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在包括無電池zigbee設備的網(wǎng)絡中通信的方法,及為此的網(wǎng)絡和設備的制作方法

文檔序號:7909660閱讀:260來源:國知局
專利名稱:在包括無電池zigbee設備的網(wǎng)絡中通信的方法,及為此的網(wǎng)絡和設備的制作方法
技術領域
本發(fā)明涉及用于在無線控制網(wǎng)絡中通信的方法,更具體地,本發(fā)明涉及用于確保無線網(wǎng)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(fā)明與包括具有低功率資源的資源受限設備的無線網(wǎng)絡有關。在特定應用中,本發(fā)明與使用例如ZigBee協(xié)議的通信協(xié)議的無線網(wǎng)絡有關,所述通信協(xié)議與 IEEE802. 15. 4還有基于IEEE802. 15. 4的協(xié)議兼容。
背景技術
無線控制網(wǎng)絡近來已經(jīng)成為通信領域的普遍趨勢,尤其是對于建筑物管理系統(tǒng)。 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(xiàn)出重大優(yōu)勢,因為不需要拖放線纜和鉆孔。因此,這樣的技術對于使用傳感器設備(如光開關、調(diào)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(jiān)視系統(tǒng)特別有吸引力,它們彼此必須安裝在遠距離的位置并且遠離它們控制的設備,例如燈具。這類網(wǎng)絡所表現(xiàn)出的缺陷之一與設備供電有關。實際上,由于設備未導線連接,因此它們不再能夠從市電或經(jīng)由與控制器的連接來接收執(zhí)行網(wǎng)絡中所有所需操作所必要的功率。這樣,已經(jīng)預想到用內(nèi)置電池來裝備這類設備。然而,由于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(jīng)提出通過給傳感器設備裝備自給的能源(它從其環(huán)境獲取能量)來補救該問題。盡管如此,但是現(xiàn)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征和功能嚴重受限。在所述功能中,對于無線網(wǎng)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鏈接到路由器,其中該路由器代表該設備轉(zhuǎn)發(fā)消息。因此,在現(xiàn)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系。子端設備將其所有通信尋址到父路由器以便將其轉(zhuǎn)發(fā)給它們的最終目的地。然而, 在能量獲取設備的情況下,這種關系在網(wǎng)絡中產(chǎn)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(zhí)行。而且,在大多數(shù)情況下,由于在資源受限設備上不存在或未使用接收電路,或者用于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,由于端設備的資源非常有限,在通信丟失時它無法執(zhí)行徹底的搜索以便發(fā)現(xiàn)新的父路由器,因此網(wǎng)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(chǎn)生的單點故障問題,已經(jīng)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(shù)據(jù)而不跟蹤它是否被其鄰居轉(zhuǎn)發(fā),也不預期任何確認。在更高層上,轉(zhuǎn)發(fā)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(jié)點在不同的傳播條件下接收以及需要時轉(zhuǎn)發(fā)幀來實現(xiàn)可靠性。這種較高層機制之一是802. 15. 4/ZigBee網(wǎng)絡層多播通信給定范圍內(nèi)的每個節(jié)點接收消息,且每個組成員轉(zhuǎn)發(fā)該消息一次或多次。另一這樣的較高層機制是 802. 15. 4/ZigBee網(wǎng)絡層廣播。然而,其可靠性基于被動的確認機制,這需要發(fā)起者以及任何其它轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點去跟蹤其鄰居是否轉(zhuǎn)發(fā)該消息以及在某些未轉(zhuǎn)發(fā)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,由于給定鄰域內(nèi)多個設備多次重發(fā),使得廣播/多播的使用導致帶寬消耗高,這又可能導致網(wǎng)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(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)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(wǎng)絡之間維持正確的通信而不會產(chǎn)生單點故障,也不會使發(fā)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(fā)明的另一目的是提出一種用于在網(wǎng)絡中通信的方法,其盡可能減少端設備的投入。本發(fā)明的又一目的是提出一種方法,其與使用廣播和多播的現(xiàn)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(qū)內(nèi)的多個可用代理功能設備。本發(fā)明的另一方面涉及在網(wǎng)絡中使用來執(zhí)行按照本發(fā)明的方法的路由器設備,以及這樣的網(wǎng)絡。在這方面,本發(fā)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(wǎng)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(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡中的目的地設備的數(shù)據(jù)幀, 一路由器設備接收該數(shù)據(jù)幀,
一路由器設備將延遲關聯(lián)到數(shù)據(jù)幀并計劃在該延遲之后進行幀的傳送,以及一在路由器設備監(jiān)聽到數(shù)據(jù)幀已經(jīng)被另一路由器設備轉(zhuǎn)發(fā)時,取消所計劃的數(shù)據(jù)幀的傳送。因此,按照本發(fā)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(fā)明含義內(nèi)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(wǎng)絡中的功能降低設備。這種方法使端設備可以在網(wǎng)絡中通信而完全不需要端設備被預配置有或發(fā)現(xiàn)代理的身份,因為端設備傳送待轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)幀是端設備執(zhí)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(wǎng)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(fā)明的一個實施例中,當計劃傳送時,與數(shù)據(jù)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(shù)如傳送到目的地設備的總路徑成本、 或鏈路成本,路由狀態(tài)信息如路由新鮮度、用該路由轉(zhuǎn)發(fā)的分組的數(shù)量、該路由上分組成功率,來確定所述延遲。在本發(fā)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范圍的傳送功率來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的步驟。
一在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀之前,路由器設備執(zhí)行針對目的地設備的路由路徑發(fā)現(xiàn)過程的步驟。在該情況下,數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀還包含路由發(fā)現(xiàn)信息,并且按照路由發(fā)現(xiàn)機制在網(wǎng)絡中傳播。本發(fā)明的另一方面涉及路由器設備,其包括
一接收裝置,用于接收來自無線網(wǎng)絡中的端設備的數(shù)據(jù)幀, 一傳送裝置,用于向網(wǎng)絡中的目的地設備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀, 一計時器,用于在傳送數(shù)據(jù)幀之前設定延遲,
一用于當監(jiān)聽到數(shù)據(jù)幀已經(jīng)被另一路由器設備傳送時取消數(shù)據(jù)幀的計劃傳送的裝置, 一存儲器裝置,用于存儲預建立的路由。本發(fā)明的又一方面涉及包括按照本發(fā)明的至少一個路由器以及至少一個資源受限設備的網(wǎng)絡。


現(xiàn)在將通過示例、參考附圖更詳細地描述本發(fā)明,其中 一圖1示出了按照本發(fā)明的網(wǎng)絡。
具體實施例方式本發(fā)明涉及如圖1所示的在無線控制網(wǎng)絡中通信的方法。所述網(wǎng)絡包括端設備。 該設備例如是Zigbee無電池設備(ZBLD),但是本發(fā)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(diào)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(wǎng)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(xié)議。在另一有利的實施例中,ZigBee無電池設備和路由器符合基于輕量802. 15. 4的ZigBee無電池協(xié)議。在按照本發(fā)明的網(wǎng)絡中,路由器設備不提前被配置成鏈接到特定的Zigbee設備。 實際上,每當需要傳送數(shù)據(jù)幀時,路由器以ad-hoc方式在它們中即時決定代理角色。網(wǎng)絡中的通信由^LD發(fā)起。例如,與^LD交互的用戶、^LD實施的傳感器事件或者內(nèi)部計時器可以觸發(fā)^LD對數(shù)據(jù)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(wǎng)絡中,通過利用適當?shù)膶ぶ?,即用于?lián)系單個設備的單播、用于聯(lián)系一組設備的多播或用于聯(lián)系所有設備的廣播,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,并包括在由^LD發(fā)送的分組中,或者由代理路由器處理并從而當轉(zhuǎn)發(fā)幀時被添加。位于^LD鄰域內(nèi)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(例如以標志、來自預定義地址池內(nèi)的標識符或使用的幀格式的形式)來實現(xiàn)。隨后,每個路由器計劃在預定延遲之后轉(zhuǎn)發(fā)分組。該延遲例如對應于廣播協(xié)議方法中的時間窗口。在一示例中,與數(shù)據(jù)幀有關的延遲以隨機方式確定。然而,在某些情況下,由于網(wǎng)絡和路由器設備的不同參數(shù)而適應性調(diào)節(jié)該隨機延遲可能是有用的。實際上,在^LD數(shù)據(jù)幀要被轉(zhuǎn)發(fā)至單播目的地時,在觀LD的鄰域內(nèi)的路由器設備發(fā)現(xiàn)并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(diào)節(jié)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(fā)明的網(wǎng)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,其包括用于記憶針對每個目的地的總鏈路成本的字段。而且,在某些實施例中,路由表還包括與路由狀態(tài)有關的某些字段,如路由的新鮮度、或其成功率,并且這些字段的內(nèi)容還可以用于確定在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀之前的延遲。另一方面,按照本發(fā)明的一些網(wǎng)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由于先前的傳送可能在網(wǎng)絡中已經(jīng)移動。因此,在可替換實施例中,當確定與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)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(jiān)視(例如跟蹤鄰居設備的分組)來檢測到。那些分組可以是數(shù)據(jù)分組或者命令分組,如心跳、鏈路狀態(tài)消息、或者關聯(lián)/加入/試運行命令。實際上,如果在網(wǎng)絡中,路由器本身已經(jīng)移動到新^LD的鄰域內(nèi),位于該^LD的鄰區(qū)內(nèi)的其它路由器可能已經(jīng)建立了 ^LD所需的路由,因此執(zhí)行允許使那些路由器的優(yōu)先級高于最近移動的路由器的特征是更有效的。在這方面,最近移動的路由器將轉(zhuǎn)發(fā)延遲的路徑成本相關值設置成最大可能值,并且由此僅在沒有其它路由器代表^LD轉(zhuǎn)發(fā)消息時才代表^LD轉(zhuǎn)發(fā)消息。相反,如果網(wǎng)絡內(nèi)是^LD移動到新的鄰區(qū),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(zhuǎn)發(fā)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計劃在隨機延遲之后傳送數(shù)據(jù)分組P。假定路由器R5是與最短延遲有關的路由器。那么,在超時時,路由器R5利用足夠高以便確保覆蓋兩倍的^LD所覆蓋的普通范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(zhuǎn)發(fā)的分組(PFW),從而它們?nèi)∠鼈冇媱澋膫魉停?以避免數(shù)據(jù)幀的任何雙重傳送。如前所解釋的,在某些情況下,網(wǎng)絡中的路由器設備代表^LD執(zhí)行ad-hoc路由發(fā)現(xiàn)。例如通過在接收到來自^LD的數(shù)據(jù)分組之后發(fā)送路由請求消息來完成這種發(fā)現(xiàn)。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(fā)起的數(shù)據(jù)幀僅在路由到位之后才被轉(zhuǎn)發(fā)。為了避免該缺點,在可替換的實施例中,代理路由器發(fā)送數(shù)據(jù)幀,該數(shù)據(jù)幀通過路由請求字段得到擴展。該代理路由器發(fā)送的總消息具有擴展的頭部,其包括所需的路由發(fā)現(xiàn)信息。該消息利用廣播方法來發(fā)送,并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(fā)明通過用于控制網(wǎng)絡(特別是照明控制網(wǎng)絡、建筑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(diào)光器、光傳感器以及存在性檢測器。還可以通過控制網(wǎng)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(yōu)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(nèi)包含參考標記意在輔助理解而非意在限制。根據(jù)閱讀本公開內(nèi)容,其它修改對于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(wǎng)絡領域內(nèi)已知的其它特征,這些特征可以替代本文中已經(jīng)描述的特征來使用或者在本文中已經(jīng)描述的特征之外來使用。
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(wǎng)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(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡中的目的地設備的數(shù)據(jù)幀,一路由器設備(R5)接收該數(shù)據(jù)幀,一路由器設備將延遲關聯(lián)到數(shù)據(jù)幀并計劃在該延遲之后進行幀的傳送,以及一在路由器設備監(jiān)聽到數(shù)據(jù)幀已經(jīng)被另一路由器設備轉(zhuǎn)發(fā)時,取消所計劃的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)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(tài)信息,如路由新鮮度、經(jīng)由該路由轉(zhuǎn)發(fā)的分組數(shù)量、或者該路由上的分組成功率來確定與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)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范圍內(nèi),所述方法包括以下步驟一路由器設備確定該數(shù)據(jù)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,將延遲設置為所述范圍的最大值。
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(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)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范圍的傳送功率來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的步驟。
8.如前述權利要求之一所述的方法,包括在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀之前路由器設備執(zhí)行針對目的地設備的路由路徑發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀還包括路由發(fā)現(xiàn)信息,并按照路由發(fā)現(xiàn)機制在網(wǎng)絡中傳播。
11.一種路由器設備,包括一接收裝置,用于接收來自無線網(wǎng)絡中的端設備的數(shù)據(jù)幀,一傳送裝置,用于向網(wǎng)絡中的目的地設備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀,一計時器,用于在傳送數(shù)據(jù)幀之前設定延遲,一用于當監(jiān)聽到數(shù)據(jù)幀已經(jīng)被另一路由器設備傳送時取消數(shù)據(jù)幀的計劃傳送的裝置,一存儲器裝置,用于存儲預建立的路由。
12.一種無線網(wǎng)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(fā)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(wǎng)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(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡中的目的地設備的數(shù)據(jù)幀,路由器設備(R5)接收該數(shù)據(jù)幀,路由器設備將延遲關聯(lián)到數(shù)據(jù)幀并計劃在該延遲之后進行幀的傳送,以及在路由器設備監(jiān)聽到數(shù)據(jù)幀已經(jīng)被另一路由器設備轉(zhuǎn)發(fā)時,取消所計劃的數(shù)據(jù)幀的傳送。本發(fā)明還涉及一種路由器設備以及為此的網(wǎng)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(yōu)先權日2009年2月13日
發(fā)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
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