CN101263700B

CN101263700B - 用于为无线网络中的节点指派地址的方法

Info

Publication number: CN101263700B
Application number: CN2006800338539A
Authority: CN
Inventors: 吴拉姆·巴蒂
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: WO2007049467A1; CN101263700A; US20070036090A1; JP5047785B2; EP1941704B1; US7515552B2; EP1941704A1; JP2009514263A

Abstract

一种为无线网络中的节点指派地址的方法。将地址空间定义为n维网格，每个网格交点具有无线网络的对应可能节点的坐标，每个坐标的分量数等于所述网格的维数，并且所述坐标形成所述对应可能节点的逻辑地址。选择所述坐标的一个分量以与一个预定值相关联。父节点向加入所述无线网络的子节点指派未分配的逻辑地址作为子节点地址，从而如果所述父节点的所述选择的分量具有所述预定值，则将所述子节点地址的任意分量从所述父节点的对应分量改变一。否则，所述父节点向加入所述无线网络的所述子节点指派未分配的逻辑地址作为子节点地址，从而将所述子节点地址的所述选择的分量从所述父节点的所述选择的分量改变一。

Description

用于为无线网络中的节点指派地址的方法

技术领域

本发明一般地涉及网络，并且更具体地涉及为无线网络中的节点指派地址。

背景技术

本申请是Bhatti等人于2005年8月9日提出的名称为“StructuredAddressing Scheme for Wireless Networks”的美国专利申请第11/199625号的部分继续申请。

在无线网络方面最新的进展已经得能够进行多种应用，例如家庭和工业自动化；环境监控和感测、保护和监视；人和货物跟踪；以及医学监控。

在无线网络中，每个节点能够与传输范围内的其他节点通信。每个节点具有唯一的标识以便于节点间的通信。由于网络拓扑的不规则和自发特性，导致在专设(ad hoc)网络中的地址指派是个问题。

一些编址方案(例如ZigBee联盟使用的编址方案)使用地址的分级树。例如，ZigBee协调器(ZC)节点(coordinator node)初始具有对所有分配的地址的控制。随后，当子节点加入网络时，以ZC节点开始的父节点将它的地址空间的一部分分配给子节点。因为对于任何父节点，子节点的数目作为配置参数是固定的，所以能够系统地确定地址空间的分配给加入的子节点的部分。在没有经由广播消息的显式路由发现的情况下，这便于进行路由发现。

然而，ZigBee方案的静态结构会浪费地址，或者甚至拒绝一些父节点对一些可能的子节点指派地址。此外，对地址树在网络中能够具有的最大级数有限制。并且，单个节点的故障会使该树中具有更下级地址的节点不可访问。当故障节点在树的根部附近时，这是个严重的问题。

另一种编址方案使用分布式动态地址指派协议，参见S.Nesargi和R.Prakash，“MANETconf：Configuration of Hosts in a Mobile Ad HocNetwork，”Proceedings of IEEE Infocom，2002年6月。该协议基于以Ricart-Agrawala算法为基础的互斥过程，参见G.Ricart和A.K.Agrawala，“An optimal algorithm for mutual exclusion in computer networks”，Comm.ACM，24(1)，pp.9-17，1981。加入的节点选择相邻节点作为发起器节点(initiator node)。发起器节点选择一个地址，并广播一个消息以向网络中的所有其他节点通知所选择的地址。然后，发起器节点等待来自网络中其他节点的响应。如果来自所有节点的响应为肯定的，则意味着没有其他节点正在使用所选择的地址，然后发起器节点将该地址指派给加入的节点。否则，发起器节点选择另一地址，等等。

然而，该协议有几个问题。所有节点必须维持与所分配的地址有关的信息。这需要存储器，而存储器在小型传感器节点中是有限的资源。此外，广播消息和其他管理消息消耗例如带宽和功率的网络资源。并且，发起器节点能够选择任意地址。因此，地址指派不一定遵从规则的或系统的模式。这使路由发现成为一个问题。

另一种编址方案使用二分算法，参见M.Mohsin和R.Prakash，“IPAddress Assignment in a Mobile Ad Hoc Network”，IEEE MilitaryCommunications Conference(MILCOM 2002)，卷2，pp.856-861，2002年10月。每个节点维持一块可用地址。当一个节点想要加入网络时，该加入的节点从相邻配置节点请求地址。该配置节点将所述块分成两半，并且自己保留一半，而将另一半给请求节点。每个节点维持一个地址表，以记录地址块。每个节点还周期性地广播其地址块，以使其他节点能够更新它们的地址表。还可以从其他节点“借”地址。所述方案也导致不遵从规则的或系统的模式的地址分配。

另一种方案执行重复地址检测，参见C.E.Perkins、J.T.Malinen、R.Wakikawa、E.M.Belding-Royer和Y.Sun，“IP Address Autoconfigurationfor Ad Hoc Networks”IETF Internet Draft，draft-ietf-manet-autoconf-01.txt，2001年11月。加入的节点为它自己选择两个随机地址，每个随机地址来自不同的可用地址的组。一个地址被用作用于验证处理的临时源地址。另一个地址意图等待在验证处理期间用于最后的地址指派。该方案也需要大量的广播消息，并且地址是随机生成的。

发明内容

提供了一种用于为无线通信网络中的节点指派地址的方法。所述方法可以用于专设网络、传感器网络、网状网络、多跳网络以及其他网络。

所述方法对于存储器和广播的要求具有低开销。对最大跳数或父-子节点关系的数量没有限制。当节点的物理位置不是均匀分布时，所述方法限制了地址空间的浪费。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方式在笛卡尔坐标空间中节点的网格和对应的地址；

图2是示出多个路由的网格；

图3是根据本发明一个实施方式在笛卡尔坐标空间中节点的网格和对应的地址；以及

图4是根据本发明另一实施方式在笛卡尔坐标空间中节点的网格和对应的地址序列。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施方式的无线网络中节点的n维网格100的示例，其中n为2。网格的每个交点具有笛卡尔坐标，例如(0，0)，(0，1)，...(4，4)。节点的或n元组的坐标是对应节点的逻辑地址。坐标具有多个分量，分量的数目等于网格的维数。例如，在二维中，每个逻辑地址具有两个分量。

每个分量的值的范围用指派给该分量的位数表示。例如，如果用16位指定全地址(full address)，则针对范围[0，255]中的值，可以给每个分量指派8位。另选地，该指派可以是6位和10位，等等。换言之，网格可以是正方形、长方形或更高阶的平行六边形。还可以使用附加的维，例如，在四维中，节点的坐标是(k，l，m，n)。

“角”节点1可以是逻辑地址为(0，0)的协调器节点。斑点节点(stippled node)2-3具有指派的地址。交叉阴影线节点4正在请求地址。应该注意，地址指派可以开始于任何角节点。

如果给每个地址分量分配8位，则四个角地址为(0x0，0x0)、(0x0，0xFF)、(0xFF，0x0)以及(0xFF，0xFF)。为了方便起见，我们已经选择(0x0，0x0)作为开始地址。

通过使子节点首先广播地址请求消息来将未分配的逻辑地址指派给加入网络的子节点。在ZigBee网络中，这可以是“信标(beacon)请求”消息。传输范围内的所有可能的父节点通过将信标帧发送到请求节点来进行回复。除一些额外信息外，该帧还包括发送方的标识。子节点选择回复的可能的父节点中的一个作为父节点。该选择可以考虑逻辑地址空间的紧致性或响应节点的信号强度。

然后，选择的父节点以如下方式将子节点地址指派给加入的子节点。使子节点地址的一个分量的值比父节点的对应分量大一。例如，如果父节点N₁的地址为(0，0)，则加入的子节点N₂的地址可以为(0x1，0x0)或(0x0，0x1)。

向以后可能指派相同地址的其他节点通知该地址指派。例如，在图1中，节点2和3都能够将相同的地址指派给节点4。如果节点2首先指派，则由节点2通告节点3已经将地址(1，1)分配给了节点4。

在本发明的一个实施方式中，指派顺序可以根据坐标分量的预定索引方案。例如，第一分量在第二分量之前递增。因此，这种排序可以使地址均匀分布。

应该注意，选择的编址顺序还隐含了任意两个节点之间可能的路由。此外，和到具体节点仅具有一条路径的ZigBee的树结构路由不同，我们的编址方案允许多条路径21-23，如图2中所示。因此，作为整体，网络不受单个节点故障的影响。实际上，即使有多个故障节点，特别是在如果网格的维数相对较高的情况下，网络也可以继续工作。

地址冲突

可以如上面描述的那样避免其中其他节点可以向加入的子节点指派地址的地址冲突，即，当选择的父节点将一个地址指派给加入的子节点时，向以后可能指派相同的地址的其他节点通知该地址指派。然而，需要通知其他节点导致了系统的额外开销。

在一个实施方式中，根据坐标的与预定值相关联的选择的分量来为子节点指派地址。父节点可以指派未分配的逻辑地址作为子节点地址，从而如果父节点的选择的分量具有预定值，则将子节点地址的任何分量从父节点的对应分量改变一。否则，父节点向子节点指派未分配的逻辑地址作为子节点地址，从而将子节点的选择的分量从父节点的选择的分量改变一。

图3示出了根据我们的发明的实施方式的无线网络中的节点的n维网格300，其中n为2。应该理解，本发明并不限于2维。这里，第一分量为选择的分量，并且预定值为零(0)。因此，由于协调器节点的选择的分量(即第一分量)具有预定值(0)，所以充当父节点的位于[0，0]处的协调器节点301可以将[1，0]302或[0，1]303指派为子节点地址。对于地址[0，1]303处的父节点可以进行相同的指派。因为选择的分量具有预定值，所以如果[0，0]是可用的，即如果协调器节点具有不同的坐标并且[0，0]是未分配的逻辑地址，则位于[0，1]处的父节点可以指派[1，1]304，或[0，2]305或者[0，0]301。

另一方面，位于[1，0]302，或[1，1]304或[1，2]306处的父节点可以仅将未分配的逻辑地址指派为子节点地址，从而将子节点的选择的分量从父节点的选择的分量改变一。因此如果将选择的分量(即第一分量)改变了一的地址(将成为(2，0)或(0，0))可用的话，则位于(1，0)302处的父节点仅能够指派该地址。

应该注意，这种编址方法可以表示为树。

可以通过在上面描述的实施方式上包括附加条件来定义许多不同的编址方案。例如，一组分量可以被选择并与单个预定值相关联，或者所述组中的每个选择的分量可以与不同的预定值相关联。简言之，一组选择的分量可以与一组预定值相关联，其中这两个组中的任何一个可以为一或者这两个组都可以为一。例如，如图4中所示，可以使用根据本发明的指派地址的方法，该方法使用多组分量和多组预定值来指派从螺旋图案402中的协调器节点401开始的地址，而不会有地址冲突或无需向其他节点通知地址指派。

尽管已经借助于优选实施方式的实施例描述了本发明，但是应该理解，可以在本发明的精神和范围内做出各种其他改进和修改。因此，所附权利要求的目的是覆盖所有落入本发明的真实精神和范围内的所有这种变型和修改。

工业适用性

能够提供用于为无线通信网络中的节点指派地址的更有用的方法。

Claims

1.一种用于为无线网络中的节点指派地址的方法，该方法包括以下步骤：

将地址空间定义为n维网格，每个网格交点具有无线网络的对应可能节点的坐标，每个坐标的分量数等于所述网格的维数，并且所述坐标形成所述对应可能节点的逻辑地址；

选择所述坐标的一个分量以与一个预定值相关联；

由父节点向加入所述无线网络的子节点指派未分配的逻辑地址作为子节点地址，从而如果所述父节点的所述选择的分量具有所述预定值，则将所述子节点地址的任意分量从所述父节点的对应分量改变一；以及否则

由所述父节点向加入所述无线网络的所述子节点指派未分配的逻辑地址作为子节点地址，从而将所述子节点地址的所述选择的分量从所述父节点的所述选择的分量改变一。

2.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述坐标的一组分量以与一组预定值相关联。

3.根据权利要求1所述的方法，其中由用来表达所述分量的位数来确定每个分量的可能值的范围。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述网格是平行六边形的形式。

5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

指派所述网格的一个角的坐标为所述网络的一个协调器节点的所述逻辑地址。

6.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

由所述子节点广播地址请求消息；

通过一个或更多个可能的父节点回复所述地址请求消息；以及

在所述子节点中选择所述可能的父节点中的一个作为所述父节点。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述选择基于回复所述地址请求消息的节点的信号强度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述逻辑地址隐含所述节点之间的路由。