CN102057722B - 用于无线多跳网络中的节点的网络接口单元以及建立无线多跳网络中节点之间的网络路径的方法 - Google Patents

用于无线多跳网络中的节点的网络接口单元以及建立无线多跳网络中节点之间的网络路径的方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种用于无线多跳网络(WN)中的节点(D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc)的网络接口单元(10)，所述无线多跳网络包括能够借助于来源节点与目的地节点之间的网络路径连接的多个节点(D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc)，该网络接口单元(10)包括多路由请求装配模块(11)，用于装配多路由请求消息(MREQ)，以使得来源节点(D)的多路由请求消息(MREQ)包括用于要向其建立网络路径的特定的多个目的地节点(D1、D2、D3)的多个地址(41、43、45)。该网络接口(10)还包括传输单元(12)，用于将该消息(MREQ)传输到无线多跳网络(WN)中的其它节点(D1、D2、D3、Da、Db、Dc)。本发明还描述了一种使用这样的网络接口单元(10)在无线多跳网络(WN)中在来源节点(D)与多个目的地节点(D1、D2、D3)之间建立网络路径的方法。

Description

用于无线多跳网络中的节点的网络接口单元以及建立无线多跳网络中节点之间的网络路径的方法
技术领域
本发明描述了一种用于无线多跳(优选是网格)网络中的节点的网络接口单元，以及一种建立无线多跳网络(优选是ZigBee网络)中节点之间的网络路径的方法。
背景技术
以自组织方式起作用的多跳网络在诸如工业控制、建筑自动化、嵌入式感测等之类的许多领域中得到应用。网络中的设备使用低功率低成本的无线电以无线方式彼此通信。这允许在定位设备时更多的自由度，因为对于无线的设备间通信不需要干线连接(mains connection)。
迅速被建立的用于这样的网络的无线控制的标准是由ZigBee联盟开发的ZigBee标准。ZigBee标准描述使用低功率数字无线电的设备之间的高级通信，并且基于IEEE 802.15.4标准，所述IEEE 802.15.4标准继而指定用于无线个人区域网络(WPAN)的物理(PHY)层和介质访问(MAC)层。
多跳网络的示例可以是具有诸如灯、开关、通风设备、运动传感器等之类的各种类型的设备的建筑自动化网络。其中每个是网络“节点”(即配备有无线接口)的这些设备可以将它们自己组织为网络，其中一个设备充当协调器，并且其它所有设备是“路由器”或者“终端设备”。与终端设备不同，路由器可以将消息从一个节点传递到另一个节点，充当中间节点。例如，房间内的多个灯可以是由具有路由器能力的开关控制的终端设备。
这样的无线网络中的设备或者节点通过以帧的形式交换消息或者网络命令来进行通信。帧的结构在适当的规范中列出，例如，帧通常包括报头和有效负载，并且帧中的特定“位置”处的某些字段可以将尤其是被传递的命令的类型通知给接收者。由于在此类型的低功率低成本网络中使用的发射机的无线范围是有限的，因此可以通过以被称作“多跳”路由的方式使用中间设备将消息从发送设备发送到远程接收设备。目标节点被定位得越远，将被用来递送消息的“跳”的数目越大。在将消息发送到目的地节点(也被称作目标节点)之前，来源节点(也被称作发起者节点或者始发者节点)必须首先建立到该目标或者目的地节点的网络路径，即，其必须首先发现到目的地节点的路由。在多跳网络中，来源节点可以经由任意数目的可能路由连接到目的地节点。显然，相对于具有较多的跳或者较弱的链路的路由，具有小数目的中间节点并且因此具有小数目的“跳”(每个“跳”具有令人满意的链路质量)的路由是优选的。已经开发了多种技术来帮助确定从来源节点到目的地节点的最佳路由。
使用当前的标准，例如使用AODV(自组网按需距离矢量)路由的技术执行的路由发现是非常消耗资源的任务。路由请求命令(RREQ)由距来源为定义的半径(在TCP/IP网络中被称为生存时间(TTL))内的每个路由器转播，而不管该路由请求命令可能已经到达其目的地的事实。此外，用于增加广播可靠性的技术、特别是用于基于共享介质的通信(诸如多跳无线)的技术进一步增加由单路由请求产生的分组的数目。一个示例是在ZigBee标准中使用的被动应答技术，其中路由器在转播RREQ分组之后在给定时间中跟踪是否其所有的相邻路由器进一步地将该RREQ分组转播，并且如果至少一个其相邻路由器未进一步地将该RREQ分组转播，则该路由器重新传输该RREQ分组。此外，当在具有更好的路径成本的路径上接收到相同的RREQ分组时，该分组必须被重新转播。显然，每个消息也将到达该消息不预期的许多节点，例如远离来源和目标节点两者并且不位于这些节点之间的节点。结果是流量中相当多的突发，其被称作“广播风暴”，其在大的网络中可以持续若干秒。由于带宽的限制以及作为单路由发现请求的结果而触发的较高等级的流量，分组可能冲突，以使得请求和答复未被递送并且请求可能失败。即使路由请求递送成功，由广播风暴产生的冲突或者介质占用仍可能阻止目的地的确认路由答复分组(其通常被沿着所发现的路径单播到来源节点)到达来源节点，以使得路由发现最终失败。这可能迫使发起者节点重复整个路由发现过程，即以另一个广播风暴开始。
此外，根据当前标准的路由发现必须对于每个来源-目的地配对独立执行，即，每次节点需要到另一个节点的路由，广播风暴就触发。对于需要建立到多个其它节点的路由的节点，这可以导致动作(例如按下照明控制网络中的开关)与预期的反应(打开由此开关控制的所有灯)之间的显著的延迟。WO 2007/055689建议了一种使用之前建立的路由的方式。这里，已经具有到目的地节点的路由的中间节点将答复发送回来源节点，修改RREQ消息，并且利用修改后的路由请求重新泛洪网络，从而目的地节点可以替代地选择更好的路由。尽管此方式利用之前建立的路由(即使仅是暂时地)，其并不减少由泛洪引起的拥塞的等级。由这样的广播风暴引起的较高等级的流量不仅导致路由发现过程中的低效率，而且其还可能阻挡重要的应用层命令，以使得所述命令需要重新发出。
显然，一种消除路由发现中的这些低效率的方式将是使得网络中的每个设备意识到其在网络树或者网格中的位置或者其地理位置以及其应当将其命令或者数据分组发送到的设备的位置。显然，每当设备被移动或者替换时，这样的信息将改变。这样的位置信息的手动配置是不切实际的，特别是在大的网络中，在所述较大的网络中，甚至需要每天执行这些纠正措施，导致较高等级的维护以及不能接受的成本因素。此外，将必须提供路径数据，或者将必须使用特殊的基于位置的路由算法。另一方面，树路由机制通常导致过长并且因此次优且潜在地超载的路由，并且如果路由上的一个节点(暂时)发生故障，则不存在备份的可能性。由ZigBee实现的树路由机制基于限制可能的网络拓扑并且对于较大的网络不切实际的Cskip树寻址方法。其它的基于树的路由机制需要用于建立和维护覆盖树结构的大量通信以及计算工作。对于后者，自组织无线网络的优点—灵活性和易用—将被有效地抵消。显然，树路由不是切实可行的解决方案。
因此，本发明的目的是提供一种在多跳网络中执行路由发现同时避免上面概述的问题的更有效的方法。
发明内容
为此目的，本发明描述了一种用于无线多跳网络(优选地是ZigBee网络)中的节点的网络接口单元，所述无线多跳网络包括可以借助于来源节点与目的地节点之间的网络路径连接的多个节点，由此建立从来源节点到目的地节点的网络路径，并且该网络路径可以穿过多个中间节点。该网络路径由多个相邻节点之间的物理连接组成(在下文中，网络路径也可以被简称为“路由”)。通常，在多跳网格网络中，在来源节点与目的地节点之间存在若干个中间节点，但也可以是来源节点是目的地节点的直接相邻节点以使得不需要中间节点(并且由此不必执行路由发现)的情况。根据本发明的网络接口单元包括多路由请求装配模块，用于装配多路由请求消息，以使得来源节点的多路由请求消息包括用于要向其建立网络路径的特定的多个目的地节点的多个地址，该多路由请求装配模块被实现为装配多路由请求消息以包括多路由请求指示符，该多路由请求指示符用于指示在无线多跳网络中在来源节点与多个目的地之间期望网络路径，该多路由请求指示符包括多路由请求消息的比特。网络接口单元还包括传输单元，用于将消息传输到无线多跳网络中的其它节点。
从网络中的路由发现的观点看，节点可以是在路由的开始处的来源节点、路由的结束处的目的地节点或者来源节点与目的地节点之间的中间节点。来源节点通过广播被称为“路由请求”的网络层命令来发起路由发现过程。目的地节点是具有在路由请求中指定的地址的节点。中间节点是作为来源与目的地之间的路由上的潜在节点的、接收(并且转发)路由请求消息的任何其它节点。如上面所提及的，在现有技术的路由发现中，路由请求被限制为发现到单个目的地的路由，从而对于每个要建立的路由网络必定被泛洪至少一次。由此，在包含每个具有若干个应用层连接的数以百计或者更多的节点的大网络中，将会有数以千计的路由发现广播风暴，由此有效地阻挡或者严重地妨碍网络中的其它流量。此外，对于包含数以百计的节点的大网络，广播风暴可以持续若干秒，如果到目的地的路由发现不成功(例如由于单播路由答复分组与仍被转播的路由请求消息或者与来自另一始发者的广播风暴的冲突)，整个路由发现过程可能必须被重复，这对网络不可靠性的贡献甚至更多。
利用根据本发明的网络接口，用于来源节点的路由请求包含建立该节点与多个目的地节点、而不是仅一个目的地节点之间的网络路径所需要的所有信息。使用根据本发明的网络接口，使用单路由请求并且因此仅触发单个广播风暴(即，网络仅需要被泛洪一次)来建立从来源节点到多个目的地节点的路由。一个明显的优点是网络中的维护流量的数量降低(一个路由请求广播风暴，而不是多个)，由此提高整体网络可靠性。另一个明显的优点是节省了相当多的时间，因为来源节点可以利用单个请求建立到若干个目的地节点的路由。如将在下面描述的，当中间节点检测到多个路由正被来源节点请求的指示时，任何截获路由请求的中间节点可以相应地反应。根据本发明的网络接口的另一可能的优点是节点可以发送较少的分组，由此在靠电池操作的设备的情况下节省电池电力。特别地，在启用信标的网络的情况下(其中节点仅在消息要被传递时活动)，通过根据本发明的网络接口而成为可能的流量的减少可以通过允许电池供电的节点更快地返回休眠或者睡眠状态，来大大延长电池供电的节点的寿命。
一种在无线多跳网络中建立来源节点与多个目的地节点之间的网络路径的适当的方法包括装配多路由请求消息的步骤，该多路由请求消息包括用于要向其建立网络路径的特定的多个目的地节点的多个地址，以及用于指示在无线多跳网络中在来源节点与多个目的地之间期望网络路径的多路由请求指示符，该多路由请求指示符包括多路由请求消息的比特。该方法还包括将该多路由请求消息传输到无线多跳网络中的其它节点。
至少一些节点(优选地是网络的所有路由器)应当能够例如在网络接口中的适合的多请求处理模块中执行多路由请求消息的适当的处理。
从属权利要求以及随后的描述公开了本发明特别有利的实施例和特征。
在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，无线多跳网络将被假定为符合ZigBee 2007标准的ZigBee网络，其具有ZigBee协调器(ZC)、ZigBee路由器(ZR)以及ZigBee终端设备(ZED)。当然，本发明不以任何方式被仅限为此标准，而是可以与诸如IEEE802.11或者ZigBee标准的未来发展之类的其它标准一起使用。术语“设备”和“节点”在下文中也可以被互换地使用。在下文中使用的、诸如网络分组有效负载的各个字段的名称或者应用层变量的名称之类的特定术语对于熟悉诸如ZigBee标准之类的标准的技术人员将是已知的。根据本发明的网络接口和方法所需要的新的术语或者字段被指示。
在ZigBee网络中，当可以是ZC和ZR中的任一个的始发设备发出路由请求时，路由发现被发起。ZED不发出路由请求，而是简单地向它们的母设备发送数据，所述母设备然后始发路由请求。然而，仅ZC和ZR可以充当中间节点；ZED不参与路由和路由发现。路由请求是其结构由ZigBee标准定义的数据分组。根据本发明的网络接口以及建立网络路径的方法提出适应性调节路由请求分组结构以允许多个路由在单个分组有效负载中指定。本发明提出适应性调节标准路由请求(RREQ)消息以将关于多个目的地的信息包含在新的“多路由请求(MREQ)”消息中。因此，在本发明的特别优选的实施例中，网络命令有效负载的命令选项字段的之前未使用的比特(比特7)被用于指示在此分组中到多个目的地的路由正被请求。本发明提出了将此比特称为“多路由请求”指示符比特或者标志，简称为“MR”。如果在网络命令有效负载的命令选项字段中设置了MR比特或者标志，则接收到此命令分组的网络接口将相应地反应，如下面将解释的。
除了多路由请求消息的命令选项字段中新指定的“多路由请求”指示符比特，使用根据本发明的方法而装配的网络命令有效负载还包括优选地包括一个字节的“多个请求”字段。此新字段指定要发现的单播路由和多播路由的数目。例如，“多个请求”字段中的四个比特可被用于指示要发现多少单播路由，“多个请求”字段中剩下的四个比特可以指示要发现上至15个多播路由。单播和多播目的地的总数最终受对于分组有效负载大小施加的约束的限制。如在适当的标准中设置的，网络命令有效负载被限制为最大81个字节(如果使用网络层安全性的话)以及99个字节(如果未使用网络层安全性的话)。每个单播目的地需要一共上至12个字节-2个字节用于短地址，8个字节用于长地址(如果已知的话)，1个字节用于路径成本，1个字节用于路由请求ID，同时多播目的地需要4个字节(因为对于多播目的地长地址不存在，仅有短组地址存在)。在优选实施例中，单个路径成本字段可被用于所有的多路由请求，而不是对于每个目的地具有1个路径成本字段。以此方式，有效负载可以容纳更多的目的地。
有效负载和分组的装配由网络层原语(primitive)触发，该网络层原语(primitive)将诸如多播地址列表、单播地址列表、单播和多播路由每一个的数目等等之类的所需要的参数传递给将适当的字段填充到消息帧和有效负载中的帧装配器模块。然后，该网络层原语为所有的所请求的目的地创建适当的路由表条目。然后，装配的消息被传递到较低层以进行传输。装配的消息然后由网络接口的传输单元经由广播(或者限定式广播)传输到网络中。
显然，在下文中也被称作“MREQ”的、根据本发明的新的多路由请求消息必须被接收它的任意中间节点正确地解释。因此，在根据本发明的网络接口单元的特别优选的实施例中，当多路由请求消息被中间节点接收并且“多路由请求”指示符比特被设置时，对于在多路由请求消息中包含的每个目的地节点地址，用于多个目的地节点中的每一个的路由表条目以及用于每个RREQ ID的路由发现表条目由该中间节点生成。这些表条目之后被该中间节点使用，以使得例如该中间节点可以将答复发送回正确的节点。这些表条目的目的和使用将对于本领域技术人员来说是已知的，被适当的标准定义，并且不需要在这里详细解释。注意：对于MREQ帧，多请求中的一个的目的地同时是其它目的地的中间节点。由此，在为目标为该节点自身的RREQ创建路由答复消息之后，该节点还应当为其他目的地创建路由表条目以及路由发现条目并且转播该命令，就像任何其它中间节点那样。作为优化，该节点可以在转播之前将其自身从目的地列表中移除。
为了更有利地使用本发明的思想，可以主动地发现到“重要的”设备的路由。例如，在多对一路由的情况下，诸如桥或者网关之类的集中器可以“意识到”诸如ZigBee协调器、绑定高速缓存、网络管理器、信任中心等等之类的基础结构设备。由于这些节点将很可能是网络中的许多其它节点感兴趣的，因此该集中器可以使用单路由请求来主动地建立到所有这些设备的路由。
一些设备可以具有多个应用层连接并且由此需要建立多个网络层连接，例如ZigBee开关以及被该开关控制(例如激活或者去激活)的多个ZigBee设备。例如，光开关可以具有与“属于”该开关的灯或者发光体(典型地是同一房间中的灯)的应用层连接，同时另一个、例如HVAC(加热、通风以及空调)控制器可以具有与办公楼等的若干房间中的空调单元的应用层连接。使用根据本发明的方法，这样的开关可以快速地发现到其所有设备的路由。取决于属于该开关的设备的数目，即取决于要在网络分组有效负载中包括的地址的数目，该开关可能需要一个或者更多个多路由请求。
显然，为了发现用于其所有应用层连接的路由，始发设备必须知道适当的地址。因此，在本发明的另一优选实施例中，无线多跳网络中的节点的网络接口包括配置接口，借助于该配置接口，可以为该节点供应与该节点在功能上相关联的其它特定节点的地址。例如，借助于适合的接口，绑定信息形式的数字数据可以被下载到设备的存储器中并且被存储以在之后使用。
如在引言中所提及的，由于网络中的冲突，现有技术的广播风暴可能无法成功地在来源节点与目的地节点之间建立路由。即使当路由请求设法到达目的地节点并且此目的地节点发出单播路由答复以确认该路由时，在路由答复消息与仍然由网络中的其它节点广播的路由请求冲突或者由于仍然由网络中的其它节点广播的路由请求而导致路由答复消息无法访问介质的情况下，路由发现仍然可能失败。因此，在本发明的特别优选的实施例中，网络接口被实现为至少两次向来源节点发出路由答复消息，以使得在特别简单但有效的解决方案中，路由答复成功到达来源节点的机会显著增加。优选地，各重复可以从时间上分开，例如由适合的重复间延迟值定义的。消息的传输要重复的次数(被指定为适合的变量，其例如可被称为“nwkRouteReplyTransmission”)可以由重复计数值定义，例如为三次或者四次。消息的传输要重复的时间间隔(被指定为适合的变量，其例如可被称为“nwkRouteReplyTimeout”)可以例如被设置为0.5秒。
在本思想的进一步的发展中，网络接口单元优选地被实现为在延迟之后发出初始路由答复消息。通过在发出路由答复之前等待短暂的间隔，广播风暴将在强度上(至少在回到路由请求来源的路径上)降低的机会更高，减小由于冲突或者介质繁忙而导致的路由答复失败的可能性。延迟值可以是预先定义或者可配置的值，并且可以由适当的变量指定，该适当的变量(在预先定义的情况下)对于根据本发明的网络接口可以具有固定值或者取决于网络大小或其它网络参数(例如子路由器的最大数目nwkMaxRouters)或者取决于可用于该节点的其它数据(例如其领域中的路由器的密度)的值。所提出的变量(其例如可以被称为“nwkRouteReplyDelay”)可以从由ZigBee标准定义的已经在使用的变量导出。一个示例可以是也被用于控制过程的变量，例如应答超时、广播重试、重试间隔等等之类。例如，对于nwkRouteReplyDelay变量的固定值可以如下地获得：
nwkRouteReplyDelay＝2·nwkPassiveAcktimeout(网络被动应答超时)nwkBroadcastRetries(网络广播重试)
而取决于网络的值可以由下式给出：
nwkRouteReplyDelay＝nwkMaxDepth(网络最大深度)·nwkcRREQRetryInterval(网络RREQ重试间隔)
其中变量nwkPassiveAcktimeout、nwkBroadcastRetries、nwkMaxDepth以及常数nwkcRREQRetryInterval由ZigBee标准定义。
优选地，网络接口包括用于存储这样的数据变量的诸如小存储器之类的存储介质。例如，存储器可以存储多个目的地节点的地址和/或重复传输消息的次数的重复计数值，和/或在传输诸如路由答复消息之类的路由答复消息之前的延迟值。
显然，路由答复的重复发送和/或路由答复的延迟发送不限于对于多路由请求的响应。实际上，这些方法可以独立于多路由请求而被应用，例如应用于使用已知的(单)路由请求命令建立路由的现有技术的ZigBee多跳网络。特别地，对于这样的网络，可以实现时间和能量上的相当大的节约。由于冲突导致失败的路由请求而造成网络需要被再次泛洪的可能性将被相当大地降低，多跳网络中的设备较不可能在重复的路由请求中耗费能量。
通常，路由被反应性地发现，即，在它们被需要时被发现。只要路由未被破坏(这例如可能在中间节点出现故障时发生)，此路由可被视为有效。显然，这样的之前建立的路由的某些部分或者所有部分可以被另一对始发节点和目的地节点重新使用，以使得在对于此节点配对的路由发现步骤中，整个网络不需要被泛洪。因此，在本发明的另一优选实施例中，当接收节点已经是到在路由请求中指定的目的地节点的之前建立的网络路径的一部分时，接收路由请求消息的节点的网络接口单元被实现为向路由请求的来源节点发出路由答复消息。因此，此接收节点不再需要进一步广播路由请求，因为通过使用其已经建立的到目的地节点的路由，已经在来源节点与目的地节点之间发现完整的路由。以此方式，自此时刻起，广播风暴可以被停止，以使得有效地缩短路由发现过程。
另一种减少广播风暴的持续时间的方式是减少转发路由请求的中间节点的数目，即限制广播风暴的范围。因此，在本发明的另一个优选实施例中，网络接口单元被实现为使得由来源节点发出的路由请求消息的广播半径被限制在预先定义的范围。该范围可以是转发消息的中间节点的数目，以使得例如对于等于3的广播半径，路由请求可被三个中间节点转发，即在第三个中间节点停止其穿过网络的路径之前该消息进行三次“跳”。在由于目的地节点在广播半径之外，因此路由无法被建立的情况下，此半径可被扩大，直到发现目的地节点并且在在来源节点与目的地之间建立路由为止。
无线网络可以包括具有不同的网络接口的设备或者节点，例如一些设备可以具有根据本发明的网络接口，剩下的设备可以具有现有技术的网络接口。然而，为了实现这里描述的网络接口的大多数优点，无线多跳网络优选地包括其中每个具有能够使用根据本发明的方法的网络接口的设备或者节点。
根据结合附图考虑的以下的详细描述，本发明的其它目的和特征将会变得显而易见。然而，应理解：附图仅仅为图示的目的而设计，并不作为对本发明的限制的定义。
附图说明
图1是图示在示例的现有技术网络中的路由请求命令帧的传播的图。
图2a示出了根据本发明的第一实施例的ZigBee路由请求命令帧的示意表示。
图2b示出了根据本发明的第二实施例的ZigBee路由请求命令帧的示意表示。
图2c示出了根据本发明的第三实施例的ZigBee路由请求命令帧的示意表示。
图3a示出了根据本发明的另一个实现方式的路由请求的CommandOptions(命令选项)字段。
图3b示出了现有技术路由答复分组的现有技术CommandOptions字段以及根据本发明的实施例的路由答复分组的CommandOptions字段。
图4a示出了根据本发明的可能的实施例的无线多跳网络中的设备的示意表示。
图4b示出了图4a的无线网络的多跳网络图。
图5示出了根据本发明的实施例的网络接口的框图。
图6示出了用于根据本发明的实施例的方法的广播半径值以及关联的路由发现和广播递送参数值的表格。
在附图中，通篇相似的标号指代相似的对象。图中的对象不一定是按比例绘制的。
具体实施方式
图1的图示出了在包括630个ZR节点的现有技术的网络中路由请求(RREQ)消息的传播；每个“+”指示由节点广播的RREQ消息。竖直轴指示在由来源节点发出的初始RREQ消息与由特定的节点发送RREQ消息之间经过的时间，而水平轴指示以米为单位的特定节点距来源节点的距离。如图所示，广播风暴在强度上增加，直到距来源节点最远的最后的节点转发了RREQ消息为止。直到到达这些节点为止，经过了3.5秒。此时，网络被RREQ消息泛洪，以使得其它应用消息或者甚至对于此RREQ的路由答复消息可能无法通过。
图2a示意性地示出了根据本发明的第一实施例的多路由请求网络命令MREQ的结构。如在引言中提及的，从一个节点发送到另一个节点的网络命令包括网络报头1以及网络有效负载2，这对于本领域技术人员来说是已知的。网络命令帧由网络层的帧装配器响应于NLME-MULTIROUTE-DISCOVERY.request(网络层管理实体-多路由-发现.请求)原语而装配。缩写“NLME”代表“网络层管理实体”服务接入点。如将对于本技术人员已知的，这样的原语指定要由该原语要发送到的层使用的字段或者参数的值，以便处理和/或构造该帧。以下是根据本发明由原语传递到帧装配器的变量的列表：
NLME-MULTIROUTE-DISCOVERY.request{
         DstAddrMode，
         ListOfMany-to-OneAddresses，
         NoRouteCache，
         ListOfMulticastAdresses，
         ListOfUnicastAddresses，
         Radius
         }
其中DstAddrMode包括指定所提供的目的地地址的种类和数目的2个字节。比特3-0指定多对一路由发现的16比特目的地地址的数目，比特7-4指定多播组的16比特网络地址的数目，比特11-8指定各个设备的16比特地址的数目，比特15-12被保留。变量ListOfMany-to-OneAddresses包含多对一地址的列表。NoRouteCache是指定当多对一路由要被发现时应当建立(真)还是不应当建立(假)路由记录表的布尔值。变量ListOfMulticastAdresses和ListOfUnicastAddresses包含地址的列表，变量Radius是指定要由路由请求在网络中进行的跳的数目的可选参数。
使用由原语提供的信息，帧装配器装配多请求消息MREQ，具有报头1和有效负载2，如图中所指示的。为了例示的目的，不同的功能嵌套区域1、2、3、4由不同的阴影指示。消息报头1包括供应尤其是控制和安全信息的多个字段。有效负载2由1个字节长度的命令标识符字段20指示，用于指示随后的内容3是命令有效负载3。根据本发明，命令有效负载3以1个字节长度的命令选项字段30开始，其后是1个字节长度的多请求字段31。命令选项字段30和多请求字段31的内容在图的下部分中示出。命令选项字段30的前7个比特(即比特0-6)被以符合ZigBee标准的常见方式解释。根据本发明，该命令选项字段30的最后的比特(比特7)现在被用于指示命令有效负载3包括多个请求。后面的多请求字段31的前4个比特指示单播路由的数目，剩下的4个比特被用于指示要利用此多路由请求MREQ消息发现的多播路由的数目。网络帧有效负载的大小在ZigBee-2007中被限制为总共82字节，以使得可以使用根据本发明的多路由请求来发现的单播和多播路由的数目也被限制。由于需要3个字节用于网络命令标识符、命令选项以及多请求字段，剩下79个字节的有效负载用于单播/多播路由请求。
有效负载2的剩下的部分4包括单播路由请求和多播路由请求的请求ID、路径成本以及地址信息。
在此实施例中，每个单播路由请求需要一共12个字节：1个RREQ标识符字节40、2个目的地地址字节41、1个路径成本字节42以及8个目的地IEEE地址字节43。这4个字段的模式对于每个要发现的单播路由重复。有效负载可以容纳上至6个单播路由请求，需要最大72个字节。类似地，由于每个多播路由请求需要一共4个字节(1个RREQ标识符字节44、2个目的地地址字节45以及1个路径成本字节46)，因此在有效负载中可以容纳上至15个多播路由请求，需要最大60个字节。这3个字段的模式对于每个要发现的多播路由重复。为求清楚，在图中仅对第一单播或者多播请求的字段编号。
当命令选项字段30的“比特7”被设置(即1)时，这通知接收分组的中间节点后面的字段31是多请求字段31。然后，中间节点可以为每个要发现的单播和多播路由生成路由表条目以及发现表条目。实际上，通过设置命令选项字段30的“比特7”，来源节点通知中间节点有效负载的内容与标准路由请求(RREQ)有效负载不同，以使得中间节点将相应地反应。
如上面所解释的，网络帧有效负载的大小被限制为一共82个字节，从而可被发现的路由的数目也被限制。然而，在替代实现方式中，路由的总数目可被增加。如图2b中所图示的，有效负载的整体结构基本上保持相同。然而，代替如图2a的示例的情况那样，对于每个单播路由请求和多播路由请求具有专门的路径成本字段，可以使用单个路径成本字段48。然后，单播路由请求仅需要1个RREQ标识符字节40、2个目的地地址字节41以及8个目的地IEEE地址字节43，而多播路由请求仅需要1个RREQ标识符字节44以及2个目的地地址字节45。这意味着可以“节省”若干字节，允许发现1个额外的单播路由。再一次，要发现的单播和多播路由的每一个的总数目如上面在图2a中描述的在多请求字段31中指定。
使用根据本发明的方法的优点，网络有效负载也可以被用于多对一路由发现，例如在网关设备希望事先建立到多个其它重要的设备的路由的情况下。有效负载2的结构可以在图2c中看到。命令选项字段30的第三和第四比特被设置为指示正在执行多对一路由。命令选项字段30中最后的比特指示要处理多个请求。后面的多请求字段31的前4个比特现在指示要为其建立多对一路由的节点的数目，而剩下的4个比特未被使用，1个字节长度的路径成本字段32指示对于来源(即预期的集中器)的成本，而1个字节长度的RREQ标识符字段33与网络报头中的来源地址一起唯一地标识RREQ分组。有效负载的剩余部分被用于期望的多对一节点的地址。再一次，每个路由请求需要一共10个字节：2个来源地址字节41以及8个来源IEEE地址字节42，从而可以在一个MREQ消息中建立一共上至7个多对一路由。再一次，对于每个要发现的路由重复这两个字段的模式，在图中仅对前两个字段40、41编号。可以主动地建立多对一路由，这优选地是在设备(例如集中器、网桥、网关等等)发现了所述多对一路由之后。在接收到根据上面的描述的具有多个多对一目的地的MREQ命令时，集中器范围内的所有节点对于多个多对一路由目标中的每一个创建路由表条目。
如已经解释的，可以应用根据本发明的方法来通过让已经位于到期望的目的地的路由上的中间节点直接向来源节点发出路由答复来减小广播风暴的强度。路由请求不需要被这些中间节点再次广播。为了允许这样的路由重新使用，在根据本发明的方法中，路由请求消息(MREQ或者甚至RREQ)中的FrameControl(帧控制)字段的DiscoverRoute(发现路由)标志被设置为“11”。这在图3a中以图形示出，图3a示出了具有FrameControl字段50的路由请求消息MREQ，该FrameControl字段50包括两组8比特二进制数，其中比特6和7在被设置时指示期望路由重新使用。在根据本发明的方法中使用这些比特由交叉阴影指示。当这些设置的比特被接收路由请求并且已经有到所指定的目的地的路由的中间节点检测到时，中间节点相应地装配路由答复RREP。图3b的上半部分示出现有技术的CommandOptions字段60’，其中保留前4个比特0-3。在图3b的下半部分中示出的根据本发明装配的路由答复的CommandOptions字段60中，比特3被设置为指示由此中间节点提供的路由可能是次优的路由。根据本发明的方法中此比特的使用由交叉阴影指示。
图4a示出了无线网络WN中的可能布置中的多个设备D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc的示意表示。每个设备D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc具有符合ZigBee的网络接口10，其允许所述设备在无线多跳网络WN中发送和接收消息，从而所述设备可以与其它设备D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc交换信息。在此示例中，设备D是以运动传感器或者可以检测在房间中人员的存在并且可以控制发光体D1、D2、D3的任何存在检测器的形式的开关。这些发光体D1、D2、D3包括功能多播组G并且具有组地址。无线网络中的其它设备Da、Db、Dc可以是光传感器、恒温器、通风设备等等。为求简单，发光体D1、D2、D3以及开关D可以被假定为处于相同的房间中，但是其它设备可以被布置在任何地方。有意地使此示例保持简单，并且技术人员将意识到无线多跳网络可以包括数以百计或者甚至数以千计的节点或者设备。
图4b示出了图4a的无线网络的多跳网络图。该图示出了设备D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc之间所建立的网络路径或者路由。在这一种情况下，开关D(存在检测器)已经建立了到其控制的组G(发光体)的网络路径以及到另外的设备Da和Dc(HVAC设备)的网络路径。发光体D1、D2、D3以及HVAC设备Dc不直接在开关D的范围内；从D到G的组成员的路由穿过Db到最接近的组成员D1，通过该组成员D1该路由以成员模式多播被传输到D2和D3；而从D到Da的路由是直接的，从D到Dc的路由经由Db和D2。在现有技术的路由发现过程中，为了建立这些路由，来源节点D将必须利用路由请求(RREQ)连续两次泛洪网络WN，每个目的地G、Db和Da一次。在根据本发明的方法中，来源节点D可以装配多路由请求消息，具有两个单播地址(用于设备Db和Da)以及用于包括设备D1、D2、D3的发光体组G的一个多播地址。
根据本发明的网络接口10的非常简化的框图在图5中示出。必须强调，仅指示了与本说明书有关的那些框或者单元，本领域技术人员将意识到适合功能的网络接口所需要的任何其它模块或者单元。这里，帧装配单元11可以根据由其中网络接口10被并入的节点执行的动作来装配帧，例如多路由请求MREQ或者路由答复RREP。配置接口14允许例如在试运行(commissioning)步骤中配置设备的网络接口10，以包括此节点将被绑定到的设备的地址信息。例如，灯开关可以被绑定到其将激活的灯或者发光体。在这里被示为配置接口14的一部分，但是可以被分开实现的存储器15可以存储这样的诸如设备地址之类的信息以及诸如重复计数值和用于发送路由答复消息的延迟值之类的其它参数。当其中网络接口被并入的节点充当来源节点并且希望建立到其地址被存储在存储器15中的目的地的路由时，从存储器中检索地址，并且帧装配模块装配多请求消息MREQ，该多请求消息MREQ然后在无线网络中经由传输接口12被广播。如在上面使用图2a解释的，多路由请求消息的特征在于帧的CommandOptions字段中的设置的或有效的多请求比特MR。
也具有网络接口10的网络中的中间节点借助于接收接口13检测帧，并且开始在解码单元16中解码帧的字段。当该中间节点检测到存在有效的MR比特时，它知道正在接收多路由请求消息，并且借助于MultipleRequests(多请求)字段继续确定要建立多少单播和/或多播路由，并且使用此信息为这些目的地生成表条目T1、T2、T3，例如路由表条目和路由发现表条目。此信息可以在稍后当在来源节点与目的地节点之间传递帧时由中间节点使用，如将对于本领域技术人员来说是已知的。显然，为求清楚在图中被示为分开的实体的传输器12和接收器13可以被实现为组合的收发器模块。
自身是在多路由请求MREQ中指定的目的地节点的节点将编译路由答复消息RREP。此路由答复可以被发出如由存储器15中存储的值指定的那么多次，并且可以再一次根据存储器中存储的值在传输之前被延迟。如果尚未存储这样的值，则可以通常的方式简单地将路由答复RREP发送一次。
此外，目的地节点将可能在从目的地的列表中删除其自身地址之后并且只有当在该列表中还剩下任何目的地地址时转发MREQ。始发、中间和目的地节点的随后的行为将对于本领域技术人员来说是已知的，并且此时不需要被进一步处理。
上面的技术中的任一个可以进一步与根据本发明的方法的其它变型组合，即应用受限制的广播半径来限制广播风暴的范围。图6示出了广播半径值以及关联的路由发现和广播递送参数值的表。始发设备中根据本发明的网络接口可以选择较低的广播半径，例如2，以使得仅转发路由请求两“跳”。利用较低的广播半径的值，还可以期望用于答复的时间更短，以使得与时间有关的参数“nwkcRouteDiscoveryTime”和“nwkBroadcastDeliveryTime”是在保持对应的广播半径值时所分配的值，所述“nwkcRouteDiscoveryTime”和“nwkBroadcastDeliveryTime”分别指定始发者节点和中间节点应当使路由发现条目等待接收RREP分组的时间，以及在广播事务表(BTT)中保持与特定广播分组相对应的条目以避免重复的时间。如果此较低的广播半径不足，即来源节点在由对应的参数所指定的给定的时间内没有接收到路由答复，则广播半径(即跳的数目)可被增加。如果必需，广播半径可被持续增加，直到路由发现成功并且从每个目的地节点接收到路由答复为止。
通过应用如在这里描述的根据本发明的方法，建立到多个目的地的路由所需要的时间可以由此被显著地减少，整个网络的泛洪可以被避免，并且更可靠的路由发现过程的确认是可能的，上述都以最小的努力实现。
尽管已经以优选实施例以及其变型的形式公开了本发明，但是应当理解的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对其进行许多额外的修改和变型。为求清楚，应理解贯穿本申请的“一”的使用不排除多个，“包括”不排除其它步骤或者元件。“单元”或者“模块”可以包括多个单元或者模块，除非另外声明。

Claims (12)

1.一种用于无线多跳网络(WN)中的节点(D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc)的网络接口单元(10)，所述无线多跳网络包括能够借助于来源节点与目的地节点之间的网络路径连接的多个节点(D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc)，该网络接口单元(10)包括
-多路由请求装配模块(11)，用于装配多路由请求消息(MREQ)，以使得来源节点(D)的多路由请求消息(MREQ)包括用于要向其建立网络路径的特定的多个目的地节点(D1、D2、D3)的多个地址(41、43、45)；
-该多路由请求装配模块(11)被实现为装配多路由请求消息(MREQ)以包括多路由请求指示符(MR)，该多路由请求指示符(MR)用于指示在无线多跳网络(WN)中在来源节点(D)与多个目的地节点(D1、D2、D3)之间期望有网络路径，该多路由请求指示符(MR)包括多路由请求消息(MREQ)的比特；
-以及传输单元(12)，用于将该多路由请求消息(MREQ)传输到无线多跳网络(WN)中的其它节点(D1、D2、D3、Da、Db、Dc)。
2.根据权利要求1所述的网络接口单元(10)，其中网络接口单元(10)被实现为使得当多路由请求(MREQ)中的多路由请求指示符(MR)被中间节点(Db)检测到时，用于所述多个目的地节点(D1、D2、D3)中的每一个的表条目(T1、T2、T3)由该中间节点(D2、Db、Dc)基于在该多路由请求消息(MREQ)中包含的目的地节点地址(41、43、45)来创建。
3.根据权利要求1到2中的任一项所述的网络接口单元(10)，包括配置接口(14)，该配置接口用于获得无线多跳网络(WN)中其它特定节点(D1、D2、D3)的地址(41、43、45)。
4.根据权利要求1或2所述的网络接口单元(10)，该网络接口单元(10)被实现为至少两次向来源节点(D)发出路由答复消息(RREP)。
5.根据权利要求1或2所述的网络接口单元(10)，该网络接口单元(10)被实现为在根据延迟值的延迟之后发出路由答复消息(RREP)。
6.根据权利要求1或2所述的网络接口单元(10)，包括存储介质(15)，该存储介质用于存储
-多个目的地节点(D1、D2、D3)的地址(41、43、45)；
-和/或重复传输路由答复消息(RREP)的次数的重复计数值；
-和/或传输路由答复消息(RREP)之前的延迟值。
7.根据权利要求1或2所述的网络接口单元(10)，节点(D2、Db、Dc)的网络接口单元(10)被实现为当该节点(D2、Db、Dc)位于之前建立的到目的地节点(D1、D2、D3)的路由上时向来源节点(D)发出路由答复消息(RREP)。
8.根据权利要求1或2所述的网络接口单元(10)，该网络接口单元(10)被实现为使得由来源节点(D)发出的路由请求消息(MREQ)的广播半径被限制为预先定义的范围。
9.一种无线多跳网络(WN)，包括具有根据权利要求1到8中的任一项所述的网络接口单元(10)的多个节点(D、D1、D2、D3、Da、Db、Dc)。
10.一种在无线多跳网络(WN)中在来源节点(D)与多个目的地节点(D1、D2、D3)之间建立网络路径的方法，该方法包括以下步骤：
-来源节点装配多路由请求消息(MREQ)，该多路由请求消息(MREQ)包括用于要向其建立网络路径的特定的多个目的地节点(D1、D2、D3)的多个地址(41、43、45)，以及多路由请求指示符(MR)，该多路由请求指示符(MR)用于指示在无线多跳网络(WN)中在来源节点(D)与多个目的地节点(D1、D2、D3)之间期望有网络路径，该多路由请求指示符(MR)包括多路由请求消息(MREQ)的比特；
-以及将该多路由请求消息(MREQ)传输到无线多跳网络(WN)中的其它节点(D1、D2、D3、Da、Db、Dc)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中当多路由请求消息(MREQ)被来源节点(D)与目的地节点(D1、D2、D3)之间的中间节点(D2、Db、Dc)接收到时，该中间节点(D2、Db、Dc)为在多路由请求消息(MREQ)中指定的多个目的地节点(D1、D2、D3)中的每一个创建表条目(T1、T2、T3)。
12.根据权利要求10到11中的任一项所述的方法，其中特定的多个目的地节点(D1、D2、D3)的地址(41、43、45)借助于配置接口(14)被提供给来源节点(D)。
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