口 (接 口之一標有參考數(shù)字9)。以這種方式鏈接的對象可單向地通信，通信方向 由線條末端的箭頭規(guī)定。
隱沿著某些鏈接線條的記法"1", "..N"和"0..1"規(guī)定與對象配合的 實例的數(shù)量，即與正好一個、至少一個或至多一個實例配合。
現(xiàn)將描迷根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)的必要元素(element):
節(jié)點2和4每個具有至少一臺收發(fā)器、適當?shù)挠嬎銠C性能、存儲器以 及至少一個起數(shù)據(jù)源作用的組件。這些節(jié)點或者以多跳;漠式運行或者以游 牧-漠式運行。兩種節(jié)點都衍生自旨在與至少一個數(shù)據(jù)源3以及一個或更多 短程收發(fā)器配合的概念上的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
移動用戶節(jié)點6安裝在移動單元上，所述移動單元穿過體系結(jié)構(gòu)部署 的區(qū)域而移動。移動用戶節(jié)點6可從節(jié)點收集數(shù)據(jù)，與其他移動用戶共享 這些數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到在移動用戶節(jié)點6移動過程中遇到的第 一個 數(shù)據(jù)集中器。
數(shù)據(jù)集中器l能夠通過接口 (圖l中的黑色雙箭頭)與形成網(wǎng)絡(luò)的所 有其他類型的設(shè)備通信。數(shù)據(jù)集中器1組織與這些設(shè)備的通信并作為活動 (active)的元素參與其中。
操作中心7是由移動用戶收集的所有信息的最終目的地。操作中心7
將其查詢(query)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器1并能處理操作中心7本身接收的來 自數(shù)據(jù)集中器的作為回答的大量數(shù)據(jù)。
最后，預(yù)知短程和長程收發(fā)器10和12用于在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。
具有收集并共享數(shù)據(jù)的移動用戶的移動性的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的部 分替換，為保證連通性的技術(shù)挑戰(zhàn)提供了解決方案。
對每個節(jié)點來說游牧模式是默認的模式，但如果最初由數(shù)據(jù)集中器1 發(fā)送的消息到達處于游牧^^莫式的節(jié)點(直接地或間接地)，則該節(jié)點轉(zhuǎn)換 成多跳模式，自組織來加入所述數(shù)據(jù)集中器的簇，并包括鄰近于該節(jié)點的、 還未轉(zhuǎn)換的其它可能的(eventual)節(jié)點。
如果網(wǎng)絡(luò)中的故障使得數(shù)據(jù)集中器1不再能被某一處于多跳模式的節(jié) 點到達，則此節(jié)點轉(zhuǎn)換成游牧模式。所以如果適當數(shù)量的移動用戶6提供 所有節(jié)點的覆蓋，那么數(shù)據(jù)收集在每個活動的節(jié)點中可能較緩慢但順利地 進行，且數(shù)據(jù)的丟失限于無效的(fallen)或出故障的節(jié)點。
圖2顯示了數(shù)據(jù)集中器1和兩個節(jié)點2和4之間的數(shù)據(jù)流。在初始化 階段(未顯示)后，兩個節(jié)點都處于游牧模式。數(shù)據(jù)集中器1周期性地發(fā) 送查詢消息。接收這樣消息的處于游牧模式的節(jié)點，轉(zhuǎn)換到多跳模式并隨 即轉(zhuǎn)發(fā)此接收到的消息。
如果節(jié)點在給定的延遲("超時"T. 0.)內(nèi)沒有接收到轉(zhuǎn)發(fā)的查詢的 確認(見節(jié)點4)，則此節(jié)點將回答消息發(fā)送到查詢消息來自的節(jié)點。如果 節(jié)點接收到回答消息，則此節(jié)點將此消息合并到其收集的數(shù)據(jù)中，并將其 發(fā)送到發(fā)送查詢消息的節(jié)點(或到數(shù)據(jù)集中器，視情況而定)。
圖3顯示了數(shù)據(jù)集中器1、處于多跳模式的節(jié)點2、兩個處于游牧模 式的節(jié)點4和4'，以及移動用戶6之間的數(shù)據(jù)流。每個用戶周期性地發(fā)送 輪詢消息。如果處于游牧模式的節(jié)點接收到該輪詢消息，則此節(jié)點將其收 集到的數(shù)據(jù)傳輸給用戶。在此實施例中，此過程在用戶和節(jié)點4'之間時刻 Tx以及在用戶和節(jié)點4之間時刻Ty發(fā)生。
如果由用戶發(fā)送的輪詢消息被多跳模式中的節(jié)點2接收，則此消息將 被該節(jié)點忽略。這里，此過程在時刻Tz發(fā)生。
最后，如果由用戶發(fā)出的輪詢消息由數(shù)據(jù)集中器接收，則數(shù)據(jù)集中器
以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(dump)請求消息進行回復(fù)，這樣便用信號通知了用戶數(shù)據(jù)集 中器的存在。因此，用戶將自從用戶遇到之前的數(shù)據(jù)集中器以來，用戶聚 集的所有收集到的信息發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器。
圖4適用于出故障的處于多跳模式的節(jié)點2'情況的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移因為出 故障的節(jié)點2',在節(jié)點2"(處于多跳模式)和與節(jié)點2"相關(guān)的數(shù)據(jù)集中器 之間的通信中止。因此，因為節(jié)點2"在給定的時間間隔(T.O.)內(nèi)沒有接 收任何查詢消息，因此節(jié)點2"本身轉(zhuǎn)換為游牧^^莫式并等待用戶6，以便用 戶6在時刻Tx收集信息并在時刻Ty將信息傳遞到數(shù)據(jù)集中器(不一定是 與節(jié)點相聯(lián)系的數(shù)據(jù)集中器，而是用戶首先接近的數(shù)據(jù)集中器)。
在失去與數(shù)據(jù)集中器的連接后轉(zhuǎn)換成游牧模式的節(jié)點，如基于圖3所 描述的，在查詢消息到達時，該節(jié)點可再次轉(zhuǎn)換成多跳;漠式。
單一的移動用戶6從低成本的傳感器收集數(shù)據(jù)，在用戶移動期間傳送 這些數(shù)據(jù)并與移動用戶所處地區(qū)的區(qū)域交換/共享這些數(shù)據(jù)。移動用戶可從 集中器1收集數(shù)據(jù)，將他們的周圍環(huán)境的知識(knowledge)與由多跳子網(wǎng) 絡(luò)收集的知識合并。作為對收集、傳送和共享信息的幫助的補償，移動用 戶不斷地接收更新的信息，所述更新的信息涉及比用戶僅單獨起作用能獲 得的范圍更廣闊的地域服務(wù)覆蓋。同時，本地管理員或第三方可從此服務(wù) 的存在獲得優(yōu)勢，以便改進現(xiàn)有的公共/私人服務(wù)或向居民提供新型的服 務(wù)。
根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)水平的進一步優(yōu)勢在于，所述網(wǎng)絡(luò) 利用移動用戶傳播數(shù)據(jù)的能力，來幫助消除永久連接的網(wǎng)絡(luò)分割(出故障 的節(jié)點的后果)的問題。
權(quán)利要求
1. 用于在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的地之間、通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和至少一個數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，所述網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)特征在于所述節(jié)點(2，4)設(shè)計為或通過處于多跳模式的永久運行的網(wǎng)絡(luò)(8)，或通過與處于游牧模式的、與移動用戶節(jié)點(6)無線連接的不定期運行的網(wǎng)絡(luò)(5)，與數(shù)據(jù)集中器(1)雙向通信，特征還在于提供用于轉(zhuǎn)換的方法以檢測故障多跳式節(jié)點并改為激活游牧式節(jié)點直到故障消失，以便保持所述網(wǎng)絡(luò)的總體功能。
2. 如權(quán)利要求1所迷的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，其特征在于用于激活游牧式 節(jié)點的所述方法依賴于通過永久接收的、通過永久連接的所述網(wǎng)絡(luò)周期性 傳輸?shù)牟樵冃盘枴?br> 3. 如權(quán)利要求2所迷的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，其特征在于一旦周期性的所 述查詢信號不再被檢測到，就實現(xiàn)節(jié)點從所述多跳模式到所述游牧才莫式的 所述轉(zhuǎn)換。
4. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述移動用戶 節(jié)點設(shè)計為存儲從處于所述游牧模式的節(jié)點接收的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 發(fā)給處于通信范圍內(nèi)的下一個數(shù)據(jù)集中器。
5. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于移動用戶節(jié)點 (6 )設(shè)計為與處于通信范圍內(nèi)的其他用戶節(jié)點共享所收集到的所迷數(shù)據(jù)，從而形成對等的網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的地之間、通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和至少一個數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，節(jié)點(2，4)被設(shè)計為或通過多跳模式中的永久運行的網(wǎng)絡(luò)(8)，或通過與處于游牧模式的、與移動用戶節(jié)點(6)無線連接的不定期運行的網(wǎng)絡(luò)(5)，與數(shù)據(jù)集中器(1)雙向通信。提供轉(zhuǎn)換方法以檢測故障多跳式節(jié)點并改為激活游牧式節(jié)點，直到故障消失，以便保持網(wǎng)絡(luò)的總體功能。另外，根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)允許與其他移動用戶共享由移動用戶收集的數(shù)據(jù)，從而形成對等網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號H04L12/56GK101379780SQ200680053065
公開日2009年3月4日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者安東尼奧·佛倫西康, 達維德·曼達托 申請人:克瑞特網(wǎng)絡(luò)公司