CN102318316A - 用于在包括无电池ZigBee设备的网络中通信的方法及其网络与设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在包括资源受限的终端设备和第一路由器设备的网络中进行无线通信的方法，其中所述方法包括以下步骤：所述终端设备（ZBLD）发送对于代理搜索程序的触发，第一路由器（R1）设备接收对于代理搜索程序的触发，第一路由器（R1）确定它是否满足充当所述终端设备的路由器的条件，并且在满足条件的情况下，第一路由器将它自己指定为所述终端设备的代理路由器，用于在所述终端设备与所述网络的剩余部分之间中继通信。本发明为此也涉及终端设备、路由器设备和网络。

Description

用于在包括无电池ZigBee设备的网络中通信的方法及其网络与设备

技术领域

本发明涉及用于在无线控制网络中通信的方法。更特别地，本发明涉及用于在无线网络中确保在通信设备与路由器之间的通信链路的保持的方法。

例如，本发明与包括具有低功率资源的设备的无线网络有关。在具体应用中，本发明与使用依从IEEE802.15.4的通信协议以及例如ZigBee协议之类的也基于IEEE802.15.4的协议的无线网络有关。

背景技术

尤其对于建立管理系统而言，无线控制网络近来已变成通信领域中无处不在的趋势。由于不需要铺设电缆和钻孔，所以无线技术在布置自由度、便携性和安装成本降低方面呈现主要优势。因而，这样的技术对于使用诸如照明开关、调光器、无线遥控器、运动或光检测器之类的传感器设备的互连、检测、自动化、控制或监视系统而言是特别有吸引力的，其中所述传感器设备不得不设立在彼此远离并远离其控制的例如灯之类的设备的位置上。

此类网络中出现的缺点之一涉及设备供电。实际上，由于这些设备没有被接线，所以它们再也不能从电力干线或经由与控制器的连接来接收对于执行网络中需要的所有操作而言是必需的功率。因而，已设想为这样的设备配备内置电池。然而，由于这些设备的尺寸是相当受限的，所以电池不可能具有大的尺寸，这导致降低的设备寿命或者劳力密集的电池更换。

已建议通过给传感器设备配备从其环境收获能量的自持能源来补救这个问题。尽管如此，通过现有的能量收获器（harvester）可实现的能源量是非常有限的，这意味着这些无电池设备的特征和功能相应地受到极大限制。

为了无线网络中的良好操作而强制保持的功能之一是链路连接，其使之有可能在任何时间确保资源受限的设备被链接到代表它转发消息的路由器。因此，在现有的实施方式中，在通常资源受限的终端设备与其双亲之间建立父母与子女关系。子终端设备将所有的其通信寻址到父设备，以便被转发到其最终目的地。然而，在能量收获设备的情况下，这种关系在该网络中产生单点故障，这是因为在父链接被断开的情况下，再也不能成功地执行来自终端设备的通信。此外，在大多数情况中，由于不存在或未使用的返回路径或能量不足，这样的故障甚至不可能被该终端设备检测到。

因而，需要在无线控制网络中确保良好操作的保持的通信的方法。此外，如前所解释的，由于终端设备即在能源资源方面通常是资源受限的，所以需要能够在不使用这些终端设备的太多资源的情况下实施的方法。

发明内容

本发明的目的是提议一种解决至少一些上述问题的方法。更特别地，本发明旨在提供一种在包括至少资源受限的设备和至少一个资源丰富的路由器设备的网络中通信的方法，其中资源受限的设备进一步被称为终端设备，而资源丰富的路由器设备进一步被称为路由器。

本发明的还一个目的是提议一种允许限制终端设备上用于网络的配置和/或保持的功耗的方法。

本发明的另一个目的是提议一种消除预先配置终端设备的需要的方法。

本发明的再一个目的是提供一种在网络变化的情况下避免由于预先配置的父设备与资源受限的或无电池的设备之间的特殊关系而导致的任何性能限制的方法。

为此，本发明涉及用于在包括资源受限的终端设备与第一路由器设备的网络中进行无线通信的方法。该方法包括以下步骤：

-所述终端设备发送对于代理搜索程序的触发，

-第一路由器设备接收所述对于代理搜索程序的触发，

-第一路由器确定它是否满足充当所述终端设备的路由器的条件，以及

-如果满足条件，则第一路由器将它自己指定为所述终端设备的代理路由器，用于在所述终端设备与所述网络的剩余部分之间中继通信。

利用这样的方法，为了解决缺少代理的问题而由终端设备执行的唯一动作是发送命令帧，用于触发代理搜索程序。因而，这种方法允许由终端设备使用尽可能少的能量在网络中保持良好的运作。

在根据本发明的方法的实施例中，对于代理搜索程序的触发顾及所述终端设备的识别。在这种情况下，确定步骤包括：

-第一路由器设备基于识别元素来确定它是否被链接到所述终端设备，

-如果所述终端设备被链接，则确定满足条件，

-如果所述终端设备未被链接，则检查第一路由器设备是否能够自身被链接到所述终端设备。

这种方法使得只有路由器设备能够确定它是否被链接到终端设备。在本发明的含义内，路由器在它被登记为终端设备的父设备时被链接到这个终端设备。实际上，所述终端设备绝对不知道路由器的身份，这消除了终端设备的任何预先配置的需要，并允许自动适应于不断变化的条件和父（设备）更换而无需终端设备的进一步参与。

在另一个实施例中，根据本发明的方法包括以下步骤：

-确定在所述终端设备与第一路由器设备之间的链路的性能指示符，

-将这个性能指示符与预定标准进行比较，以及

-如果所述性能指示符满足预定标准，则确定第一路由器设备可以是所述终端设备的代理路由器。

所述性能指示符例如是链路成本指示符或路由器应用被终端设备控制的事实。这样的特征允许确保：在根据本发明的代理搜索方法期间指定的路由器是在网络中确保最佳传输性能的路由器。

在特定实施例中，根据本发明的方法包括代理决议（resolution）程序，该程序使得路由器有可能将其成为触发该代理搜索程序的终端设备的父路由器的意图通知该网络中的其他路由器。例如，该代理决议程序包括已决定成为某设备的父设备的路由器发送代理决议消息的步骤。这个消息例如在基于所述终端设备与所述路由器之间的链路的性能指示符所确定的延迟之后进行发送。

本发明也涉及在两个路由器同时决定成为终端设备的父路由器的情况下包括决议程序的方法。

本发明也涉及一种路由器设备，包括：

-无线接收装置，用于接收来自无线网络中的其他设备的数据帧和命令帧，

-无线传输装置，用于传送确认消息和决议消息，

-传输装置，用于转发终端设备消息，

-比较装置，用于将所述路由器设备的地址与其他地址进行比较，

-存储装置，用于存储邻居表，其中所述表包括终端设备以及所述路由器设备与每一个终端设备之间的关系的状态的列表。

本发明的另一个方面涉及一种终端设备，包括：

-无线传输装置，用于发送数据和触发代理搜索程序；

-无线传输装置，用于至少接收确认消息；

-用于追踪确认和决定触发代理搜索程序的装置；

-有限的能量资源。

本发明的又一方面涉及包括根据本发明的至少一个终端设备和一个路由器设备的网络。

本发明的这些和其他方面从以下描述的实施例中将是显然的，并且本发明的这些和其他方面将参考以下描述的实施例来阐述。

附图说明

现在将参考附图、利用示例来更详细地描述本发明，其中：

图1显示根据本发明的网络，

图2是根据本发明在网络中设立的路由器设备中的操作顺序的框图。

具体实施方式

本发明涉及在如图1所示的无线控制网络中通信的方法。该网络包括终端设备。这个设备例如是Zigbee无电池设备（Zigbee Batteryless Device）（ZBLD），但是本发明利用任何的资源受限的无线设备找到应用，其中特别地，资源受限的无线设备是电池供电的或能量收获设备，诸如照明开关、调光器、无线遥控器、运动检测器或光检测器。该网络也包括若干路由器设备（R1，R2，R3，R4，R5）。在示例性实施例中，这些路由器设备依从Zigbee通信协议。在另一个有利的实施例中，ZigBee无电池设备和路由器依从轻型基于802.15.4的无电池协议。

在这个网络中，在终端设备与路由器之一之间建立关系，其中在当前示例中所述路由器之一是R1。每当终端设备传送帧时，该路由器负责转发所述帧。当该路由器正确地接收到所传送的帧时，它在MAC层上向该终端设备发送确认消息。只要该终端设备在其传输上接收到这样的MAC ACK帧，就保证其网络连接是有效的。该终端设备并不知道该路由器的身份。

然而，当该连接丢失时，这样的丢失由于缺少ACK（确认）而被识别，需要触发用于建立新连接的方法，以便在网络中保持正确的通信。如在本申请中先前提到的，由于在这样的网络中使用的终端设备在资源方面、尤其在电力方面是受限的，所以必须提供这样的方法，其允许该网络的正确操作而对该终端设备而言不牵涉过多的电力支出。本发明因而提供一种满足这些要求的方法。当该终端设备没有接收到确认消息时，它触发“代理搜索（proxy search）”程序，以便向该网络中周围的路由器设备指示：它已丢失父设备，并需要新的父设备。举例来说，能够通过发送代理搜索命令帧或通过在数据帧中插入标记并重发它来完成触发代理搜索程序。触发是由ZBLD在这个代理搜索程序中执行的唯一动作，这意味着：在ZBLD中为了执行该方法而只需要少量的能量。

有益的是有关无电池设备的信息存储在终端设备的邻域中的所有路由器中并且能够如此识别终端设备。鉴于此，在802.15.4中，每一个路由器包括用于存储邻居表的存储装置。在示例性实施例中，有关ZBLD的信息存储在邻居表条目的“Device Type（设备类型）”字段中。该表格条目也包括关系字段，其包含ZBLD与路由器设备之间的关系的类型，诸如“孩子”、“以前的孩子”、“无”。在替代实施例中，ZBLD的识别元素与诸如“ZBLD孩子”或“ZBLD不相关”之类的关系状态一起直接地存储在关系字段中。

根据本发明的网络使得ZBLD不需要任何特殊的加盟程序（joining procedure）。它未配置有任何的父地址，也没有为父设备配置ZBLD的地址，这避免任何的预配置程序，因而简化并缩短安装和配置程序。因而，对于802.15.4/Zigbee网络，只需要给ZBLD配置信道号、网络标识符（PANId）和独特标识符（NWK地址）。至于应用层配置，ZBLD优选地被配置有由这样的ZBLD控制的设备组的多播地址，这允许组成员资格的灵活的重新配置而无需ZBLD参与。因而，ZBLD使用组标识符将其应用层命令寻址到必须被配置成组成员的适当的致动器（actuator）。在ZigBee中，那些组标识符在应用支持子层或网络级中。因而，必须附加地给ZBLD配置组ID，而该ZBLD是其源，并且将由那个ZBLD控制的所有致动器设备必须被配置成为这个组的成员。

在根据本发明的网络中，在ZBLD与路由器之间的链路不是固定的，这允许ZBLD和路由器二者的高流动性，并且也虑及自动适应于例如由于导致终端设备与路由器设备之间的链路的中断的不断改变的传播条件而引起的父（设备）更换而在ZBLD一侧上没有负担。

因此，看来：在根据本发明的网络中，ZBLD的正常操作仅在于向该网络中的其他设备发送数据帧。如前所解释的，在MAC级上，ZBLD发送将由代理路由器转发的数据帧，并随后等待确认消息。这个消息的结构以及ZBLD设备通信的特性使得仅追踪确认消息的接收与否，而不追踪该消息的起源。因而，在实际上接收到该消息的情况下，该ZBLD并不需要知道哪一个路由器已处理其待传送的消息，而在没有接收到该消息的情况下，该ZBLD不能识别并且不需要识别哪一条链路已失败。

一旦代理搜索程序被触发，由网络中的一个或若干个路由器设备接收代理搜索命令帧。

我们现在将结合图2来描述在接收帧（“Rx帧”）时在网络的路由器设备上执行的操作。

首先，该路由器设备识别该帧是否来自Zigbee无电池设备（“来自ZBLD？”）。此识别例如通过检查该帧中包括的设备类型字段的内容来执行。

如果该帧的始发者实际上是ZBLD，该路由器设备则确定所接收的帧是否触发代理搜索程序（“Triggers Proxy search触发代理搜索”）。

假定在第一种情况中不触发代理搜索，即，该帧是单纯的数据帧。该路由器设备确定已始发该帧的ZBLD是否属于其网络（“ZBLD在NT中”）。该确定例如通过检查是否在该路由器设备的邻居表中存储该ZBLD的标识符来执行。如果该ZBLD尚未存在于该表中，那么该路由器设备利用关系状态“不相关”来添加它（“ADD”）。如果相反该ZBLD已存在于该表中，则该路由器设备检查该ZBLD的关系状态（“ZBLD=孩子？”）：

－如果该ZBLD是孩子，则该路由器设备转发该数据帧和发送确认消息（“MAC ACK”）给该ZBLD，

－如果该ZBLD不是孩子，则该路由器设备缓存（“BUFFER”）该数据帧，并启动“proxy_timeout（代理超时）”。如果在该超时期间接收到对于这个特定ZBLD的“代理搜索”消息，并且该路由器变成新的父设备，则该路由器设备转发该数据帧。如果不是的话，则该数据帧被丢弃。

现在，假设该帧例如经由ZBLD发送的专用的代理搜索命令帧或在数据帧中设置的标记来触发该代理搜索程序。该路由器设备检查在该路由器设备的邻居表中是否列出ZBLD源（“ZBLD € NT？”）。如果是的话，则该设备确定关系状态（“ZBLD=孩子？”），而如果它是孩子，则该路由器设备向该ZBLD发送MAC ACK（MAC 确认）帧（“MAC ACK”）。

如果在邻居表中没有列出该ZBLD设备，则该路由器设备利用状态“不相关”来添加它。然后，该路由器设备确定性能指示符，例如，来自孩子或已从这个设备接收的多个分组的输入无线链路的链路成本指示符（“PERF IND”）。进一步，链路成本将被用作性能指示符示例。如果链路成本指示符好于预定数，例如3，那么该路由器设备在随机延迟之后触发代理决议程序。

该代理决议程序包括以下步骤：

－具有至该ZBLD的链路成本小于3并且已从该ZBLD接收到对于代理搜索程序的触发的第一Zigbee路由器发送3跳广播（即，广播范围或生存时间等于2）“代理决议”消息，其中该消息被寻址到该网络中的所有其他的路由器、指示其成为这个特定ZBLD的新代理的意图，

－一旦接收到这样的消息，第二路由器将该代理决议消息存储在存储器中，以避免复制，并重播它，

－如果在第二路由器的邻居表中没有列出始发该代理搜索的ZBLD，则不执行任何动作；然而，如果列出该ZBLD，那么第二路由器执行比较，以便基于用于该ZBLD的性能指示符并且基于该代理决议消息来确定它是否应该充当该ZBLD的路由器。

第一与第二路由器之间对于充当该ZBLD的路由器的选择能够根据不同的标准来作出。在示例性实施例中，第二路由器将该代理决议消息中的始发者地址与它自己的地址进行比较，其中所述始发者地址为第一路由器设备的地址。如果它自己的地址较小，并且如果链路成本是适当的，取决于在目前方法中使用的预定成本链路指示符，第二路由器设备应成为代理。鉴于此，它作为始发者利用它自己的地址来启动“代理决议”。

如果第二路由器的地址较低，但是链路成本是不适当的，则第二路由器仅重播从第一路由器接收的代理决议消息。

以下章节讨论802.15.4/Zigbee中的实施方式的示例性细节。

作为MAC层上的“代理搜索”命令帧的代理搜索程序的触发的实施方式保证：所述命令是非常短的，这避免更高层开销或网络和应用层开销；在802.15.4/ZigBee中，因而增加ZBLD能利用它收获的有限能量来发送它的机会。在这个命令中需要的唯一数据是该ZBLD的标识符（已出现在802.15.4 MAC标题中），因此该“代理搜索”帧可以是无净荷的。为了进一步缩短该分组，能够跳过目的地地址和目的地网络标识符（在802.15.4/ZigBee中：PAN标识符，PANId），并且仅发送源地址和源网络标识符PANID；帧控制的Intra-PAN比特应被设置。因而，该“代理搜索”命令（包括PHY层开销）的总长度将是15B。

因为广播“代理决议”仅跨越两跳进行发送，所以它应该利用比10s（秒）的ZigBee nwkBroadcastDeliveryTime（对于ZigBee PRO）短得多的时间被保持在BTT中，以便在需要的时候虑及重复的发现，以及在适当的时候清除该BTT。该“代理决议”命令能够位于网络层中或其上，例如，ZigBee网络状态命令能够与新的状态代码一起使用。

在另一个实施例中，对于代理搜索程序的触发可以是数据帧的一部分，例如，MAC或NWK帧控制字段中的保留子字段之一。这具有增加使得原始ZBLD控制消息跨越的机会的益处。

即使根据本发明的方法包括用于在若干个潜在路由器之间进行选择的特征，也可能发生：该代理决议协议导致两个路由器对于特定的ZBLD独立地承担代理角色。这种情形例如可能发生在具有非常不同的路由器密度的网络中，如结合图1所述的。在该图中，R1只能看到R5，而看不到任何其他的节点（R2-R4）；R5能够看到R3，并且R2-R4全部能够看到对方。因而，R1、R3和R5运行该决议协议，并且具有最低地址的R1承担ZBLD代理的角色，而R2-R5独立地运行该代理决议协议，并决定R2成为代理。路由器设备的范围利用该图上的虚线圆来显示。

这种情形由于路由器不能从ZBLD分组中推断出这种情形而不能被这些路由器发现，这是因为父地址没有被包括在那里，并且两个代理路由器R1和R2没有在彼此的范围中，因而不可能知道例如碰撞ACK帧。

对于ZBLD而言的一种可能性是发现ACK碰撞，并且跨越多跳、即利用更高的生存时间重新触发“代理搜索”程序。

另一种可能性是将始发者的地址包括在“代理决议”命令中，并且在代理决议处理中，对于任何的中间节点（在上面的示例中，R3-R5），在独立于跳数的情况下，例如，在单播中，或通过增加在重播分组中的跳数，将有关具有最低地址的路由器的信息转发到其他的竞争代理，即，具有以前最低地址的那些代理。

还一种可能性是：对于在该ZBLD的直接附近（近邻）的所有路由器，使用该ZBLD的标识符作为组标识符，其中在该ZBLD的无线范围中的所有路由器是这个组的成员；由该ZBLD发送的任何代理搜索消息以及由邻居路由器启动的任何代理决议消息随后可以被寻址到这个组地址，并因而具有到达所有的路由器邻居的好机会。

可选地，该“代理搜索”帧可以具有2字节净荷，其包含这个ZBLD控制的组的标识符。这个信息将不得不随后在利用这些路由器交换的“代理决议”帧中与特定路由器是这个特定组的成员的信息一起进行传送。该决议协议随后能够被修改为如下：

－成员路由器使用更短的随机延迟；

－它们仅在接收到来自另一成员路由器的相同分组时才丢弃自己排定的“代理决议”传输，

－新的代理是具有最低地址的成员路由器。

除了所有的ZBLD邻居路由器对于proxy_timeout（代理超时）缓存数据帧之外的一种替换方案是：只有也是该ZBLD的代理的邻居的路由器才能够这样做，例如，通过窃听由该代理发送的MAC ACK来这样做。在proxy_timeout期间，它们将侦听待发送的MAC ACK，而如果没有MAC ACK到来，则它们之中的一个“接管”，即，重发该数据分组并触发将完全在先前窃听路由器之间决议的“代理决议程序”。

在目前的说明书和权利要求书中，在元素之前的词“一”或“一个”并不排除多个这样的元素的存在。进一步，词“包括”并不排除除了所列出的元素或步骤之外的其他元素或步骤的存在。

在权利要求书的括号中包括参考符号旨在帮助理解，而非打算限制。

通过阅读本公开内容，对于本领域技术人员而言，其他的修改将是显然的。这样的修改可以牵涉无线控制网络的领域中已知的且可以替代在此已描述的特征来使用的或除了在此已描述的特征之外附加使用的其他特征。

Claims (15)

1.一种用于在包括资源受限的终端设备和第一路由器设备的网络中进行无线通信的方法，其中所述方法包括以下步骤：

所述终端设备发送对于代理搜索程序的触发；

第一路由器设备接收所述对于代理搜索程序的触发；

第一路由器确定它是否满足充当所述终端设备的路由器的条件；以及

如果满足条件，则第一路由器将它自己指定为所述终端设备的代理路由器，用于在所述终端设备与所述网络的剩余部分之间中继通信。

2.如权利要求1所述的方法，其中对于代理搜索程序的触发考虑到所述终端设备的识别，并且所述确定步骤包括：

第一路由器设备基于识别元素来确定它是否被链接到所述终端设备，

如果所述终端设备被链接，则确定满足条件，

如果所述终端设备没有被链接，则检查第一路由器设备是否能够自身被链接到所述终端设备。

3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括以下步骤：

确定在所述终端设备与第一路由器设备之间的链路的性能指示符，以及

将这个性能指示符与预定标准进行比较，和

如果所述性能指示符满足预定标准，则确定第一路由器设备可以是所述终端设备的代理路由器。

4.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述性能指示符是链路成本指示符。

5.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述性能指示符是所述路由器应用被所述终端设备控制的事实。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括第一路由器设备发送代理决议消息的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其中在基于所述终端设备与第一路由器设备之间的链路的性能指示符所确定的延迟之后，发送所述代理决议消息。

8.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述网络进一步包括在第一路由器设备的传输范围之内的第二路由器设备，并且所述方法包括：

第二路由器设备接收来自第一路由器设备的代理搜索触发和/或代理决议消息，

第二路由器设备基于代理决议消息并且基于终端设备识别以及所述终端设备与第一和第二路由器设备之间的链路的性能指示符来确定它是否应该充当所述终端设备的代理路由器。

9.如前述权利要求之一所述的方法，其中由第二路由器设备进行的确定包括以下步骤：

第二路由器确定它是否被链接到所述终端设备，

第二路由器确定所述终端设备的性能指示符，

第二路由器将其地址与第一路由器设备的地址进行比较，

如果第二路由器的地址低于第一路由器设备的地址，则第二路由器发送代理决议消息。

10.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述网络进一步包括位于第一路由器设备的传输范围之外的第三路由器设备，并且所述方法包括：

第三路由器设备接收所述代理搜索命令帧，

第一和第三路由器二者满足充当所述终端设备的路由器的条件，

第三路由器设备将它自己指定为所述终端设备的路由器，

第一路由器设备和第三路由器设备二者向所述终端设备发送确认消息，

所述终端设备检测所述确认消息之间的碰撞，并且重发代理决议命令帧。

11.如前述权利要求之一所述的方法，其中组标识符用于在位于指定的终端设备的无线范围中的路由器之间的代理决议命令帧的通信。

12.一种用于在包括资源受限的终端设备和第一路由器设备的网络中通信的方法，其中所述方法包括以下步骤：

所述终端设备发送将由路由器设备转发到目的地设备的数据帧，

所述终端设备在预定时间期间等待确认消息的接收，

如果没有接收到确认，则所述终端设备执行根据权利要求1的方法。

13.一种终端设备，包括：

无线传输装置，用于发送数据和触发代理搜索程序；

无线传输装置，用于至少接收确认消息；

用于追踪确认和决定触发所述代理搜索程序的装置；

有限的能量资源。

14.一种路由器设备，包括：

无线接收装置，用于接收来自无线网络中的其他设备的数据帧和命令帧，

无线传输装置，用于传送确认消息和决议消息，

传输装置，用于转发终端设备消息，

比较装置，用于将所述路由器设备的地址与其他地址进行比较，

存储装置，用于存储邻居表，其中所述表包括终端设备以及所述路由器设备与每一个终端设备之间的关系的状态的列表。

15.一种无线控制网络，包括至少一个根据权利要求13的资源受限的设备和根据权利要求14的路由器设备。