CN103703844B - 用于覆盖独立单播调度的动态公共广播调度参数 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，跳频通信网络中的每个设备根据针对网络的公共广播调度进行操作，所述公共广播调度同时覆盖网络中所有独立确定的单播收听调度的被配置部分，其中被覆盖的被配置部分基于由用于每个广播时段中的广播传输的第一时间和广播时段之间的第二时间构成的广播调度参数。通过监控与网络中的单播流量和广播流量相关的网络特性，更新后的广播调度参数随后可以基于网络特性被确定。相应地，公共广播调度的操作从而可以利用更新后的广播调度参数被更新。

Description

用于覆盖独立单播调度的动态公共广播调度参数

技术领域

本公开总地涉及无线通信，并且更具体地涉及跳频无线网络中的单播和广播调度。

背景技术

在跳频（或者信道跳频）网格网络中，设备在不同的时间利用不同的频率/信道进行通信。为了传送分组，发送方-接收方对在分组传输期间必须被配置为相同信道。为了使发送方在将来的任意时间与接收方通信，发送方和接收方必须同步到指定什么信道在什么时间进行传送的信道调度。

信道调度可以被独立地分配给每个发送方-接收方对，以使得相邻的发送方-接收方对可以同时在不同的信道上通信。这样的策略提高了针对单播通信的总网络容量，但是对于广播通信而言是低效的。或者，网络中的所有设备可以与单个信道调度同步，以使得所有设备在任意时间在相同的信道上发送和接收。因为单个传输可以到达任意个邻居，所以这样的策略提高了针对广播通信的效率，但是因为相邻的各个发送方-接收方对不能无干扰地同时进行通信，所以这样的策略降低了针对单播通信的总网络容量。

现有的系统通过将整个网络同步到相同的信道切换调度并且使用中心协调器计算和配置针对每一个设备的信道调度来针对单播和广播通信两者进行优化。但是，这种方法为了在每个发送方-接收方对之间协调新的调度会增加大量延迟和通信开销。

附图说明

这里的实施例可以通过结合附图参考以下的描述来更好地被理解，在附图中，相似的标号指示相同或者功能上类似的元件，其中：

图1图示了示例性无线网络；

图2图示了示例性无线设备/节点；

图3图示了示例性跳频序列；

图4A-4B图示了跳频序列的另一示例；

图5图示了示例性的独立确定并且独立定时的单播跳频序列；

图6图示了示例性广播跳频序列；

图7A-7B图示了示例性的覆盖广播调度；

图8图示了被覆盖在独立的单播序列上的广播调度的示例；

图9图示了用于在跳频计算机网络中提供优化的单播和广播调度（例如在独立的单播调度上覆盖公共的广播调度）的示例性简化进程；

图10A-10B图示了流量监控的示例；

图11A-11C图示了示例性动态广播调度参数；

图12图示了利用动态调节的广播调度参数被覆盖在独立的单播序列上的广播调度的示例；以及

图13图示了用于例如当在独立的单播调度上覆盖公共的广播调度时在跳频计算机网络中提供动态公共广播调度参数的示例性简化进程。

具体实施方式

概述

根据本公开的一个或多个实施例，跳频通信网络中的每个设备根据针对网络的公共广播调度进行操作，所述公共广播调度同时覆盖网络中所有独立确定的单播收听调度的被配置部分，其中被覆盖的被配置部分基于由用于每个广播时段中的广播传输的第一时间和广播时段之间的第二时间构成的广播调度参数。通过监控与网络中的单播流量和广播流量相关的网络特性，更新后的广播调度参数随后可以基于网络特性被确定。相应地，公共广播调度的操作因而可以利用更新后的广播调度参数而被更新。

说明

计算机网络是用于在诸如个人计算机和工作站或者其它设备（例如传感器等）之类的端节点之间传输数据的由通信链接和片段互连的地理上分布式的节点集合。很多类型的网络是可用的，网络类型涵盖局域网（LAN）到广域网（WAN）。LAN通常连接位于同一总物理位置（例如建筑物或校园）中的专用私有通信链路上的节点。另一方面，WAN通常连接长距离通信链路上的地理上分散的节点，所述长距离通信链路例如公共载波电话线、光路、同步光网络（SONET）、同步数字体系（SDH）链路或者诸如IEEE61334、IEEE P1901.2等之类的电力线通信（PLC）。

具体而言，无线网络是一种共享介质网络，其中多个节点通过无线介质进行通信，例如使用空中的射频（RF）传输。例如，移动Ad-Hoc网络（MANET）是一种无线ad-hoc网络，该网络通常被视为通过无线链路连接的移动路由（和相关联的主机）的自配置网络，所述无线链路的集合形成任意的拓扑结构。例如，低功率有损网络（LLN）（例如某些传感网络）可以被用在各种应用中，例如用于“智能电网”和“智能城市”（例如用于高级计量架构或“AMI”应用），并且通常可以由在场域网络（FAN）内通信的无线节点构成。LLN一般被视为其中路由器及其互连被约束的一类网络：LLN路由器通常在约束条件（例如处理功率、存储器和/或能量（电池））下进行操作，并且它们的互连例如通过高损失率、低数据率和/或不稳定性来表征。LLN包括从几十个到数千个或者甚至是数以百万个LLN路由器中的任意个路由器，并且支持点到点（LLN内部的设备之间）的流量、点到多点的流量（从中心控制点到LLN内部的设备子集）和多点到点的流量（从LLN内部的设备到中心控制点）。

图1是示例性（并且大大简化的）计算机网络100（例如无线网络或者其它）的示意性框图，该网络例如包括通过跳频通信链路105互连的节点/设备200（例如被标记为“11”、“22”、“33”和“44”），如下所述。具体而言，诸如路由器、传感器、计算机、无线电等之类的特定节点200可以例如基于距离、信号强度、当前操作状态、位置等与其它节点200通信。本领域技术人员将理解任意数目的节点、设备、链接等可以被用在无线网络中，并且这里所示出的视图是为了简单起见（具体而言，虽然路由器被示出，但是任意的无线通信设备11-44可以被使用）。此外，虽然实施例在这里参考通用无线网络被例示性地示出，但是这里的描述不局限于此，并且可以被应用于具有有线链路、无线链路、PLC链路等的网络。

数据传输140（例如在设备/节点之间被发送的流量、分组、消息等）可以利用诸如某些已知的无线协议（例如IEEE Std.802.15.4、WiFi、等）或者在适当情况下的其它共享介质协议（例如PLC）之类的预定义的网络通信协议在计算机网络100的节点/设备之间被交换。如这里所描述的，通信可以基于跳频协议。在本上下文中，协议由限定节点怎样与彼此交互的一组规则构成。

图2是可以结合这里所描述的一个或多个实施例使用的示例性节点/设备200的示意性框图，例如节点11-44。设备可以包括通过系统总线250互连的一个或多个网络接口210（例如无线/跳频）、至少一个处理器220和存储器240，以及电源260（例如插入式电源、电池等）。

网络接口210（例如收发器）包含用于通过被耦接到网络100的无线链路105传送数据的机械、电、信令电路装置。网络接口可以被配置为利用上述的本领域技术人员可以理解的各种不同的通信协议来发送和/或接收数据，所述通信协议尤其是针对如这里所描述的跳频通信的通信协议。另外，接口210可以包括例示性的介质访问控制（MAC）层模块212（以及本领域技术人员可以理解的其它层，例如物理或“PHY”层）。此外，注意节点可以具有两种不同类型的网络连接210，即无线和有线/物理连接，并且这里的视图只是为了例示的目的。

存储器240包括处理器220和网络接口210可寻址的多个存储位置，用于存储与这里所描述的实施例相关联的软件程序和数据结构。注意，某些设备可以具有有限的存储器或者没有存储器（除了用于运行在设备上的程序/进程以外没有用于存储的存储器）。处理器220可以包括被适配为执行软件程序和操纵数据结构245的必要的元件或逻辑。操作系统242通过调用支持在设备上执行的软件进程和/或服务的操作等在功能上对设备进行组织。这些软件进程和/或服务可以包括路由进程/服务244以及例示性的“调度进程248”，如下面将更详细描述的。注意，虽然调度进程248被显示在中心存储器240中，但是替代实施例提供具体要在网络接口210内被运行的模式选择进程，例如MAC层212的组件（进程“248a”）。

本领域技术人员将清楚包括各种计算机可读介质的其它处理器和存储器类型可以被用于存储和执行关于这里所描述的技术的程序指令。此外，虽然本描述例示了各种进程，但是很明显可以想到各种进程可以被实现为被配置为根据这里的技术（例如根据类似进程的功能）进行操作的模块。此外，虽然这些进程被分开显示，但是本领域技术人员可以理解一些进程可以是其它进程内的例程或模块。

路由进程（服务）244包含被处理器220执行以实现一个或多个路由协议所提供的功能的计算机可执行指令，所述路由协议例如本领域技术人员可以理解的先应式或反应式路由协议。这些功能可以在有能力的设备上被配置为管理包含例如被用于进行路由/转发判决的数据的路由/转发表（例如数据结构245）。具体而言，在先应式路由中，连接性在计算到网络中的任意目的地的路由之前被发现且已知，所述路由例如诸如开放式最短路径优先（OSPF）或者中间系统到中间系统（ISIS）或者优化的链路状态路由（OLSR）之类的链路状态路由。另一方面，反应式路由发现邻居（即不具有关于网络拓扑的先验知识），并且作为对所需要的去往目的地的路由的响应，将路由请求发送到网络中以确定哪个相邻节点可以被用于到达所希望的目的地。示例性反应式路由协议可以包括Ad-hoc按需距离向量（AODV）、动态源路由（DSR）、动态MANET按需路由（DYMO）等。要注意的是，在不能或者未被配置为存储路由条目的设备上，路由进程244可以仅仅由提供源路由技术所必要的机制构成。就是说，对于源路由，网络中的其它设备可以确切地告知功能较弱的设备将分组发送到哪儿，并且功能较弱的设备简单地按照指示转发分组。

注意，近年来网格网络变得越来越流行和实用。具体而言，共享介质网格网络（例如无线或PLC网络等）通常在被称为低功率有损网络（LLN）上，低功率有损网络是其中路由器及其互连被约束的一类网络：LLN路由器通常在约束条件（例如处理功率、存储器和/或能量（电池））下进行操作，并且它们的互连例如通过高损失率、低数据率和/或不稳定性来表征。LLN包括从几十个到数千个或者甚至是数以百万个LLN路由器中的任意个路由器，并且支持点到点（LLN内部的设备之间）的流量、点到多点的流量（从诸如根节点之类的中心控制点到LLN内部的设备子集）和多点到点的流量（从LLN内部的设备到中心控制点）。

在Winter等人所撰写的名为“RPL:IPv6Routing Protocol for Low Power andLossy Networks”<draft-ietf-roll-rpl-19>的互联网工程任务组（IETF）互联网草案（2011年3月13日版本）中所规范的示例性协议提供了一种支持从LLN内部的设备到中心控制点（例如LLN边界路由器（LBR）或者一般而言为“根节点/设备”）的多点到点（MP2P）流量以及从中心控制点到LLN内部的设备的点到多点（P2MP）流量（以及点到点或者“P2P”流量）的机制。RPL（发音为“ripple”）可以被一般性地描述为距离向量路由协议，该协议构建有向无环图（DAG），该图除了用于限定一组特征以限制控制流量、支持修复等以外还用于路由流量/分组140。要注意的是，如本领域技术人员可以理解的，RPL还支持多拓扑路由（MTR）的概念，从而多个DAG可以被构建以根据个体需求来运送流量。

跳频（也被称为“跳频扩展谱”（FHSS）或者信道跳频）是一种通过例如利用发送方和接收方双方都知道的伪随机序列在多个频道之间快速切换载波来传送无线电信号的方法。例如，跳频可以被用作跳频码分多路接入（FH-CDMA）机制中的多路接入方法。一般来说，如本领域技术人员可以理解的，利用跳频的传输与固定频率的传输的不同之处在于跳频的传输是抗干扰的并且难以解析。因此，跳频传输是一种用于很多应用的有用的技术，例如传感器网络、LLN、军事应用等。

总地来说，如图3中所示，在跳频无线网络中，时间帧在跳频序列300中被分为规则的时隙310，每个时隙工作在不同频率330（例如f1-f4）上。参考时钟可以被提供给用于整个网络（例如网格/小区）或者至少是通信设备对之间的时间帧。每个节点200的MAC层212将时间分成与其邻居的时隙边界对齐的时隙。此外，每个时隙310可以被进一步分成子时隙320。（注意并非所有的跳频系统都使用子时隙，并且设备可以在时隙内的任意时间开始传输；这里的视图只是一个示例。）如图所示，MAC层212负责对其中分组被发送的时隙进行调度，其主要目的一般是传输时间的随机化以避免与邻居的分组相冲突。注意MAC层212不仅必须对来自协议栈的上层的数据消息进行调度，而且必须对其自己的分组（例如确认、请求、信标等）进行调度。

跳频网络中的设备通过挑选信道序列、每个时隙的持续时间和限定调度中的第一时隙何时开始的时基来对其接收方进行配置以遵循跳频调度。然后为了传送分组，发送方和接收方在分组传输期间必须被配置为相同信道。给定网络中的所有设备可以利用相同的跳频调度（即，所有设备被配置为使用相同的信道序列、时隙持续时间和公共的时基），导致这样一种网络，其中在任意给定时间点处的网络中的所有通信利用相同信道。关于这个的示例在图4A中被示出，其中每个接收方（22、33和44）全部被配置有相同的序列（还假设节点11使用相同的序列）。

或者，每个发送方-接收方对可以利用不同的跳频调度（即，每一对可以在信道序列、时隙持续时间和/或时基方面有所不同），以使得发送方-接收方对可以在相同时间但不同信道上进行通信。例如，信道跳频网络中的每个设备可以与任意其它节点相独立地单独挑选它们自己的跳频调度参数，如图4B中所示。注意频率的偏移（即如下事实：相同的四个频率按相同的次序被使用，只是偏移一个时隙）仅仅是一个例示，并且序列和频率可以被独立地选择。此外，注意虽然时隙被显示为在不同的节点之间是同步的，但是本领域技术人员将理解不同节点之间的时隙实际上可以是不同相位的，并且彼此可以没有关联。

设备通过传送其信道序列、时隙持续时间和跳频调度内的当前时间使其跳频调度与另一设备同步。跳频调度参数可以在明确的同步分组中被传送和/或被搭载在现有的数据分组上。如所提到的，这些参数中的一些（例如信道序列）可以是网络范围内的隐含的参数。设备存储这些参数以了解在特定时间哪个信道用于传输。

如以上所提到的，频率/信道调度可以被独立地分配给每个发送方-接收方对，以使得相邻的发送方-接收方对可以同时在不同的信道上通信。这样的策略提高了针对单播通信的总网络容量，但是对于广播通信而言是低效的。或者，网络中的所有设备可以与单个信道调度同步，以使得所有设备在任意时间在相同的信道上发送和接收。因为单个传输可以到达任意个邻居，所以这样的策略提高了针对广播通信的效率，但是因为相邻的各个发送方-接收方对不能无干扰地同时进行通信，所以这样的策略降低了针对单播通信的总网络容量。

网格网络通常利用单播和广播通信两者。应用程序使用单播通信来将数据传送给中心服务器（例如AMI仪表读数）或者根据中心服务器配置各个设备（例如AMI仪表读取调度）。网络控制协议使用单播通信来估计链路的质量（例如RSSI和ETX）、请求配置信息（例如DHCPv6）以及传播路由信息（例如RPL DAO消息）。

应用程序利用多播通信来高效地配置整个组（例如基于仪表类型的AMI仪表配置）、固件下载升级（例如将AMI仪表软件升级为更新的版本）以及断电通知。网络控制协议使用多播通信来发现邻居（例如RPL DIO消息、DHCPv6广告和IPv6邻居征集）并散布路由信息（例如RPL DIO消息）。

现有系统通过将整个网络同步到相同的信道切换调度并使用中心协调器计算和配置针对每个个体设备的信道调度来对单播和广播通信两者进行优化。例如，第一信道跳频网络可以调度所有节点在相同时间相同信道上进行接收，并且整个网络在锁步模式下一起进行跳频。虽然这第一个网络是针对广播而被优化的，但是其对于其中不同的节点对可以在不同信道上同时进行通信的单播而言不允许频率多样性。在第二个示例性网络中，单播和广播时隙都可以被利用，其中中心网关设备计算针对每个发送方-接收方对的跳频调度。然而，这种方法为了在每个发送方-接收方对之间协调新的调度会增加大量的延迟和通信开销，因为调度是利用无线网络被发布的。这两种示例性网络都无法在不需要集中计算针对各个节点的调度的情况下对用于单播和广播通信两者的调度进行优化。

优化单播和广播调度

现在描述一种例示性信道跳频概念，该信道跳频概念允许每个设备确定其自己的用于单播通信的收听调度，同时将整个网络同步到用于广播通信的公共调度。就是说，该例示性技术允许不同的发送方-接收方对同时利用频谱的不同部分进行单播通信，并且将节点同步到网络范围内的广播调度以支持高效的广播通信。

具体而言，根据该例示性技术，跳频通信网络中的每个设备独立地确定其自己的本地单播收听调度，并且发现针对其邻居中的每个邻居的邻居单播收听调度。设备还同步到针对网络的公共广播调度，该公共广播调度同时覆盖网络中的所有单播收听调度的被配置部分。因此，设备在被覆盖的被配置部分期间根据它们本地的单播收听调度和公共广播调度在接收模式下进行操作，并且取决于被传送流量的目的地在被覆盖的被配置部分期间根据每个邻居单播收听调度和公共广播调度在发送模式下进行操作。

例示性地，这种技术以及以下所描述的对这种技术的延伸可以例如根据调度进程248和/或MAC层模块212（248a）用硬件、软件和/或固件来实现，调度进程248和/或MAC层模块212（248a）可以分别包含由处理器（例如处理器220或者网络接口210内的独立处理器）执行的计算机可执行指令以实现例如作为跳频通信协议中的一部分的与这里所描述的新技术相关的功能。例如，这里的技术可以被视为对诸如IEEE802.11协议、IEEE802.15.4、WiFi等之类的传统无线通信协议的延伸，正因为如此，这里的技术将由执行这样的协议的本领域中所理解的类似组件来处理。

这种例示性技术一般以下面将更详细地描述的如下因素为前提：

1）使每个设备与所有其它设备相独立地确定其自己的单播调度，

2）将网络同步到公共广播调度，该公共广播调度还指示设备何时收听广播传输而非单播传输，

3）根据由接收方确定的收听调度传送单播消息，以及

4）根据广播调度传送广播消息。

在操作上，每个节点保持其自己的用于接收单播消息的信道跳频调度，从而独立地确定针对每个设备的“本地单播收听调度”。单播调度由以下参数限定：

1）信道序列：网格接口在收听单播传输时遵从的信道列表（例如用16位的整数进行索引）。信道序列中的每个条目可以由基于设备的唯一标识符（例如接口的MAC地址）和列表索引的函数确定。使用MAC地址帮助确保邻居节点不遵从相同的伪随机序列并且减少相邻的发送方-接收方对的重复冲突的机会。

2）时隙持续时间：单播调度将时间分成相等大小的时隙。对于时隙的整个持续时间，节点收听单个信道。在每个时隙开始时，节点切换到单播调度中的下一信道以进行收听。注意，如以上所提到的，每个独立确定的单播收听调度可以被独立地定时，即，在不同的设备调度之间，时隙（时隙、子时隙等）不需要对齐。

图5图示了可以由网络100中的每个个体设备计算的独立确定的本地单播收听调度300的另一示例。注意在任意给定时间一般没有重叠（调度算法的目的，但不是必需的），并且某些频率可以在不同的时间被重用。还要注意与图4B相反，这些调度是完全独立的，即，它们并不简单地是同一次序的偏移，并且在设备之间时隙并不总是对齐的。

发送方必须学习并且与接收方的信道跳频调度同步以成功地向其发送单播消息。因此，每个设备可以与其邻居共享它们的本地单播收听调度，以使得每个设备可以相应地发现针对每个邻居的邻居单播收听调度。如以上所提到的，节点在各个链路帧（分组140）中包括关于其单播调度的信息以允许相邻节点同步到其单播调度。所述信息通常可以包括相位信息和时隙信息，相位信息即在“帧的开始”的传输与当前单播时隙的开始之间经过的时间量，时隙信息即其间帧的开始被传送的时隙号。

由于不同的发送方-接收方对可以同时使用多个信道，所以使每个接收方保持其自己的信道跳频调度提高了网络的整体吞吐量。要求每个发送方独立地与每个接收方同步提高了整体鲁棒性，因为任何同步错误将被本地化到受影响的发送方-接收方对。

根据例示性技术，除了单播收听调度以外，同一网络中的所有节点同步到同时覆盖网络中的所有单播收听调度的被配置部分的公共广播调度。注意一般不存在对不同网络之间的广播调度的协调。广播调度由以下参数限定：

1）信道序列：网格接口在收听广播传输时遵从的信道列表（例如用16位的整数进行索引）。信道序列中的每个条目可以由考虑网络的唯一标识符（例如IEEE802.15.4个人区域网络或“PAN”ID）和列表索引的函数确定。使用网络ID帮助确保邻居网络（例如PAN）不遵从相同的伪随机序列并且减少相邻网络的重复冲突的机会。

2）时隙持续时间：广播调度将时间分成相等大小的时隙。在每个时隙开始时，节点切换到广播调度中的下一信道以进行收听。

图6图示了示例性广播调度（序列）600，显示示例性频率B1-B6。网络中的所有节点同步到唯一的广播调度。公共广播调度中的广播时隙的时隙定时一般可以与本地单播收听调度中的单播时隙的时隙定时相独立。注意虽然广播调度600用每个时隙（从中选择特定的部分来使用）中所指定的频率或信道来显示，但是这里的技术也可以简单地用要被使用的那些广播时隙（例如如以下所示出的，只有B3和B6）来填充调度。广播调度可以由单个根节点建立并且利用任意标准的分发协议（例如简单洪泛、基于滴流的分发等）被发布给所有的其它节点。注意分发协议可以利用未被同步的传输，尤其是其中尚未建立调度的传输。根节点可以从管理上被分配（例如IEEE802.15.4PAN协调器、场域路由器等）或者自动被发现（例如最小IEEE802.15.4IEEE EUI-64）。

此外，广播调度还由以下参数限定：

3A）广播窗口：指定在广播时隙内节点收听广播消息的时长。图7A图示了其间公共广播调度要被使用的广播窗口710的示例（被配置的部分覆盖单播调度）。广播窗口可以如图所示只存在于特定的时隙中，或者可以是序列的每个时隙的初始部分（例如一个或多个子时隙）。广播分组必须在广播窗口内开始其传输以确保所有的相邻节点在收听广播传输。广播窗口必须指定不大于时隙持续时间的时间。在每个指定的广播时隙的开始处，节点切换到广播调度中的下一个信道以收听广播传输。在广播窗口的末端，节点返回去收听单播传输，一直到下一个广播时隙开始。单播调度在自由运行并且定时不受广播调度的影响。换言之，广播调度被覆盖在节点的单播调度上。注意在一个实施例中，广播窗口可以利用开始于每个广播时隙内的不同偏移的一个或多个子时隙。例如，广播窗口可以开始于时隙1中的子时隙X、时隙2中的Y、时隙3中的Z等。子时隙开始时间可以被指定为广播信道序列的一部分，其中每个时隙不仅指示信道，还指示子时隙偏移。

3B）活动时隙时段（代替广播窗口或者作为对广播窗口的附加）：指定广播调度内的哪些时隙被用于收听广播传输。例如，活动时隙时段10指示节点在广播调度的每第10个时隙收听广播通信。在10个时隙中的其它9个时隙期间，设备遵从其自己的单播调度并收听单播通信。图7B图示了例如为3的活动时隙时段的示例，其中公共广播调度的每第三个时隙是其间公共广播调度要被使用的时间（例如对应于B3和B6）。

注意，被用于覆盖单播调度的公共广播调度的被配置部分（例如广播窗口大小和/或活动时隙时段）可以被调节以配置网络用来收听广播流量而非单播流量的时间量，如以下更详细描述的。

根据例示性技术，公共广播调度600覆盖每个个体设备的单播收听调度300，以使得设备在被覆盖的被配置部分期间根据本地的单播收听调度和公共广播调度在接收模式（收听传输）下进行操作，并且取决于被传送流量的目的地在被覆盖的被配置部分期间根据每个邻居单播收听调度和公共广播调度在发送模式下进行操作。

例如，图8图示了网络中的每个设备的广播调度600在单播收听调度300上的覆盖。例如，可以看出，节点11收听其本地单播收听调度，除非广播调度的特定被覆盖部分指示节点11当时在广播信道上进行收听。如果节点11想要向其邻居节点（22-44）中的任一邻居节点发送传输，则节点11根据单播消息还是广播消息要被使用来使用邻居的收听调度。注意在图8中，左侧示出了活动广播时隙时段720，而右侧示出了广播窗口710，但这只是为了图示而已。还要注意时隙时段720和广播窗口710的组合可以被使用，例如限定要使用广播调度中的哪些特定时隙（时段720），然后进一步限定对于那些时隙中的每个时隙要使用的时间长度（窗口710）。

特别地，所有单播链路帧因而利用接收方的（邻居的）单播调度被发送。链路层维护针对邻居接收方的表格，这个表格包括关于接收方的调度的信息。如果所意图的接收方不在邻居表格中，则消息与错误状况一起被传送回更高的层。否则，发送方在给定当前时间情况下确定合适的信道并且开始传输，即基于针对特定邻居的相应的邻居单播收听调度在单播时隙期间将单播消息传送给特定邻居。

此外，所有的广播链路帧因而也利用网络的广播调度被发送。链路层维护关于广播调度的信息。如果广播调度是未知的，则消息与错误状况一起被传送回更高的层。否则，发送方一直等到下一个广播窗口，选择合适的信道，并且此时开始传输，即基于公共广播调度在广播时隙期间将广播消息传送到网络中。

在其中广播流量被用于关键网络控制或者应用功能的情况下，将单播和广播流量分开是有益的。然而，网络可以可选地被配置为在网络正在积极收听广播传输的同时允许在广播时隙期间传输单播帧。这样做减小了通信延迟和针对单播流量的总容量，但是带来了与广播流量干扰的风险。

同步后的传输开始于所意图的单播或广播时隙内但是不需要在同一时隙内结束。就是说，链路帧传输只利用单一信道并且链路帧未被分散在不同信道上。一旦节点开始接收链路帧，则该节点将继续接收该链路帧一直到传输结束。

还要注意，同步后的传输应当考虑在时间同步中的任何不确定性。这些不确定性可能由于节点的时钟源的频率容限以及对事件进行时间标记时的中断处理抖动。为了考虑这些不确定性，节点不在单播时隙或者广播收听窗口的开始或结束附近开始传输。相反，节点可以将它们的传输安排在这样的保护窗口以外。

此外，单播传输通常请求确认。确认帧因而可以利用与接收到的帧被确认的信道相同的信道被发送。利用相同的信道来发送确认去除了发送方和接收方两者上的信道切换开销。因为确认帧在不进行干净信道评估的情况下被发送，所以确认传输可以继续使用被确认的帧最初所获取的相同信道。

图9图示了用于根据上述例示性技术在跳频计算机网络中提供优化的单播和广播调度的示例性简化进程，例如将公共广播调度覆盖在独立的单播调度上。进程900开始于步骤905，并且继续进行到步骤910，其中如以上所详细描述的，设备独立地确定其本地单播收听调度（序列300）。例如，如以上所提到的，本地单播收听调度可以独立地被定时（其中时隙不需要与邻居的时隙对齐），并且可以基于设备的MAC地址或者其它唯一性ID以避免与其它附近的设备重叠。在步骤915中，针对每个邻居的邻居单播收听调度（独立地确定）可以被共享给设备的邻居并且从设备的邻居处被发现。此外，在步骤920中，设备同步到针对网络的公共广播调度600，该公共广播调度600同时覆盖网络中的所有单播收听调度的被配置部分，例如以上在图8中所示出的。注意如上所述，实际的广播部分可以通过所接收到的配置被调节，以延伸或减小广播窗口，增加或减少广播时隙的数目等。

在步骤925中，设备在被覆盖的被配置部分期间根据本地单播收听调度和公共广播调度工作在接收模式下。例如，设备基于其本地单播收听调度收听网络中的单播流量，除非是在单播收听调度中被广播调度覆盖的部分期间，在这期间设备收听广播流量。此外，对于要从设备发送的任意传输，在步骤930中，设备可以相应地工作在发送模式下。取决于被发送流量的目的地，发送模式在被覆盖的被配置部分期间根据每个邻居单播收听调度和公共广播调度进行操作。如上所示，例如，如果节点11要向节点22发送单播分组，则节点11在传输要发生时基于节点22的邻居收听调度确定合适的频率/信道，然后相应地发送单播分组。如果节点11具有要发送的广播分组，则其（如果必要的话）可以等到下一个广播窗口/时隙，并且以指定的广播频率发送广播分组。

进程900结束于步骤935，特别是在以上所列出的相应步骤中的任一步骤中更新单播和/或广播调度、接收消息和/或发送消息的能力。还应当注意进程900内的某些步骤可以是可选的，并且图9中所示的步骤仅仅是用于图示的示例，并且某些其它步骤可以按需要被包括或排除。此外，虽然关于这些步骤的特定顺序被示出，但是这个排序只是例示性的，并且关于这些步骤的任何合适的安排可以在不脱离例示性技术的范围的情况下被利用。

因此，上述的这个例示性技术提供跳频网络中的优化的单播和广播调度。通过将独立的单播调度与公共广播调度重叠，根据例示性技术的系统：

1）通过利用独立的信道跳频调度提高用于单播通信的总网络容量。

2）通过使用将MAC地址作为参数的伪随机函数减小在相邻的发送方-接收方对之间的重复单播冲突的可能性。

3）通过将所有节点同步到公共广播调度提高广播通信的效率。

4）通过使用将网络ID作为参数的伪随机函数减小在相邻的网络之间的重复广播冲突的可能性。

5）可选地在广播时隙期间允许单播流量以与广播流量的冲突增加为代价提高总的单播容量。

6）允许设备保持与其它设备相独立的它们自己的单播调度以及广播调度，导致更简单的配置和管理。

7）允许广播调度与单播调度相独立地被保持，允许广播调度针对单播与广播通信之间的分配的变化而被重新配置。

8）允许每个发送方-接收方对独立地保持它们自己的同步，将任意的同步误差的范围局限于该发送方-接收方对。

动态公共广播调度参数

虽然上述的例示性技术在单播与广播通信之间分配容量方面进行了权衡，但是这种权衡一般被描述为被手动配置。如果被手动配置，则次优的权衡可能会在多播流量被分配了太多带宽的情况下导致单播拥塞，或者反之亦然。因此，根据这里的实施例，基于所观察到的网络状态动态调节和优化支持单播和广播流量方面的权衡的技术被描述。具体而言，根据这里的描述的系统例如通过以下步骤引入了动态改变针对单播和广播流量的容量和延迟的概念，所述步骤即收集单播/广播流量特征、计算新的广播调度参数（例如被用于广播时隙的时间量以及时隙之间的时间）以及将新的参数发布到网络中。

具体而言，根据以下更详细地描述的这里的一个或多个实施例，跳频通信网络中的每个设备根据针对网络的公共广播调度进行操作，所述公共广播调度同时覆盖网络中所有独立确定的单播收听调度的被配置部分，例如如上所示的，并且具体而言其中被覆盖的被配置部分基于由用于每个广播时段中的广播传输的第一时间和广播时段之间的第二时间构成的广播调度参数。通过监控与网络中的单播流量和广播流量相关的网络特性，更新后的广播调度参数随后可以基于网络特性被确定。相应地，公共广播调度的操作从而可以利用更新后的广播调度参数被更新。

在操作上，这里的技术基于所观察到的网络状态动态地调节网络被分配给广播流量和单播流量的时间量。例如，网格网络通常利用单播和广播通信两者。应用程序可以使用单播通信来将数据传送给中心服务器（例如AMI仪表读数、警报等）或者根据中心服务器配置各个设备（例如AMI仪表读取调度）。网络控制协议还使用单播通信来估计链路的质量（例如RSSI和ETX）、请求配置信息（例如DHCPv6）以及传播路由信息（例如RPL DAO消息）。反之，应用程序还可以使设备利用广播（或多播）通信来高效地配置整个组（例如基于仪表类型的AMI仪表配置）、固件下载升级（例如将AMI仪表软件升级为更新的版本）以及断电通知。网络控制协议可以使用广播/多播通信来发现邻居（例如RPL DIO消息、DHCPv6广告和IPv6邻居征集）并散布路由信息（例如RPL DIO消息）。

上述例示性的广播调度技术通过同步整个网络支持广播通信。就是说，一般来说，跳频通信网络100根据针对网络的公共广播调度600进行操作，所述公共广播调度600同时覆盖网络中的所有独立确定的单播收听调度的被配置部分。具体而言，被覆盖的被配置部分基于由每个广播时段中用于广播传输的时间和广播时段之间的第二时间构成的广播调度参数。换言之，广播调度使每个Y秒的时段（时段之间的时间）中最初的X秒（被用去的时间）专用于广播通信。按照这种方式，如上所述，所有节点同时开始和结束X秒的广播时段并且每个广播时段的开始之间的时段为Y秒。

因而，值X/Y确定网络被优化用于广播通信的时间分数。此外，值（Y-X）/Y确定网络被优化用于单播通信的时间分数。还要注意值Y确定针对广播通信的最坏情况的延迟。如上所述，节点可以在广播时段期间发送单播传输，并且因此，X和Y的值对于针对单播通信的延迟有最小的影响（除非阻止在广播时隙期间传送单播消息）。然而，因为所有节点被调谐为在广播时段期间在相同的信道上进行收听，所以针对单播通信，整体网络容量仍然可能被大大降低。

因而，这里所描述的实施例的核心在于例如利用闭环反馈控制系统基于所观察到的网络状态动态调节X和Y的值，从而解决在诸如LLN之类的通信网络中的困难且重要的问题。

根据这里的实施例的第一组件，网络状态可以具体地通过监控与网络中的单播流量和广播流量相关的网络特性而被收集。例示性地，动态输入可以被提供给反馈控制器（例如前端应用程序上的“调度进程”，例如根节点、场域路由器或“FAR”、PAN协调设备或者其它集中网络管理服务（NMS）设备）。所观察到的网络状态可以包括诸如队列长度、每类流量（单播/广播）的分组丢弃等。在一个实施例中，FAR可以记录流经其LLN接口的单播和广播/多播流量的所观察到的特征。例如，如图10A中所示，节点11可以针对单播流量1040和广播流量1045监控网络。在很多代表性的LLN部署（例如自动仪表读取）中，流量通常流经FAR（例如图10A中的节点11）并且表征流经FAR的流量提供了一种用于近似单播与广播流量之间的比值的有效且低开销的方式。因而，在FAR处记录这样的状态不需要LLN设备上的任何额外的逻辑，并且不需要通过LLN网络的任何额外的通信来报告所观察到的状态。

在另一实施例中，网络中的通信设备（例如LLN设备，例如节点22、33和44）可以记录针对单播和广播/多播流量的所观察到的特征。实现这一点需要LLN设备上的附加的逻辑并且通过LLN网络报告数据，如图10B中所示（报告1050）。不过，这种分布式机制可以更准确地捕获网络的状态并且当P2P流量变得不可忽略时尤其有用，并且可以更好地适用于涉及更本地化的通信（例如分配自动化应用程序中的P2P路由）的LLN部署。注意这种分布式实施例在处理控制流量的差异方面也可能是更好的（例如由于更高的链路可变性而导致更高的RPL DIO信标率）。注意网络设备可以例如通过使用新定义的IEEE802.15.4信息单元、DHCPv6选项、NMS配置等确定从控制器设备（例如FAR）发送它们的观察结果的频率和地点。此外，在另一实施例中，LLN设备可以基于被报告的各种量值的可变性和时间尺度在本地对它们的报告率进行适配。

在观察针对单播和广播/多播流量的特征时，FAR和/或LLN设备可以记录各种量值，例如排队延迟、由于队列已满而导致的分组丢弃、拥塞或竞争指示（例如来自链路层）等。一般来说，所记录的特征可以提供关于更多容量应当被分配给单播或广播通信或者参数应当被改变以满足延迟要求的指示。

为了基于网络特性确定更新后的广播调度参数，闭环反馈控制器（例如集中调度应用程序248）负责确定X（每个时段被优化用于广播通信的时间）和Y（每个广播时段的开始之间的时段）。注意在保持Y不变的同时改变X影响LLN网络用在被优化用于广播通信的状态下的时间分数。反之，保持X不变的同时改变Y也影响LLN网络用在被优化用于广播通信的状态下的时间分数，而且还影响针对广播通信的最坏情况下的延迟。注意X和Y也可以同时被更新。

图11A-11C图示了这样的对广播调度的参数的更新的示例。例如，图11A图示了保持Y的同时改变（例如增大）X。另一方面，图11B图示了改变（例如减小）Y，并且图11C图示了改变X和Y两者的结果。注意X和/或Y可以按需要被增大和/或减小，并且图11A-11C中所示的视图只是为了讨论的示例，并且不意欲限制这里的实施例的范围。

当分析所收集的网络状态信息时，闭环反馈控制器（例如FAR、根节点等，例如节点11）确定是否以及如何调节广播调度参数X和Y。例如，如果若干节点正在经历针对单播流量的拥塞并且广播流量没有在经历这样的拥塞，则控制器可以减小X和/或增大Y。如果若干节点正在经历针对广播流量的拥塞并且对于单播流量而言没有这样的拥塞，则控制器可以减小Y和/或增大X。小的递增改变或者通过二分的方法可以被用于调节X和/或Y的值。

注意闭环反馈控制器可以被配置有帮助确定X和Y的附加策略。例如，控制器可以具有X或Y的界限以确保针对网络的服务级别协议（SLA）被满足（即对X和/或Y的改变保持在SLA内所建立的界限以内）。控制器还可以具有关于节点优先性的信息（例如其中处理一些节点上的拥塞比处理其它节点上的拥塞更重要）、报告针对单播/广播流量的拥塞或者其它网络特性的节点的数目等，并且可以根据这样的基于节点的变化量值对是否以及如何更新X和Y进行判决。

X和/或Y的新值可以例如使用诸如新定义的IEEE802.15.4信息单元、RPL DIO消息等之类的各种被发布的消息被发布给网络中的所有设备。（注意这个被发布的消息可以与指定发送单播/广播流量观察结果的地点和频率的消息相同或不同，如上所述。）按照这种方式，公共广播调度的操作可以利用更新后的广播调度参数被更新。具体而言，一旦接收到针对X和Y的新的值，网络中的设备可以相应地调节它们的调度。例如，图12图示了根据图11C中所示的例示性参数变化的新调节的覆盖广播调度600。注意控制器可以在改变X和Y之后请求更频繁的观察结果以更快速地观察参数变化的效果，即在更新广播调度参数之后在一段时长内以更高的频率监控网络特性以确定响应于更新的网络特性。

图13图示了例如当在独立的单播调度上覆盖公共广播调度时在跳频计算机网络中提供动态公共广播调度参数的示例性简化进程。进程1300开始于步骤1305，并且继续进行到步骤1310，其中如以上所详细描述的，与网络中的单播流量和广播流量相关的网络特性例如被网络内的节点、场域路由器（例如根节点、边界路由器等）或者被网络管理系统（NMS）监控。可选地，如果被网络节点监控，则在步骤1315中，节点按指示（去哪、监控的频率、监控什么等）将那些网络特性报告给集中设备/闭环控制器（例如FAR、NMS等）。

在步骤1320中，更新后的广播调度参数可以基于网络特性被确定（例如由集中设备计算，或者通过从集中设备/FAR接收来确定）。具体而言，如以上所详细描述的，在步骤1325中，更新后的广播调度参数（例如用于广播时隙的时间以及广播时隙之间的时间）被用于更新公共广播调度600的操作。进程1300例示性地结束于步骤1330，但是一般是继续进行到步骤1325以在步骤1310中继续监控流量和网络特性。特别是，如上所述，一旦更新了广播调度参数，在步骤1310中，监控可以按更高的速率进行，例如为了快速地评估参数更新的影响。

应当注意虽然如上所述，进程1300内的某些步骤可以是可选的，但是图13中所示的步骤仅仅是用于图示的示例，并且某些其它步骤可以按需要被包括或排除。此外，虽然关于这些步骤的特定顺序被示出，但是这个排序只是例示性的，并且关于这些步骤的任何合适的安排可以在不脱离这里的实施例的范围的情况下被利用。此外，虽然进程900（图9）和1300是分开描述的，但是来自每个进程的某些步骤可以被合并到每个另一进程中，并且这些进程并不是相互排斥的。

因此，这里所描述的新技术提供了跳频网络中的动态公共广播调度参数。如上所述，通过基于所观察到的网络状态针对覆盖的公共广播调度动态地改变针对单播和广播流量的容量和/或延迟，这里所描述的技术可以提供单播与广播调度之间的最佳平衡。具体而言，如这里所描述的，这通过收集单播和广播流量特征、利用集中的闭环反馈控制器计算新的广播调度参数（例如在单个时段中用于广播的时间量和/或时段之间的时间）以及将新的参数例如与关于报告单播和广播流量特征的地点和频率的信息一起发布来实现。

虽然已经示出和描述了在跳频网络中提供动态公共广播调度参数的例示性实施例，但是应当理解可以在这里的实施例的精神和范围内进行各种其它适配和修改。例如，关于无线网络的实施例在这里已被示出和描述。但是，按照其更宽泛的意义的实施例不被局限于此，并且实际上可以与其它类型的共享介质网络和/或使用跳频的协议（例如某些PLC协议）一起被使用。此外，虽然以上的描述与分组有关，但是这些技术可以等同地应用于非分组化的传输。此外，虽然以上的描述是专门针对于同步的传输而讨论的，但是在需要时可以允许各种非同步的传输。

还要注意虽然如图所示的X和Y的值通常导致针对广播时隙的边界是与广播窗口710相对的活动时隙720。但是，实施例并不局限于此，并且具有已知的开始时间（例如广播调度600的开始）的值X和Y的时段和长度可能是将网络设备同步到合适的（和动态的）广播操作所需要的全部信息，不管广播时隙的边界落在调度600内的哪个地方。

之前的描述针对于特定实施例。但是，应当清楚在保有所描述的实施例的一些或全部优点的情况下，可以对所描述的实施例进行其它改变和修改。例如，很明显可以想到这里所描述的组件和/或元件可以被实现为存储在具有在计算机上执行的程序指令的有形（非瞬态）计算机可读介质（例如磁盘/CD等）上的软件、硬件、固件或者它们的组合。因此，本描述只是被用来作为示例并且不对这里的实施例的范围进行限制。因此，所附权利要求的目的在于覆盖落入这里的实施例的真正精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (19)

1.一种用于单播和广播调度的方法，包括：

根据针对网络的公共广播调度在跳频通信网络中进行操作，所述公共广播调度同时覆盖所述网络中所有独立确定的单播收听调度的被配置部分，其中所述被覆盖的被配置部分基于由用于每个广播时段中的广播传输的第一时间和广播时段之间的第二时间构成的广播调度参数；

监控与所述网络中的单播流量和广播流量相关的网络特性；

基于所述网络特性确定更新后的广播调度参数；以及

通过调整每个广播时段中的广播传输的第一时间、或所述广播时段之间的第二时间、或者这两者来利用所述更新后的广播调度参数来更新所述公共广播调度的操作，其中

每个广播时段中的广播传输的第一时间、所述广播时段之间的第二时间、或者这两者增加或减少的量，基于对与所述网络中的所述单播流量和所述广播流量相关的所述网络特性的监控的结果来确定，其中所述单播流量根据所述网络中的单播收听调度而发生、并且所述广播流量基于所述网络中同时覆盖所述单播收听调度的被配置部分的公共广播调度而发生。

2.如权利要求1所述的方法，其中监控由用于所述网络的场域路由器FAR执行。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述网络特性包括所述网络中的单播流量和广播流量之间的比值。

4.如权利要求1所述的方法，其中监控由所述网络中的通信设备执行，并且所述网络特性被报告给用于所述网络的反馈控制器。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述网络特性从由以下特征构成的组中选择：排队延迟；由于队列已满而导致的分组丢弃；拥塞指示；以及竞争指示。

6.如权利要求1所述的方法，其中更新所述广播调度参数包括：对所述第一时间或所述第二时间中的至少一个的递增改变。

7.如权利要求1所述的方法，其中更新所述广播调度参数包括确保对所述第一时间或所述第二时间中的至少一个的改变保持在针对所述网络的服务级别协议SLA内所建立的边界内。

8.如权利要求1所述的方法，其中更新所述广播调度参数包括从由以下步骤构成的组中选择的基于节点的改变：

基于报告给定网络特性的节点的节点优先性来确定如何更新所述广播调度参数；以及

基于报告给定网络特性的节点的数目来确定如何更新所述广播调度参数。

9.如权利要求1所述的方法，其中监控包括：

在更新所述广播调度参数之后的一段时间内以提高后的频率监控所述网络特性以确定响应于所述更新的网络特性。

10.一种用于单播和广播调度的装置，包括：

处理器；

被配置为与跳频通信网络通信的收发器，所述收发器根据针对所述网络的公共广播调度进行操作，所述公共广播调度同时覆盖所述网络中所有独立确定的单播收听调度的被配置部分，其中所述被覆盖的被配置部分基于由用于每个广播时段中的广播传输的第一时间和广播时段之间的第二时间构成的广播调度参数；以及

被配置为存储所述处理器可执行的进程的存储器，所述进程在被所述处理器执行时可操作用于：

监控与所述网络中的单播流量和广播流量相关的网络特性；

基于所述网络特性确定更新后的广播调度参数；以及

通过调整每个广播时段中的广播传输的第一时间、或所述广播时段之间的第二时间、或者这两者来利用所述更新后的广播调度参数更新所述公共广播调度的操作，其中

每个广播时段中的广播传输的第一时间、所述广播时段之间的第二时间、或者这两者增加或减少的量，基于对与所述网络中的所述单播流量和所述广播流量相关的所述网络特性的监控的结果来确定，其中所述单播流量根据所述网络中的单播收听调度而发生、并且所述广播流量基于所述网络中同时覆盖所述单播收听调度的被配置部分的公共广播调度而发生。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述装置是用于所述网络的场域路由器FAR。

12.如权利要求10所述的装置，其中所述网络特性包括所述网络中的单播流量和广播流量之间的比值。

13.如权利要求10所述的装置，其中所述装置是所述网络中的通信设备；并且其中所述进程在被执行时还可操作用于：

将所述网络特性报告给用于所述网络的反馈控制器。

14.如权利要求10所述的装置，其中所述网络特性从由以下特征构成的组中选择：排队延迟；由于队列已满而导致的分组丢弃；拥塞指示；以及竞争指示。

15.如权利要求10所述的装置，其中在被执行时更新所述广播调度参数的进程还可操作用于：对所述第一时间或所述第二时间中的至少一个进行递增改变。

16.如权利要求10所述的装置，其中在被执行时更新所述广播调度参数的进程还可操作用于：确保对所述第一时间或所述第二时间中的至少一个的改变保持在针对所述网络的服务级别协议SLA内所建立的边界内。

17.如权利要求10所述的装置，其中在被执行时更新所述广播调度参数的进程还可操作用于：

基于报告给定网络特性的节点的节点优先性来确定如何更新所述广播调度参数；以及

基于报告给定网络特性的节点的数目来确定如何更新所述广播调度参数。

18.如权利要求10所述的装置，其中在被执行时进行监控的进程还可操作用于：

在更新所述广播调度参数之后的一段时间内以提高后的频率监控所述网络特性以确定响应于所述更新的网络特性。

19.一种其上编码有软件的有形的非瞬态计算机可读介质，所述软件在被跳频通信网络中的设备上的处理器执行时可操作用于：

监控与所述网络中的单播流量和广播流量相关的网络特性；

基于所述网络特性确定更新后的广播调度参数；以及

通过调整每个广播时段中的广播传输的第一时间、或所述广播时段之间的第二时间、或者这两者来利用所述更新后的广播调度参数更新公共广播调度的操作，其中

每个广播时段中的广播传输的第一时间、所述广播时段之间的第二时间、或者这两者增加或减少的量，基于对与所述网络中的所述单播流量和所述广播流量相关的所述网络特性的监控的结果来确定，其中所述单播流量根据所述网络中的单播收听调度而发生、并且所述广播流量基于所述网络中同时覆盖所述单播收听调度的被配置部分的所述公共广播调度而发生。