CN102057731B - 建立无线多跳网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种建立包括设备布置(D)中的多个设备(0，1，2，...，96)的无线多跳网络(NW)--尤其是ZigBee型网络--的方法，在该方法中，设备(1，2，3，...，96)在自组织过程中建立与网络(NW)的至少另一个设备(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73，79，88)的物理的无线连接。在该自组织过程中，打算加入网络的探寻设备侦听由已经在网络中的候选母设备发射的、包括发射设备的设备标识符和网络标识符的信标信号。然后，在母设备选择过程中，探寻设备按照给定的选择规则，根据网络标识符(EPID)、候选母设备的接受能力、以及关于该设备与候选母设备的链路质量参数值，从候选母设备中间选择母设备。在这个母设备选择过程中，应用探寻设备和/或候选母设备的应用级别连接数据(L，BI)。至少，探寻设备经由所选择的母设备(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73，79，88)物理地以及优选地还逻辑地连接到网络(NW)。本发明还描述包括用于按照本方法连接无线多跳网络(NW)的网络接口的设备。

Description

建立无线多跳网络的方法

发明领域

本发明描述建立包括在设备布置(device arrangement)中的多个设备的无线多跳网络--优选地是网状网络，尤其是ZigBee型网络--的方法。本发明还描述包括用于连接无线多跳网络的网络接口的设备。

发明背景

在商业(商务的、工业的、社会公共机构的)以及还有消费者市场中，对于各种设备布置的自动控制，无线网的使用正变得越来越广泛。例子是例如用于照明、供暖与通风、安全等等的大楼自动化系统，包括诸如灯镇流器、开关、调光器或其它控制单元、日光/占用传感器(occupancysensor)、致动器、计量器等等那样的设备。无线控制的使用使得自动化设备独立于作为控制媒介的主电源，因为设备的控制不再依赖于电源线和电源插座，因此允许设备放置的自由度，并且至少是对于可以由电池供电的那些设备，诸如开关和传感器而言，允许更大的设备便携性。这样的无线个人网(WPAN)的典型例子是ZigBee(IEEE 802.15.4)、蓝牙、HomeRF或Wi-Fi网络。

在许多情形下，在设备之间的空中接口的发射范围小于网络的尺度，并且对于应用级别连接，第一设备可能必须经由若干第三设备建立到第二设备的网络路径(在下面也称为“路由”)，该第三设备把消息从第一设备传递到第二设备。这样的网络--其中在应用级别上，发送设备通过使用作为中间站的其它设备而传送消息到接收设备--被称为“多跳”网络。由此，在发送设备与接收设备之间的网络路径可以按照相关的网络标准的规则以自组织的方式被建立。对于它，使用了物理连接和逻辑连接，物理连接即设备直接处在相互的无线电范围中的事实，特别是在网状网络中；而逻辑连接即在节点之间的特殊关系，特别是在基于树的拓扑中。在设备之间的物理连接和逻辑连接可以在初始化过程中，例如当设备加入网络时被建立。在另一个例子中，网络路径可以在需要它时以ad-hoc方式被建立，特别是当先前的网络路径例如由于路径上的中间设备的故障而被破坏时。

当前，ZigBee是仅有的标准低功率、低覆盖区(low-footprint)WPAN技术，它在很大程度上允许自组织。ZigBee提供两种建立网络拓扑的方式：‘DirectJoin(直接加入)’和自由关联，由此在这两种情形下可以建立树结构，这对于较小的网络是优选的配置，或者可以建立随机结构，这对于较大的网络可以是有利的解决方案。新设备通过其来加入的设备被称为该加入设备(‘子设备’)的‘母设备(parent device)’。

DirectJoin方法需要用户为网络中的所有设备预先定义母子关系。除了给用户增加较大负担以外(特别是在具有几千节点的大网络中)，这还需要专家工具来测量无线电范围和/或关于无线传播的专家知识，以及当必须对网络作出更改或适配时，这还与高维护努力相关联。这在不稳定的、易受多径影响的无线环境下是不合需要的。

自由关联过程允许打算加入网络的探寻设备(seeking device)(或者是完全新的设备，或者是以前在网络中的设备)按照预定义的准则选择母节点。在ZigBee标准中，功能减少的ZigBee终端设备(在下面也称为‘ZED’)和ZigBee路由器(在下面也称为‘ZR’)都试图选择这样的路由器作为母设备，即：对于该路由器以下所有条件均成立：

1.路由器属于由特定的网络标识符(在ZigBee标准中是‘ExtendedPANId参数’或‘EPID’)标识的网络；

2.路由器对于有正确设备类型(ZigBee路由器或ZigBee终端设备)的加入请求和告知能力是开放的；

3.宣告的‘更新id’是最近的；

4.对于从这个设备接收的帧的链路质量是使得产生至多3的链路成本。[ZigBee-2007，053474r17，sec.3.6.1.4.1.1，p.352，1.1ff]，

由此，链路成本被计算为：

$C\left\{1\right\}=\left\{\begin{array}{c}7,\\ \min (7,\mathrm{round}\left(\frac{1}{p_1^4}\right))\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中p₁是链路1上的分组递送的概率，它可以通过分析分组差错率和/或诸如能量检测和/或信噪比值那样的信号属性而得到；这由ZigBee实施者自行处理。

5.如果有一个以上的设备满足这四个要求，则按照ZigBee标准，加入设备应选择具有最小树深度的母设备。[ZigBee-2007，053474r17，sec.3.6.1.4.1.1，p.352，1.18ff]。如果一个以上的潜在母设备具有最小的深度，则设备从这些潜在母设备中自由选择。

在初始网络形成时，设备可能还没有对链路成本的良好的估计，因为到那时候将只有很少的分组被发送/接收。当为链路成本取缺省值7时(见方程式(1))，所有的可能的母设备均满足要求1-4，在第四要求上是平手，这实际上将使得节点只应用第五规则，即，选择在网络树中最高(具有最低的树深度)的母设备。

所以，以上的自由关联方法可能导致在接近树根——即ZigBee PAN协调器(下面也称为‘ZC’)，其形成网络逻辑结构(特别是树)——处非常密集的网络拓扑，并可能导致潜在地质量差的母-子链路(至少，可能有更高质量的链路是可得到的)。结果，网络的性能在分组递送的延迟和可靠性方面可能比最佳性能差。对于合并了ZED的网络尤其如此，ZED被标准迫使而只是经由它们的母设备进行通信。

预计在ZigBee那样的网络中有许多ZED那样的功能减少的、电池供电的设备，因为无线控制的长处在于它独立于主电源。预计控制设备--开关、传感器、遥控器(RC)等等，它们主要使用无线电来对用户输入或感测的环境改变作出反应--是电池供电的ZED。多个设备可以由它们控制，包括分组丢失敏感的和时间关键的应用，比如照明开关，从而需要--尽管ZED有减少的功能性--某种网络性能水平。而且，希望通过把与命令相关联的重传次数保持为最小而使得网络可靠性最大化，且由此节省ZED的能量。

所以，本发明的目的是提供用于形成无线多跳网络--尤其是包括ZED的ZigBee型网络--的更智能的自组织方法，以及提供包括用于按照本方法连接无线多跳网络的网络接口的设备。

发明概要

为此，本发明描述了建立包括设备布置中的多个设备的无线多跳网络的方法，在该方法中，设备在自组织过程中建立与网络的至少另一个设备的物理的无线连接，在该自组织过程中

-打算加入网络的探寻设备侦听由已经在网络中的候选母设备发射的信标信号，其中信标信号包括发射设备的设备标识符和网络标识符；

-在母设备选择过程中，探寻设备按照给定的选择规则，根据网络标识符(EPID)、候选母设备的接受能力、以及关于该设备与候选母设备的链路质量参数值，从候选母设备中间选择母设备，

在该母设备选择过程中，还应用探寻设备和/或候选母设备的应用级别连接数据；

-以及探寻设备经由所选择的母设备而物理地以及优选地还逻辑地连接(在ZigBee标准中使用的术语是“关联(associate)”)到该网络。

在ZigBee网络中，候选母设备是ZR(或ZC)，它们在作为对探寻设备的信标请求信号的应答信号的所谓“信标”信号中发送它们的ExtendedPANId参数作为网络标识符以及发送它们的IEEE地址作为设备标识符。接受能力是候选母设备接受特定类型的设备(例如ZED或ZR)作为另外的子设备的能力，这个信息也被包括在该信标信号中。链路质量参数值可以是按照方程式(1)确定的链路成本。

与当前的标准相比，应用级别连接数据现在在母设备选择过程中被考虑。这样的应用级别连接数据可以是揭示以下内容的任何数据：一个设备在应用级别上与哪个其它设备直接或间接地绑定或连接、以及这种绑定有多重要，例如，开关是否绑定到由该开关控制的照明设备，或两个或更多个照明设备是否处在相同的功能组中并由共同的开关控制，或传感器必须更频繁地向两个监视站中的哪个监视站报告。通过使用这个方法，最紧密绑定的设备，即具有最好的链路质量且被绑定到探寻设备的候选母设备，优选地被选择为母设备。正如后面显示的，因为可以显著地减少被使用来建立网络路径的跳数，所以这个办法以非常简单的方式导致用自组织方法建立的树结构网络的性能的巨大改进。

适当的设备包括用于连接这样的无线多跳网络的网络接口，该网络接口包括：

-侦听单元，它在该设备打算加入网络时侦听由已经在网络中的候选母设备发射的信标信号，该信标信号包括候选母设备的设备标识符和网络标识符，

-母设备选择单元，用于按照给定的选择规则，根据网络标识符(EPID)、候选母设备的接受能力、以及对于在该设备与候选母设备之间的链路的链路质量参数值，从候选母设备中间选择母设备，

该母设备选择单元被实现成使得它在母设备选择过程中还应用该设备和/或候选的母设备的应用级别连接数据，

-以及连接单元，用于在该网络中建立在该设备与所选母设备之间的物理的以及优选地还有逻辑的连接。

本发明优选地被使用于ZigBee型的网络，但也可以使用于其它类似的、能够在自组织过程中建立在网络节点之间的物理的以及优选地还有逻辑的连接的多跳网络。

从属权利要求和随后的描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征，由此，具体地，按照本发明的设备可以按照从属方法权利要求被进一步开发。

在本发明的优选实施例中，探寻设备发送请求信号到已经在网络中的设备。接收到请求信号的多个候选母设备然后可以每个都发射信标信号作为应答。这样的用于搜索可能的母设备的请求信号可以由网络接口的搜索单元或模块广播。这个方法是较简单的并且能量消耗较小，因为候选母设备不需要连续不断地广播信标信号，而仅仅在设备打算加入网络时才广播。

如果探寻设备接收到具有正确的网络标识符的来自设备的信标信号，则探寻设备可以请求那个发射的候选母设备接受它作为子设备。为了减少数据业务量，候选母设备的信标信号优选地已经包括对于那个设备类型(在ZigBee中：ZR或ZED)的接受能力。

而且，信标信号可以已经包括发射的候选母设备的树深度信息，指示在发射的候选母设备与网络树结构的根--例如在ZigBee网络中的ZigBee协调器--之间的节点的数量。这样的树深度信息然后也可以在母设备选择过程中被考虑。例如，在有两个同样地合适的候选母设备的情形下，考虑到应用级别连接数据，可以以类似于当前的ZigBee标准的方式选择具有较小树深度的候选母设备。

如上所述，应用级别连接数据可以是定义设备在应用级别上与哪个其它设备直接或间接地绑定或连接或者是这种绑定的重要性的任何数据。根据这个数据，探寻设备可以有利地把在应用级别上充当用于那个探寻设备的控制器、或者在应用级别上被那个探寻设备控制的设备选择为母设备。例如，在ZigBee网络中，开关(ZED或ZR)可以选择由它控制的ZR照明设备之一。

这要求设备知道它将在应用层与其通信的其它设备。这可以容易地达到，例如在应用级别连接数据包括各设备在应用级别上应当被连接到的其它设备的设备标识符的集合的情况下，所述集合例如是简单的列表。这个标识符集合或列表(下面称为“绑定表”)可被存储在网络接口的适当的存储器中。

这样，例如，控制器可以通过比较在信标信号中的和被存储在绑定表中的设备标识符，从而选择它被绑定到的设备之一作为母设备。为此，在ZigBee网络中的设备的独特的64比特长的地址被优选地用作为设备标识符。

在对上述办法中为控制器ZED定义的规则的扩展中，要由相同控制器控制的其它设备，如果有可能的话，特别是如果它们本身是ZED的话，可以选择控制器的母设备作为它们的母设备，以使得跳数最小化。

设备布置中的设备可被分组成功能组，以及应用级别连接数据可包括组成员资格数据。通过把共同的组成员资格也用作为用于母设备选择的准则，可以达到在应用级别连接中减小的跳数。然而，这需要在进行关联之前的组成员资格配置以及其它组成员的知识，这可以在信标信号中以简单的组标识符的形式提供。

绑定和/或功能组优选地在通常的试运行阶段被配置，以使得应用级别连接数据对用于打算加入可操作网络的设备的母设备选择是可得到的。它们也可以例如由设备(组)厂家或者系统集成者来静态地预先配置，例如经由带外方法来建立。

在ZigBee网络的优选实施例中，应用级别连接数据包括在应用支持子层(APS)中的绑定数据。替换地，可以向应用直接提供这个信息，即，应用级别连接数据直接地与设备的应用对象相关联，而无需使用APS绑定机制。所以，在下面，为了简明起见，不管是否使用了APS绑定机制，在源设备与目的地设备之间的、在应用级别上的任何逻辑连接可被称为“绑定”，以及相应的设备可被称为“绑定设备”。

如以上说明的，探寻设备优选地应当从它被绑定到的候选母设备中间选择母设备。然而，尤其是当新的网络正在建立时，在探寻设备试图加入时那些绑定设备可能还没有处在网络中。因此，在优选实施例中，如果探寻设备在第一请求信号之后，没有从按照应用级别连接数据该请求设备应当在应用级别上被连接到的候选母设备接收到应答信号，那么探寻设备发送新的请求信号。这样，因为探寻设备“知道”绑定设备将加入网络，所以探寻设备，特别是ZED，可以优选地在给定的期限内推迟关联，直至至少N个绑定设备(N是1或更大)通过初始搜索可发现为止。这将允许形成甚至更有效的拓扑，而并不延迟网络形成。关于哪些绑定设备位于邻域的信息(如果有的话)，例如可以在试运行阶段期间被收集和被存储。例如，在试运行阶段期间收集的潜在的母设备的信标信号可以与应用级别连接数据一起被存储在探寻设备的存储器中。

当探寻设备加入网络，尤其是处在被建立过程中的网络时，探寻设备可以找到在那时最接近的绑定的母设备。然而，其它可能的合适的、甚至更接近的母设备可能稍后才启动，所以在关联期间不能被那个探寻设备发现。为了补救这种情形，在本发明的优选实施例中，在探寻母设备之前，设备在初始启动后等待给定的延迟时间。例如，探寻设备可以缺省地延迟它们的初始关联过程(这可能牵涉到广播请求信号)，以使得它们可以从大量可得到的、已关联的设备中选择母设备。这可以被实现为例如在加电和/或复位后的缺省的睡眠期；优选地仅仅是在可操作的模式而不是在试运行模式中。与在当前的ZigBee标准中仅仅扩展ScanDuration(搜索持续时间)对照，这个方法不增加探寻设备的初始能量消耗。

ZigBee技术规范允许全功能设备或者作为ZR进行关联，或者--如果由于潜在的母设备的寻址空间或用于子设备的存储器条目被耗尽而不可能作为ZR的话--作为ZED进行关联。对于不能作为ZR来按照标准ZigBee办法找到母设备(特别是，由于未满足的准则2和4)的全功能设备，可能更有利的是变为这个设备附近的绑定的路由器的ZED子设备，而不是作为ZR关联到更远的绑定或未绑定的路由器。所以，在本发明的另一个优选实施例中，具有全功能设备能力的探寻设备可以作为功能减少的设备物理地连接到对于网络路由器设备没有更多接受能力的另一个路由器设备，如果那个网络路由器设备按照应用级别连接数据是最合适的候选母设备的话。这个办法将进一步改进采用树路由的网络的性能。

如果满足以上其中一个方法的准则的许多候选母设备是可得到的，则探寻设备可以选择具有最强信号的那个。优选地，按照上述的标准ZigBee关联过程的准则4，在母设备选择过程中应用有关探寻设备和候选母设备的链路质量参数值。这样，探寻设备增加递送应用消息到至少一个绑定设备的概率，并减小这种递送所需要的网络跳数。

在另一个实施例中，为了从在探寻设备附近的、满足所有的以上讨论的网络和应用准则的许多绑定设备中间选择母设备，探寻设备可以使用任何的、采用关于应用消息将有多频繁地被发送到特定的绑定设备的指示(诸如由应用设置的最大或最小更新间隔)的形式的、另外的应用数据。探寻设备然后可以选择它将与之最频繁地通信的设备作为母设备，这样，通过把这个通信减小到一跳而针对其业务流量的最大贡献者进行优化。

在再一个实施例中，如果优先权和/或服务质量指示符被定义，例如，对于所选择的命令和/或参数的重要性水平被加于特定的逻辑连接、端口或插座或完全的应用，不管是由设备制造者指派的还是在试运行过程中指派的，则探寻设备可以从绑定设备中间为它的母设备选择具有最高优先权和/或最严格的QoS(服务质量)要求(例如，最小延迟，最大可靠性)的那个设备。为此，对于在探寻设备和在应用级别上被绑定到该探寻设备的设备之间的给定的应用级别连接，应用级别连接数据优选地可包括：服务质量指示符和/或优先权数据和/或关于在探寻设备与对应的绑定设备之间的估计的应用级别消息频率的数据。例如，在ZigBee中，这样的指示符可被包括在探寻设备的绑定表中。

按照本发明的方法的可应用性可限于仅仅某些设备类型或设备角色。某些设备，不管是终端设备和/或电池供电的，可能不需要这个方法。例如，.用于整个建筑物的中央照明开关可能不是处在任何的它的绑定设备紧邻的附近地区，和/或可能不需要快速响应时间。在试运行阶段收集的信息，如果被使用的话，可被使用来确定这种情形。作为另一个例子，便携式遥控器可能不被永久地绑定到任何设备；它可以受益于以合理的链路成本快速地关联到在它附近的第一设备。

当探寻设备确定没有一个绑定设备具有接受新的子设备的能力时--或者因为它们不是路由器，或者因为它们的子设备容量被耗尽，或者因为它们不满足其它的母设备选择准则--探寻设备可以回复到标准过程。

优选地，如果已经加入网络的设备接收了新的应用级别连接数据，则它也可以交换它的母设备。例如，如果在网络形成后(按照标准方法或上面公开的其中一个方法)，应用层消息被不可靠地递送，则探寻设备可以决定替换它的母设备。在ZigBee网络中，这可以例如由于缺乏端到端应用级别响应、APS级别ACK、MAC级别ACK(来自母设备)、和/或改变的链路成本而被触发。如果绑定信息仅仅在加入网络后才变为可得到的，例如，如果没有使用试运行阶段，则可能需要母设备的抢先的(proactive)替换。

与上面描述的相同的过程可以由试图重新加入网络的设备，例如孤儿设备使用，孤儿设备即例如由于母设备迁移或无线传播改变而失去与它的母设备的连接的设备。依赖于先前在加入到网络时收集的链路成本和性能数据，该设备可以考虑应用层数据来选择新的母设备。

显然，母设备也可以在接受来自子设备的关联请求或加入请求之前使用应用层数据。例如，当母设备可以仅仅接受一个子设备、并且它基本上同时地从两个潜在的子设备(其中仅有一个被绑定到母设备)接收到关联请求时，母设备路由器可能更喜欢该绑定设备。

优选地，路由器设备可以应用上述的方法来选择它们的到除母设备之外的其它相邻设备的物理连接。嵌入的设备--无论是ZR还是ZED--的存储器通常是有限的，允许仅仅存储预定义数量的邻居设备、子设备和路由器。在密集的网络中，每个路由器可能具有大大地超过在邻居表中的可得到的空间的多个物理连接。因此，当填充邻居表时，代替只是依赖于发现次序和/或链路成本指示符，路由器也可以使用应用层连接数据，诸如像应用层连接的存在或它的优先权。

通过结合附图考虑的以下的详细说明，本发明的其它目的和特征将变得明显。然而，应当明白，附图只是被设计用于说明的目的，而不是作为本发明的限制的定义。

附图简述

图1显示用于说明按照当前标准的母设备选择过程的ZigBee协议栈的图示；

图2显示按照当前标准的、未连接的探寻设备的关联过程的流程图；

图3显示包括有在不同房间中的、几个功能组的设备的设备布置的实施例的图示；

图4显示按照当前标准的、用于自由关联树拓扑的、图3的设备布置的示范性ZigBee关联图；

图5显示用于说明按照本发明实施例的母设备选择过程的ZigBee协议栈的图示；

图6显示按照本发明实施例的、未连接的探寻设备的关联过程的流程图；

图7显示按照本发明实施例的、用于自由关联树拓扑的、图3的设备布置的示范性ZigBee关联图。

在图上，全文中同样的数字是指同样的对象。图上的对象不一定按比例画出。

实施例的详细说明

在下面，在无论如何不限制本发明的情况下，假设网络是ZigBee型网络，因为ZigBee是当前最普遍的无线网状联网标准。然而，本发明也可以使用于类似的多跳网络。

图1显示ZigBee协议的典型的协议栈。ZigBee设备需要遵守IEEE802.15.4-2003低速率无线个人域网络(WPAN)标准。该标准规定较低的协议层--物理层PHY，和数据链路层的媒体接入控制MAC部分。这个标准规定在不需执照的2.4GHz、915MHz和868MHz ISM频带上运行。网络层NWK负责寻址和分组路由，提供端到端数据传输服务给作为应用框架AF组成部分的协议栈的更高层。应用框架AF包括应用支持子层APS、多个(多达每个ZigBee设备240个)应用对象AO₁，...，AO₂₄₀和ZigBee设备对象ZDO的一部分。应用支持子层APS例如负责绑定管理。应用对象AO₁，...，AO₂₄₀由使用ZigBee接口的设备的开发者来实施，且可以遵循私有的或标准化的ZigBee应用简档，诸如像家庭自动化(HA)、商用大楼自动化(CBA)或智能能量(ZSE)简档。ZigBee设备对象ZDO管理ZigBee设备，且尤其负责网络选择、ZigBee层的初始化(应用对象AO₁，...，AO₂₄₀除外)、ZigBee设备(ZED、ZR或ZC)的实际功能的定义、网络中的其它设备的发现、以及发送绑定请求的发起。安全服务提供者SEC负责交换和维护安全凭证，以及负责安全操作，诸如加密和鉴别。

参照图2，将大略说明未连接的ZigBee设备可以如何按照当前的ZigBee标准加入现有的ZigBee网络。由此，打算加入网络的、仍未连接的探寻设备将通过广播请求信号、侦听来自范围内的设备的信标信号、以及确定对于每个应答设备的链路成本，而搜索潜在的母设备。搜索可以由媒体接入控制层MAC的侦听单元LU执行(见图1)，以及链路成本计算单元LC可以按照以上的方程式(1)计算链路成本。

来自每个被发现的潜在母设备的信标信号的数据，具体地是网络标识符EPID、16比特和64比特地址、子设备接受能力和树深度(它们都随信标信号一起发射)，以及计算的链路成本被传递到网络层NWK，网络层收集信标信号的数据。在下一个步骤中，网络层NWK的母设备选择单元PS按照以上说明的ZigBee标准选择准则1到4、根据与信标一起被接收的数据和链路成本，从候选的母设备中间选择母设备。为了只选择正确网络中的母设备，母设备选择单元PS被提供以来自ZigBee设备对象ZDO的网络选择单元NS的所选择网络的网络标识符EPID。

如果只找到一个满足准则的候选母设备，则媒体接入控制层MAC的连接单元CU将发起与那个选择的母设备的物理连接(关联)，即，探寻设备将在所选择的母设备处加入具有所选择的EPID的网络。如果满足准则的候选母设备的数量大于1，则母设备选择单元将根据树深度(上面提到的准则5)来选择母设备。这样的关联过程的细节是本领域技术人员熟知的，所以在这一点上不需要进一步的详细说明。

应当指出，侦听单元LU、链路成本计算单元LC、母设备选择单元PS、绑定管理单元BM、网络选择单元NS、以及连接单元CU都被实现为在ZigBee设备的ZigBee接口的处理器上运行的软件模块或算法，为了更容易理解，它们在图1的协议栈中的特定的ZigBee层中被指明。

可以证明，由ZigBee技术规范提出的这个缺省的母设备选择机制导致次最佳网络拓扑，所以，也导致次最佳网络性能，特别是如果牵涉到ZED的话。

在典型的办公室环境下的设备布置D被取为基准，并被显示于图3。该办公室环境由十个房间和引导到每个房间的走廊组成。设备布置D在这种情形下是照明布置，但在这一点上将指出，本发明无论如何不限于照明系统。

每个房间配备有六盏灯(是ZigBee路由器7-12，16-21，25-30，34-39，43-48，52-57，61-66，70-75，79-84，88-93)，每个房间由一个开关(是ZED 15，24，33，42，51，60，69，78，87，96)来控制(即，绑定到该开关)。在每个房间中，安装有未绑定的ZED电源插座14，23，32，41，50，59，68，77，86，95和未绑定的ZED光学传感器13，22，31，40，49，58，67，76，85，94。在走廊中的灯0，...，5由楼层开关6控制。所有的这些设备0，1，2，...，96按照设备所安装到的房间被分组为功能组R₁，R₂，...，R₁₀，F。每个设备0，1，2，...，96用简单的圆圈代表。

对于这个设备布置D，按照如上所述的标准ZigBee过程执行初始网络形成。假设可靠的链路质量参数值仍是不可得到的(例如，由于实施集成功能的事实，使得实际上为ZigBee链路成本取缺省值7)，使得母设备是根据母设备在网络树中的位置(深度)来选择的。还假设，设备0是第一设备，以及它充当ZigBee协调器。用这个方法达到的、对于自由关联拓扑的示范性ZigBee关联图显示于图4。用于逻辑树形成的ZigBee Cskip参数被设置为：Cm＝30，Rm＝12，Lm＝4。具有树深度“1”的逻辑连接用虚线表示；具有树深度“2”的连接用实线表示，由此，这些线起源于表示母设备的圆圈的中心处，并终结在表示子设备的圆圈的周界处。正如可以看到的，更接近于根的节点(沿逻辑树结构以跳来测量)是母设备；被连接到这个节点的节点是它的子设备。

这个网络的性能已通过使用网络仿真器‘NS-2’进行测量。由此，最坏情况的情景被仿真：全部11个开关在完全相同的时刻被扳动，每个开关以单播(unicast)来发送消息到全部六个相关联的灯，导致66个消息的风暴。实验重复了10000次，以得到统计学上相关的数据。在对于图4所示的关联图的仿真中得到的性能结果在以下的表中给出：

平均故障率	23.0％
		最小故障率	0.2％
最大故障率	93.0％
		平均延迟(ms)	304
最小延迟(ms)	6.6
		最大延迟(ms)	528
延迟＜200ms	22.5％

表1：对于按照图4的关联图的网络的仿真结果

正如从表上可以看到的，平均23％的命令没有到达它们的目的地。按照缺省ZigBee算法的自由关联拓扑的这种差的性能是由长并因而差的链路造成的，由于隐藏节点的问题，导致分组在碰撞中迷失。而且，由多个差的链路组成的多跳路径增加了分组的碰撞概率。

为了克服ZigBee标准的这个弱点，按照本发明来实现ZigBee设备，以使得在母设备选择过程期间考虑应用级别连接信息，诸如绑定信息和/或分组信息。

将借助于图5和图6来说明ZigBee标准的这个修改的原理，其中图5是图1所示的ZigBee协议栈的图形表示，以及图6显示按照本发明实施例的关联过程的流程图。

按照该流程图的步骤I和II，未连接的设备被提供以应用级别连接数据。这个数据可以在试运行过程中以通常的方式生成，在该试运行过程中，设备标识符被收集和被分组，且作为设置的组成部分，应用逻辑的配置被执行，即，逻辑连接被配置成根据诸如类型与位置那样的属性来建立在设备之间的控制关系。例如，在照明系统中，可以规定，哪个开关应当控制哪个(哪些)灯。应用逻辑的配置可以通过使用中央试运行系统来执行，该中央试运行系统把数据经由ZigBee接口传送到设备。

在步骤III，设备通过使用如以上结合图1说明的侦听单元LU和链路成本计算单元LC来广播请求信号、接收信标信号、以及确定对于每个应答设备的链路成本，从而搜索潜在的母设备。在步骤IV，每个被发现的潜在母设备的信标的数据和计算的链路成本被传递到网络层NWK，以收集该数据。

另外，ZigBee设备对象ZDO的网络选择单元NS以通常的方式把所选择的网络的网络标识符EPID传递到网络层NWK的母设备选择单元PS。

与当前的标准相比较，母设备选择单元PS现在也被提供以应用级别连接数据或来自绑定管理单元BM的绑定信息(见图5)。这个绑定信息是以该设备被绑定到的其它设备的64比特长地址的列表L的形式可得到的。类似的绑定信息BI也可以从应用对象提供，在这里作为例子从应用对象AO1提供。正常地，当设备本身已处在网络中时，绑定管理单元BM仅使用绑定信息(其包括列表L)来建立与目的地设备的应用层连接。通过使用按照本发明的方法，该列表现在可以被母设备选择单元PS在母设备选择过程期间使用来获益。按照步骤V，从该设备被绑定到的这样的候选母设备中仅仅按照上述的准则1-4来选择潜在的母设备。这例如可以通过简单地比较在信标中的64比特地址与来自绑定管理单元的列表L而得以保证。这样，具有最佳链路成本的绑定的设备将被选择为母设备。

在步骤VI，执行检查：在步骤V中已找到多少个潜在的母设备。如果只找到一个潜在的母设备，则媒体接入控制层MAC的连接单元CU将发起与这个选择的母设备的关联，并且在步骤XII，该设备将在所选择的母设备处加入网络。

如果潜在的母设备的数量大于1，则由母设备选择单元考虑附加的应用层数据，即，报告的频率。报告频率可以通过读取来自绑定表的每个目的地64比特地址的发送者端点和集群标识符，并随后询问相关的应用对象而得到。母设备选择单元然后将在步骤VII选择具有最高估计的报告频率的设备，即探寻设备将很可能最频繁地与其通信的潜在母设备。如果在步骤VIII中显示一个以上的潜在母设备具有相同的最高的报告频率，则选择具有最高优先权的母设备。优先权可以在逻辑配置过程中被定义，并且被安放在绑定表中。如果两个以上的设备共享最高优先权，则可以根据树深度选择绑定的设备(步骤X和XI)。

如果在步骤V，在从其接收到信标的设备中间没有检测到绑定的设备且列表L不是空的，则所述过程--在等待时间之后(步骤XV)--返回到步骤III，以及探寻设备重新搜索其它设备，因为探寻设备‘知道’可能有它被绑定到的其它设备。为了防止设备在关联过程中死锁，返回到步骤III是与超时准则相关联的，超时准则例如是给定的最大时间，或循环搜索的最大次数。如果在步骤XIV，满足超时准则，则在步骤XVI、XVII、以及有可能在步骤XI，探寻设备按照当前的ZigBee标准遵循通常的母设备选择过程。

当母设备被选定时，在步骤XII和XIII，经由所选择的母设备加入网络。

图7显示在与图4相同的办公室环境中对于自由关联拓扑的示范性ZigBee关联图，但现在是通过按照本发明的方法达到的。在这个方法中，如上所说明的，从潜在的母设备中选择具有最佳链路成本的绑定设备。这里，具有树深度“1”的逻辑连接用虚线表示，具有树深度“2”的连接用点划线表示，以及具有树深度“3”的连接用实线表示。使用与图4相同的Cskip参数：Cm＝30，Rm＝12，Lm＝4。

使用网络仿真器NS-2再次针对于最坏情况的情景仿真了这个网络的性能，最坏情况的情景即全部11个开关在完全相同的时刻被扳动，且每个开关以单播来发送消息到全部六个绑定的灯，导致66个消息的风暴。对于图7所示的关联图的性能结果在以下的表中给出：

平均故障率	2.01％
		最小故障率	0.0％
最大故障率	62.6％
		平均延迟(ms)	136
最小延迟(ms)	3.3
		最大延迟(ms)	345
延迟＜200ms	74.8％

表2：对于按照图7的关联图的网络的仿真结果

与对于图4的关联图的表1上列出的结果相比较，从这个表上可以看出，所述方法与基准相比较提供了巨大的改进：在延迟方面改进两倍以上，从304ms改进到136ms，且在可靠度方面也提供了巨大的改进，因为故障率减小了90％以上。应当指出，在这里用66个消息在完全相同的时间在密集网络中被发送来仿真最坏情况的情景。显然，在非最坏情况的状况下将得到显著更好的结果。

虽然本发明是以优选实施例及其变例的形式被公开的，但应明白，可以对其做出许多附加的修改和变化，而不背离本发明的范围。尤其是，应当提到，在按照图6的过程中的步骤VII到X是任选的。为了清晰起见，应当明白，在本申请中“一”或“一个”(“a”或“an”)的使用不排除多个，以及“包括”不排除其它步骤或单元。一个“单元”或“模块”可包括多个单元或模块，除非另外阐述。

Claims (15)

1.一种建立包括设备布置(D)中的多个设备(0，1，2，...，96)的无线多跳网络(NW)的方法，在该方法中，设备(1，2，3，...，96)在自组织过程中建立与网络(NW)的至少另一个设备(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73，79，88)的物理的无线连接，在该自组织过程中

-打算加入网络的探寻设备侦听由已经在网络中的候选母设备发射的信标信号，该信标信号包括发射设备的设备标识符和网络标识符；

-在母设备选择过程中，探寻设备按照给定的选择规则，根据网络标识符(EPID)、候选母设备的接受能力、以及关于探寻设备与候选母设备的链路质量参数值，从候选母设备中间选择母设备，

在该母设备选择过程中，应用探寻设备和/或候选母设备的应用级别连接数据(L，BI)，该应用级别连接数据(L，B1)包括所述设备在应用级别上应当被连接到的其它设备的设备标识符的集合(L)；

-以及探寻设备经由所选择的母设备(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73，79，88)物理地连接到该网络(NW)。

2.按照权利要求1的方法，其中探寻设备发送请求信号到已经在网络(NW)中的设备，以及接收到请求信号的多个候选母设备每个都发射信标信号。

3.按照权利要求1的方法，其中信标信号包括相应的候选母设备的接受能力。

4.按照前述权利要求的任一项的方法，其中信标信号包括发射的候选母设备的树深度信息，该树深度信息被应用在母设备选择过程中。

5.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中探寻设备选择在应用级别上充当对于那个探寻设备的控制器的、或在应用级别上被那个探寻设备控制的设备作为母设备。

6.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中设备布置(D)中的设备(0，1，2，...，96)被分组成功能组(R1，R2，...，R10，F)，以及应用级别连接数据(L，BI)包括组成员资格数据。

7.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中应用级别连接数据在设备布置的试运行期间被配置。

8.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中应用级别连接数据包括在应用支持子层(APS)中的绑定数据(L)，和/或应用级别连接数据(BI)被关联到设备的应用对象(AO 1，...，AO 240)。

9.按照权利要求2或3的任一项的方法，其中如果探寻设备在第一请求信号之后没有从按照应用级别连接数据该请求设备应当在应用级别上被连接到的候选母设备接收到应答信号，则该探寻设备发送新的请求信号。

10.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中在探寻母设备之前，探寻设备在初始启动后等待给定的延迟时间。

11.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中具有网络路由器设备能力的探寻设备作为网络终端设备物理地连接到对于网络路由器设备没有更多接受能力的另一个路由器设备，如果那个网络路由器设备按照应用级别连接数据是最合适的候选母设备的话。

12.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中关于在探寻设备与在应用级别上被绑定到该探寻设备的设备之间的给定的应用级别连接，应用级别连接数据包括：服务质量指示符，和/或优先权数据，和/或关于在探寻设备与相应的绑定设备之间的估计的应用级别消息频率的数据。

13.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中如果已加入网络的设备接收到应用级别连接数据，则它可以改变它的母设备。

14.按照权利要求1到3的任一项的方法，其中该无线多跳网络是ZigBee型网络。

15.一种包括用于连接无线多跳网络(NW)的网络接口的设备，该网络包括设备布置(D)中的多个设备(0，1，2，...，96)，以及在该网络中设备(1，2，3，...，96)在自组织过程中建立与网络(NW)的至少一个其它设备(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73，79，88)的物理的无线连接，所述网络接口包括：

-侦听单元，它在设备打算加入网络的情况下侦听由已经在网络中的候选母设备发射的信标信号，该信标信号包括候选母设备的设备标识符和网络标识符，

-母设备选择单元，用于按照给定的选择规则，根据网络标识符(EPID)、候选母设备的接受能力、以及关于该设备与候选母设备的链路质量参数值，从候选母设备中间选择母设备，

该母设备选择单元被实现成使得它在母设备选择过程中应用该设备和/或候选母设备的应用级别连接数据，该应用级别连接数据(L，B1)包括所述设备在应用级别上应当被连接到的其它设备的设备标识符的集合(L)，

-以及连接单元，用于建立在该设备与所选择的母设备(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73，79，88)之间在该网络中的物理的连接。