CN102687560B

CN102687560B - 在多跳无线网络中确定节点的秩的方法和装置

Info

Publication number: CN102687560B
Application number: CN201080050942.0A
Authority: CN
Inventors: 陶志峰; 王迪; 张锦云
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-11-09
Also published as: JP2013500621A; EP2471311A1; CN102687560A; WO2011059079A1; EP2471311B1; US8270313B2; US20110116389A1; JP5128007B2

Abstract

本发明的实施方式公开了一种在多跳无线网络中确定节点的秩的系统和方法，其中所述网络包括网关节点、客户端节点以及中继节点，其中节点p(i)是节点i的默认父节点并具有秩，并且所述网络使用有向无环图（DAG）拓扑。该方法包括以下步骤：通过无线链路从节点向默认父节点发送至少一个数据分组；对数据分组的最近发送中的成功发送的数量进行计数；基于最近发送中的成功发送的数量来确定无线链路的预期发送时间（ETX）；以及基于父节点的秩和ETX向节点分配秩R(i)。

Description

在多跳无线网络中确定节点的秩的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及无线网状网络，更具体地，涉及在网关与智能电网中的多个无线设备之间对数据进行路由。

背景技术

无线网状网络

无线网状网络（WMN:Wireless MeshNetwork）是一种由按照网状拓扑布置的多个节点（例如，无线节点）组成的通信网络。WMN的部署受到了很多应用的驱使，包括最后一英里因特网传送（last-mile Internet delivery）、分布式传感以及智能电网部署等。

图1示出了WMN 100的示例，该WMN 100包括网关节点110和多个客户端节点120。该网关节点使用有线或无线通信链路连接到回程（未示出）。该网关节点与多个客户端节点进行无线通信125。WMN内的数据业务包括从客户端节点到网关节点的内向业务（inward traffic）130、从网关节点到客户端节点的外向业务（outwardtraffic）140以及客户端之间的点对点业务150。

尽管WMN内的客户端节点通常是静止的，但是由于衰落效应和干扰，任意一对客户端节点之间的无线链路的质量通常是不稳定的并且随时间变化。无线链路的这种不稳定特性要求针对WMN的智能路由协议设计，所述协议能够处理链路状态变化，可靠且低延迟地传递数据分组，并且保持简单和灵活。

WMN中基于DAG的路由

在无线网络中，许多路由协议使用有向无环图（DAG:Directed Acyclic Graph）作为网络拓扑的抽象概念，以便于保持对网络状态信息的追踪。基于DAG的路由协议的示例是针对低功耗网络（RPL）的IPv6路由协议。RPL目前正在由因特网工程任务组（IETF）开发。

图2示出了DAG 200的一个示例。DAG是有向图，其中所有边都被定向为不存在回路。RPL是基于DAG拓扑的路由协议。针对在RPL中创建的每一个DAG，存在一个根节点210。在WMN中，DAG根节点210通常是网关节点。DAG中的所有边220都朝向根节点210并且在根节点210处终止。DAG中的各个节点都与秩230相关联。沿着去往DAG根节点的任何路径的节点的秩都单调递减以避免回路。

为了构建DAG，网关节点发出控制消息（即，DAG信息对象（DIO:DAGInformation Object））。该DIO传送与DAG有关的信息。所述信息包括：用于识别DAG的DAGID、针对客户端节点的秩信息以及由规定了在DAG内使用的度量和计算秩的方法的目标代码点（OCP：Objective Code Point）标识的目标函数。

第一次接收DIO消息的各个客户端节点将DIO发送节点添加到客户端节点的父节点列表中，根据OCP确定客户端节点自己的秩，并且发送具有更新的秩信息的DIO消息。通常，在客户端节点收到DIO消息之后，节点具有以下选择。节点可以基于RPL推荐的多个标准而废弃DIO，或者节点可以处理DIO以维持在现有DAG中的位置或者通过根据OCP和当前的路径成本获得较低的秩来改进位置。

在构建了DAG之后，各个节点都能够通过选择一父节点作为下一跳节点来转发任何内向业务。如图2所示，节点0具有秩0，节点1至3具有秩1，节点4至7具有秩3，并且节点8至10具有秩4。

为了支持从网关节点到客户端节点的外向业务，客户端节点发出被称为目的地通告对象（DAO:Destination Advertisement Object）的控制消息。在DAO中传送的信息包括节点的秩。该秩用于确定到客户端节点的距离以及记录外向路径上的节点的反向路由信息。在网关节点从客户端节点接收到DAO消息之后，在DAO消息的反向路径信息中记录了由DAG指示的内向路径中的所有中间节点，并且确定了从网关节点到客户端节点的完整的外向路径。

针对智能电网的DAG路由

智能电网使用数字技术从电力公司向家庭送电以控制家用电器节约能源，降低成本并且提高可靠性。智能电网将信息及通信技术与能源技术整合，以准许双向能流，以实现发电、送电以及终端使用益处的无缝操作，并且使得能够广泛地采用可再生能源和电动车辆。

目前，大多数电力公司使用自动读表（AMR：Automated Meter Reading）系统从电表中收集数据。AMR系统一般是基于射频的，其提供从电表到数据读取装置（经由网关）的单向通信。AMR的使用为服务商节省了定期到各个位置去读表的费用。

然而，期待智能电网系统得到进一步发展并且提供比AMR更多的功能。期待先进的智能电网系统全部实时地提供使服务商能够跟踪用电力量、向消费者通知最新电价并且执行远程服务管理的双向通信。实现这些功能的一个解决方案是部署多跳无线网状网络，该网络将所有的电表（在某一区域内）连接到网关，并且网关连接（可通过有线连接）到执行上述管理的控制中心。这样的网络通常被称为先进读表基础设施（AMI:Advanced Metering Infrastructure）。

期望为AMI网络提供基于DAG的路由。

发明内容

本发明的实施方式提供一种针对基于DAG的路由协议的方法，该协议支持先进读表基础设施（AMI）网络中的操作。所述操作的示例如下：

内向单播业务：各个表每tu秒经由网关向控制中心发送用电量的测量值；

外向单播业务：所述控制中心通过向各个表发送控制信息而提供能源使用量管理控制；

外向广播业务：所述控制中心每t_b秒向所有表广播最新电价。

本发明的实施方式公开了一种在DAG构建和维持过程中的新颖的秩确定方法，该方法有助于为内向单播业务提供高的端对端的可靠性。此外，一些实施方式使用反向路径记录机制来建立针对外向单播业务的路由。此外，实施方式公开了详细的、有效的DAG维持机制，该机制允许DAG结构快速地适应任何链路不稳定性，因此为内向业务和外向业务二者提供可靠的路径。

一个实施方式公开了一种在多跳无线网络中确定节点的秩的方法，其中所述网络包括网关节点、客户端节点以及中继节点，其中节点p(i)是节点i的默认父节点并具有秩，并且所述网络使用有向无环图（DAG）拓扑。该方法包括以下步骤：通过无线链路从所述节点向所述默认父节点发送至少一个数据分组；对数据分组的最近发送中的成功发送的数量进行计数；基于所述最近发送中的成功发送的数量来确定无线链路的预期发送时间（ETX）；以及基于所述父节点的秩和所述ETX将秩R(i)分配给所述节点。

附图说明

图1是无线网状网络（WMN）的示例；

图2是用于WMN的有向无环图（DAG）结构；

图3是根据本发明实施方式的在多跳无线网络中确定节点的秩的方法的框图；

图4是网关节点的状态转移图；

图5是表节点的状态转移图；

图6是由处于DAG维持状态的网关节点执行的操作的流程图；

图7是由处于加入DAG状态的表节点执行的操作的流程图；

图8是由处于DAG维持状态的表节点执行的操作的流程图；

图9是在图8中定义的操作集1的流程图；

图10是在图8中定义的操作集2的流程图；以及

图11是在图8中定义的操作集3的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方式在包括网关节点、客户端节点及中继节点的多跳无线网络中工作。节点p(i)是节点i的默认父节点并且具有秩R(p(i))。网络拓扑根据有向无环图（DAG）而布置。

本发明的实施方式基于以下认知：多跳无线网络中的节点i的秩能够基于链路L(i，p(i))的预期发送时间（ETX）以及默认父节点的秩动态地确定。

网络信息

如图1所示，本发明的一些实施方式使用具有一个网关节点(0)110和n个表120（节点1、节点2、…节点n）的先进读表基础设施（AMI）网络。该网络中的各个节点都由节点ID（例如，节点的因特网协议（IP）地址）唯一地标识。

存储在各个节点i(i＝1,2…,n)处的网络信息包括：节点i的秩、父节点列表、默认父节点的节点ID、目的地节点列表以及广播序号（初始值为0）。

父节点列表中的各个条目包括：父节点的ID、父节点的秩以及从节点i到父节点的链路的预期发送时间（ETX）。

目的地节点列表中的各个条目包括：目的地节点的ID以及下一跳节点的ID。节点i的默认父节点在该节点的父节点列表中并且在父节点列表内的所有节点中具有最低的秩。

由网关节点0存储的网络信息包括：网关节点的秩（例如，常数n）、目的地节点列表以及广播序号（初始值为1）。

数据分组转发规则

内向单播转发

产生或接收目的地为网关的内向数据分组的表节点将所述分组转发到默认父节点。如果节点不具有默认父节点，则废弃该分组。

外向单播转发

产生或者接收目的地为表节点的外向数据分组的节点在目的地节点列表中搜索目的地节点的条目，并且将所述分组转发到由该条目指示的下一跳节点。如果没有发现所述条目，则废弃该分组。

外向广播转发

产生外向广播业务的网关节点将广播序号添加到各个生成的广播分组i，并且在每次广播后将广播序号加1。接收序号为k的广播数据分组的表节点检查其自己的广播序号l。如果l<k，则该表节点重新广播该分组，并且将其自己的广播序号改变为k；否则，该表节点将分组废弃。

秩的确定

图3示出了在多跳无线网络中确定节点i的秩的方法300的框图。该网络包括：网关节点、客户端节点及中继节点，其中节点p(i)是节点i的默认父节点并且具有秩R(p(i))350，并且其中该网络使用有向无环图（DAG）拓扑。在图2中示出了本发明的实施方式使用的示例网络。在一个实施方式中，网关节点210的秩被设置为恒定值n。

方法300向节点i，i＝1,2…,n分配秩R(i)（340）。根据下式（1），DAG中的其它节点（诸如客户端和中继节点215）的秩值基于链路L(i，p(i))的ETX（即，ETX(i,p(i))335）以及默认父节点的秩350动态地确定：

R(i)=R(p(i))·ETX(i，p(i))+A (1)

其中A 360是常数。在一个实施方式中，该常数A是1。

在一些实施方式中，任何链路的ETX的初始值都为1。在通过链路（例如，链路L(i，p(i))）发送m个数据分组（310）之后，确定ETX的值（330）。因此，各个链路的ETX的值随着时间改变。

ETX测量

根据下式（2），链路(i，j)的ETX测量基于从节点i向节点j发送的最近m个数据分组中的成功的网络层发送的数量s：

ETX(i,j)=m/s (2)

因此，在通过链路L(i，p(i))从节点i向节点p(i)发送m个数据分组（310）之后（其中，m 315是从节点i到节点p(i)最近发送的数量），对m个数据分组的成功发送的数量s 325进行计数（320）。确定链路L(i，p(i))的ETX(i,p(i))335（330）并且将秩R(i)345作为R(P(i))·ETX(i，p(i))+A分配给节点i(340）。

在一个实施方式中，在数据分组的每一次发送之后确定ETX(i,p(i))。另选地，一些实施方式在预定数量的发送之后确定ETX(i，p(i))。

可以经由介质访问控制（MAC）层反馈机制获得关于成功/失败的网络层发送的信息。例如，IEEE 802.11标准规定，在MAC层成功地接收到单播分组之后，接收节点将向发送节点回复ACK分组，因此，发送节点将会知道发送成功。如果发送节点没有接收到ACK并且发送次数达到了IEEE 802.11 MAC层协议所规定的最大重试极限，则MAC层将向网络层报告MAC层的失败。

在网络的一些实现中，各个节点i都监视目的地为该节点i的任何父节点的链路的ETX。如果节点i检测到在目的地为其中一个父节点的任何链路中的ETX变化，则该节点i执行多个构建和维持操作，以便于维持一致且高效的DAG网络。

DAG构建和维持

为了开始进行DAG构建，网关节点发布DAG信息对象（DIO）消息。接收到该DIO消息的任何节点对该消息进行处理，要么废弃该DIO，要么修改并转发该DIO。因此，DIO消息按照使得各个节点能够维持需要的网络信息的方式在整个AMI网络上传播，以支持所有前述三种类型的数据业务。

图4示出了在DAG构建和维持期间网关节点的状态转移图。网关节点在通电之后处于初始状态（410）并且准备好执行路由协议指定的任何操作。处于初始状态的网关节点使用用户数据协议（UDP）来广播DIO消息（415）。DIO消息包括诸如DAGID（=0）的信息以及秩值（n）。

然后，网关节点进入DAG维持持状态（420），在该状态中，该节点在接收数据分组时执行一系列操作（430）。

图5示出了在DAG构建和维持期间节点i(i＝1,2,…,n)的状态转移图。在一节点通电之后，该节点处于初始状态（510）并且准备好执行路由协议指定的任何操作。处于“初始”状态的节点在接收到DIO（515）后转移至临时状态“加入DAG”（520），节点在该状态中执行一系列操作并接着转移至DAG维持状态（530），这取决于包括接收到DIO（560）、接收到数据分组（540）以及检测到ETX变化（550）在内的触发事件，处于DAG维持状态的节点可以执行各种操作。

处于“DAG维持”状态的网关节点

图6示出了由处于DAG维持状态的网关节点执行的操作。由处于空闲（IDLE）状态（610）的网关节点执行的操作取决于接收到的分组的类型（620）。如果该分组是DIO（630），则废弃该分组（635）。如果该分组是外向数据分组（640），则由于路由回路而废弃该分组，并且报告错误（645）。

如果该分组是内向数据分组（650），则网关节点启动反向路径记录机制。网关节点检查该分组的源节点是否在该网关节点的目的地节点列表中（660）。如果不在该列表中，则创建目的地节点列表的新条目（665），其中目的地节点ID是该分组的源IP地址，并且下一跳节点ID是该分组的最后一跳节点ID。否则，相应地更新对应的条目（670），并且向控制中心转发内向数据分组（680）。

处于“加入DAG”状态的表节点

图7示出了由处于临时的加入DAG状态（初始状态710）的表节点执行的操作。在接收到DIO消息（720）之后，通过在父节点列表的新项目中记录节点ID和秩，节点将DIO发送节点添加到父节点列表（730），并且使发送节点成为默认父节点（740）。然后，该节点根据式（1）来确定秩（750），使用以所述秩更新的秩信息来转发DIO消息（760），并且进入“DAG维持”状态（770）。

处于‘DAG维持’状态的表节点

图8示出了由处于“DAG维持”状态的表节点（例如，节点i）执行的操作。通过接收DIO（830）、接收数据分组（840）以及确定ETX变化（850），处于IDLE子状态（810）中的表节点i可以接收三种类型的中断（820）。取决于中断的类型，该节点分别执行图9至图11中示出的不同的操作集900至1100。

图9示出了在节点i从另一个节点j接收到DIO消息之后由该节点i执行的操作。节点i检查DIO发送节点j是否在父节点列表中（910）。如果节点i不在节点i的父节点列表中，则节点i使用发送节点j的秩，根据式（1）来计算临时秩T（950），然后将该临时秩T与该节点的当前秩C进行比较（955）。

如果[T]≤[C]（其中，[x]表示最接近x的整数值），则节点i向父节点列表添加其中父节点是节点j的新条目（960），并且秩值是由DIO指示的节点j的秩。If[T]=[C]（970），则节点i废弃DIO消息（975）并且转移至IDLE状态（810）。否则，节点i重新选择默认的父节点（980），根据式（1）重新确定秩，并且转发DIO（例如，使用当前秩值进行广播）（985），并且返回到IDLE状态。

如果[T]>[C]，则节点i检查T/C之比是否已超过预先限定的阈值R_T（957）。如果T/C>R_T，则为了提高节点i的秩，节点i使用当前秩转发DIO（959）；否则，节点i废弃该DIO消息（975）。

如果节点j在节点i的父节点列表中，则节点i使用由DIO提供的信息来更新节点j的条目（915）。然后，节点i使用发送节点j的秩，根据式（1）来计算临时秩T（920），并且将该临时秩T与当前秩C进行比较。

如果节点j不是节点i的默认父节点（922）并且[T]≥[C]（956），则节点i计算T/C之比（957）。如果T/C>R_T，则为了提高节点i的秩，节点i使用当前秩来转发DIO。否则，节点i废弃该DIO消息（975）。

如果节点j不是节点i的默认父节点并且[[T]<[C]（956），则节点i重新选择默认父节点（958），根据式（1）重新计算秩值，并且转发DIO（例如，使用当前秩值进行广播）（959），并且返回到IDLE状态。

如果节点j是节点i的默认父节点并且[T]>[C]（925），则节点i重新选择默认父节点（935），并且根据式（1）重新计算秩。如果[C]的值在重新选择默认父节点之后增大（936），则节点i使用当前秩转发DIO（959）。如果[C]未增大，则节点i计算T/C之比（938）。如果T/C>R_T或者如果[T]<[C]（930），则为了提高节点i的秩，节点i使用当前秩转发DIO（940）。否则，节点i废弃DIO消息（939）。

如果节点j是节点i的默认父节点并且[T]<[C]，则节点i确定T/C之比。如果T/C>R_T，则为了提高节点i的秩，节点i使用当前秩转发DIO（940）。否则，节点i废弃DIO消息（939）。

图10示出了节点i在接收数据分组之后执行的操作。如果节点i接收到源自另一个节点j的内向单播分组（1020），则节点i启动反向路径记录机制。节点i检查在该节点i的目的地节点列表中是否存在节点j的条目（1030）。如果不存在该条目，则创建新条目（1032），其中目的地节点ID是节点j的IP地址，并且下一跳节点ID是该分组的最后一跳节点ID。如果存在节点j的条目，则相应地更新该条目（1034），并且向节点i的节点默认父节点转发该数据分组（1040）。

如果节点i接收到目的地为另一个节点j的外向单播分组（1025），则节点i检查在目的地节点列表中是否存在节点j的条目。如果存在节点j的条目，则节点i向该条目中指示的下一跳节点转发该分组（1052），否则就废弃该分组（1054）。

如果节点i接收到外向广播分组（1027），则节点i检查该分组的广播序号是否大于节点i的广播序号。如果是，则节点i吸收该分组（1062），将序号更新为该分组的序号（1066），并且广播该分组（1068）。否则，废弃该分组（1064）。

图11示出了节点i在检测到在去往父节点j的链路中的ETX变化之后执行的操作。如果节点j是节点i的默认父节点（1120）并且ETX已减小（1124），则节点i根据式（1）重新计算秩C（1132）。如果[C]的值在重新计算之后发生变化（1170），则节点i使用更新后的秩发布DIO消息（1150）。

如果节点j是节点i的默认父节点（1120）并且ETX增大（1124），则节点i重新选择默认父节点（1160）并且根据式（1）重新计算秩C。如果[C]的值在重新计算之后发生变化（1170），则节点i使用更新后的秩发布DIO消息（1150）。

如果节点j不是节点i的默认父节点（1120）并且ETX减小（1122），则节点i使用节点j的秩计算临时秩T（1130）。如果T＜C（1140），则节点i选择节点j作为默认父节点（1160）并且更新秩C。如果[C]的值在选择之后发生变化（1170），则节点i使用更新后的秩发布DIO消息（1150）。

Claims

1.一种在多跳无线网络中确定节点i的秩的方法，其中所述网络包括网关节点、客户端节点以及中继节点，其中节点p(i)是所述节点i的默认父节点并且具有秩R(p(i))，并且其中所述网络的拓扑依照有向无环图(DAG)，该方法包括以下步骤：

通过链路L(i,p(i))从所述节点i向所述节点p(i)发送至少一个数据分组；

对m个数据分组的成功发送的数量s进行计数，其中m是从所述节点i到所述节点p(i)的最近发送的数量；

根据ETX(i,p(i))＝m/s，确定所述链路L(i,p(i))的预期发送时间ETX；以及

将秩R(i)＝R(p(i))·ETX(i,p(i))+A分配给所述节点i，其中A是常数。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

向所述网关节点分配秩，其中分配给所述网关节点的所述秩是常数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述常数A是1。

4.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

将初始值1赋值给所述ETX(i,p(i))。

5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

响应于所述发送步骤，重复所述计数步骤和所述确定步骤以更新所述ETX(i,p(i))。

6.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

通过介质访问控制(MAC)层反馈机制来确定所述数量s。

7.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

获取所述节点i的父节点列表，其中所述父节点列表包括节点k；

获取所述节点k的秩R(k)；以及

获取从所述节点i到所述节点k的链路的预期发送时间ETX(i,k)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述节点k通告所述秩R(k)。

9.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括：

获取所述节点i的所述默认父节点的所述秩R(p(i))。

10.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括：

基于所述节点i与所述父节点列表中的各节点之间的各个链路的预期发送时间以及所述父节点列表中的各节点的所述秩，选择所述默认父节点。

11.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

获取所述节点i的所述默认父节点的所述秩R(p(i))；

确定所述ETX(i,p(i))；以及

响应于所述ETX(i,p(i))的值和/或所述秩R(p(i))的值的变化，更新所述秩R(i)。

12.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括：

发送表明更新后的秩R(i)的消息。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述网络是先进读表基础设施网络。

14.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括：

确定所述父节点列表中的各个节点的临时秩；以及

如果所述临时秩与所述秩R(i)之比大于阈值，则发送表明更新后的秩R(i)的消息。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述网络是先进读表基础设施(AMI)网络，并且所述节点i是表节点。

16.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

获取所述节点i的所述默认父节点的所述秩。

17.一种在多跳无线网络中确定节点i的秩的系统，其中所述网络包括网关节点、客户端节点以及中继节点，其中节点p(i)是所述节点i的默认父节点并且具有秩R(p(i))，并且其中所述网络的拓扑依照有向无环图(DAG)，该系统包括：

发送单元，其通过链路L(i,p(i))从所述节点i向所述节点p(i)发送至少一个数据分组；

计数单元，其对m个数据分组的成功发送的数量s进行计数，其中m是从所述节点i到所述节点p(i)的最近发送的数量；

确定单元，其根据ETX(i,p(i))＝m/s，确定所述链路L(i,p(i))的预期发送时间ETX；以及

分配单元，其将秩R(i)＝R(p(i))·ETX(i,p(i))+A分配给所述节点i，其中A是常数。