CN104468345A - 在无线网状网络中利用分组消息传输的来自通信设备的数据收集和/或消息确认的方法以及使该确认和数据采集可用于创建通用平台的方法 - Google Patents

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Abstract

在无线网状网络中利用分组消息传输的来自通信设备的消息确认和/或数据收集的方法以及使该确认和数据采集可用于创建通用平台的方法，预期特别用于遥测和自动化，其中每个网状网络包括至少一个控制通信设备(C)和一组从通信设备(N)，并且所述控制通信设备(C)通过网状网络搜索，使得对于每个找到的从通信设备(N)分配用于该网络的唯一的虚拟路由号(VRN)并存入其存储器中，该虚拟路由号表示通过路由数目所确定的控制通信设备(C)至从通信设备(N)的距离，并且在以这种方式布置的网络中，通过定向泛洪将所述消息的控制分组从控制通信设备(C)发出并发回。在每个寻址的从通信设备(N)中，在从控制通信设备(C)接收初始消息后，通过其，控制通信设备(C)启动与初始帧的起始相对时间同步的来自从通信设备(N)的数据收集，设置一个比特或多个比特，其然后在与初始帧时间同步的确认帧期间逐渐与从其他寻址的从通信设备(N)接收的确认集合消息合并，而结果在该确认帧的对应的时隙中，利用所述无线网状网络的定向泛洪，将这些合并的确认集合消息由从通信设备(N)逐渐从最高虚拟路由号(VRN)发送到控制通信设备(C)。

Description

在无线网状网络中利用分组消息传输的来自通信设备的数据收集和/或消息确认的方法以及使该确认和数据采集可用于创建通用平台的方法
技术领域
所提交的发明涉及一种在布置的无线网状网络中利用分组消息传输的来自通信设备的数据收集和/或消息确认的方法以及使该确认和/或数据收集可用于创建通用平台的方法。它涉及一种利用分组传输以及采用定向泛洪(flooding)的创建的路由结构在网状网络中通信的方法，并进一步涉及一种在布置的无线网状网络中消息确认和数据收集的方法，利用无线网络中的直接寻址将其实现为设备中的服务，以创建用于其实现的通用平台及设备。
背景技术
在利用分组传输以及采用定向泛洪的创建的路由结构的网状网络中，以被称为“分组”的较小部分来发送消息。分组包含关于其接收方的信息，并在普通网状网络中从发送方传送至一系列设备，直至它们到达接收方。定义该路径，即确定所述分组被传送通过哪些设备，叫做路由。路由的目的是确保有可能将所述分组从发送方最可靠并且最快地传送到接收方。
网状网络表示最普通的网络拓扑，所述网络中任何两个设备之间可以存在普通连接，意味着这些设备可以互相通信并传递消息。将其中在网络中任何两个设备之间能建立连接的网状网络称作全连接网状网络，然而实践中更常见的情况是仅有某些设备可以建立相互连接。
网状网络及路由的最简单实例是将该网络想象为城市，其通过道路网互连，将路由想象为载货(分组)车辆从发送方的城市至接收方的旅程。利用现有的道路网该车辆从一个城市行进到另一个城市。连接城市的各道路代表它们之间的连接。因而将从起点至终点的整个旅程划分成各条道路，我们称之为普通网络的上下文中的连接。在所列出的实例中，存在许多不同的路线，其被车辆用来将货物从发送方的城市运到接收方的城市，类似地，在无线的真实世界网状网络中，能够存在用于将分组从发送方路由至其接收方的许多不同的路线。
由于普通网状网络可以包含或可以不包含任何一对设备之间的连接，所以具有n个设备的网络中的可能连接的总数总是小于或等于N max，其中N max＝n*(n-1)/2。在具有城市的该特定实例中，这是n个城市之间道路网中道路的最大数目。
在无线网状网络中，设备通常经由无线电波无线地通信。两个通信设备之间的连接因而通常受限于这些设备的距离。彼此太远的设备不能建立相互连接。由于在普通的无线网状网络中通常无法预知各设备之间的距离，所以预先不清楚哪些设备可以建立相互连接，从而路由，即找到分组的发送方设备至接收方设备的路线，是相对困难的算法问题，特别由于各种连接的组合及可能路线的数目。
实践中，使用用于网状网络中通信的各种路由方法。这些方法包括，例如，基于路由表的路由，通常在计算机技术、泛洪或随机路由中使用。基于路由表或矢量的共享及分布来路由是高效分组传递的最佳方法之一，然而其代价是对通信设备的控制处理器或微控制器的存储器有很高要求，特别是在具有许多设备的大型网络中。基于将分组逐渐分布到整个网络，泛洪无序网络是适于可靠分组传递的解决方案，然而由于无线网络的特定属性，一般具有低数据传输速度和媒介共享问题(媒介访问及其解析的冲突)，因此这远非最佳。在上述实例中，这种方法意味着用我们的车横越整个道路网络。随机路由用于计算机技术中，例如在路由器过载时，并可以减少分组丢失，但由于可靠性低所以不适于用于遥测的无线网状网络。
与各设备之间可以有专用连接的连接系统相反，无线网状网络共享通信频谱。不恰当地使用通信频谱，以及不遵循通信规则，会导致各通信连接冲突，妨碍有效通信。在我们的具有道路网的实例中，这类似于假如车辆不遵守规则，诸如使用道路哪侧或哪辆车先走，导致许多道路关闭的混乱和冲突。
因而将防止冲突状态的各种技术用于无线网络中的通信。最常使用的方法是定义每个设备何时可以传送(所谓的时分复用或时分多址——TDMA)以及每个设备可以在哪里传送，即每个通信设备可以使用哪些频率(通常由信道规定)的规则。实践中，还使用了用于媒介/频谱访问的其他技术。CSMA、CDMA、TDMA和TMPS仅是一些例子。
TDMA由于其容易实施和可靠性，在实践中时常用于防止传输冲突。TDMA所基于的事实是：在给定的叫做时隙的时间间隔内，仅一个指定的设备可以传送。属于不同参与方的一组时隙叫做帧。在我们的道路网实例中，说明这种方法的最易方式是使用交通灯，其在限定时间的间隔内限制在共享的十字路口上的交通。本专利申请中描述的路由的方式基于利用时间复用。
由于目前大多数RF电路允许在多个频率上接收和发送，所以许多系统还利用跳频(FHSS——跳频扩频)，其中在不同频率上传送各个比特，或更普遍地，传送比特组。实际上，这意味着它们可以被同时传送，因为它们不会彼此干扰。这种通信方式在我们的实例中可以被示出为在城市之间的路具有多个车道，其中多辆车可以同时在一条路上行驶。
如之前提到的，具有n个通信设备的普通网状网络允许通信设备之间至多有N max个连接，其中，N max＝n*(n-1)/2，n为该网络中通信设备的数目。由于不能预知普通无线网状网络的拓扑，所以经由TDMA应用无冲突泛洪的极限情况需要用于各路由的高达N max个专用时隙来确保可靠的分组传递。然而，其时间效率非常低下。例如，对于常用的速度19.2kbps，在具有100个通信设备的网络中，带有24B数据的一个短分组的传输会造成长达50秒的帧。
由于该网络的大量的各种布局，所以使用分组传输并且包含数十、数百或数千设备的无线网络的功能布局的创建是极为困难的算法过程。对于包含具有有限硬件资源(程序和数据存储器)并低速通信的通信设备的网络，特别是在多路由的情况下，即将消息从一个设备发送到另一设备，这就更为复杂了。
基于根据专利申请CZ2010-873的普通无线网状网络的功能设置的创建及该网络中的路由技术的解决方案确保可靠以及有效地传递消息。然而，随着连接到网络的设备数目增加，当需要与多个设备通信时，例如在请求用于到一组设备或全部设备的消息确认的情况下，响应时间因而也增加了。
无线网状网络日益流行用于遥测和自动化以及许多其他应用。遥测自动抄表(AMR)、公共照明(街道照明)或分布式监测的领域都是很好的实例。这些场合部署具有数百或数千设备的网络，因此来自各设备的数据收集速度或各设备对上级系统的确认成为低传送速度的网络中重要的技术参数。
术语
初始消息为由控制通信设备发送到网络的提示。初始消息以广播形式(即寻址到网络中所有设备的消息)或作为组消息(即寻址到网络中一组设备的消息)发送。通过发送该初始消息，所述控制通信设备启动如下所述的来自从设备的数据收集。
为响应于接收所述初始消息，集合消息是由从通信设备发送到网络的确认。在专用时隙中由每个设备发送的集合消息包含来自该设备的数据和来自其他设备的从确认帧的开始所收集的数据。收集意指通过合并的结构数据累积的方法。
采用TDMA的通信系统中的帧指的是定期重复的数据块，其由固定数目的专用时隙构成，其中之一用于网络中操作的各通信设备。在一个帧期间，无线网络中各设备在专用时隙中定期转发包含数据的分组。初始帧包括定期转发的分组，其包含初始消息。确认帧包含定期转发的分组，其包括集合消息。转发涉及接收和随后的发送。
发明内容
本发明的目的是在无线网状网络中快速以及有效地批量收集来自通信设备的数据，并且加快确认这些网络中的组或批量消息。本发明的主题是在无线网状网络中利用分组消息传输的来自通信设备的数据收集和/或确认的方法，主要用于遥测和自动化，其中每个网状网络包括至少一个控制通信设备和一组从通信设备。
所述控制通信设备用于通过网状网络搜索，使得为找到的每个从通信设备分配网络中唯一的虚拟路由号并存储到其存储器。该号表示由路由的数目所确定从控制通信设备至从通信设备的距离。在以这种方式布置的网络中，通过定向泛洪将消息控制分组从网络控制通信设备传送到所有寻址的从通信设备并发回。
本发明的原理所基于的事实是：在每个寻址的从通信设备中，从所述控制通信设备接收到初始消息后，通过其，控制通信设备启动与初始帧的起始相对时间同步的来自从通信设备的数据收集，设置一个比特或多个比特，其然后在与初始帧时间同步的确认帧期间，逐渐与从其他寻址的从通信设备接收的确认集合消息合并，结果在来自最高虚拟路由号的确认帧的对应时隙中，这些合并的确认集合消息逐渐由从通信设备发送给控制通信设备。
在与初始帧的起始相对时间同步的每个寻址的从通信设备中，由于从控制通信设备接收了初始消息，并在该初始帧中路由的最终处理后，如果该设备用于路由，则设置一个比特或多个比特，并且然后在与初始帧时间同步的确认帧期间，逐渐与从其他从通信设备接收的确认集合消息合并，使得随后在该确认帧的对应时隙中，由这些从通信设备以这种合并方式将它们从具有最高虚拟路由号的从通信设备发送到控制通信设备。上述的逐渐合并接收的集合消息并发送这些聚合数据，确保在确认帧内接收并合并所有传递的信息后，控制设备从所有从通信设备获取所有插入数据。
在从控制通信设备路由至从通信设备的的初始消息中，可以包含额外信息，并且在每个寻址的从通信设备中，解释该信息，并基于该解释执行所需的指令序列，并且独立于它或基于它的结果，设置一个或多个比特，然后将其插入到寻址到控制通信设备的集合确认消息中。确认帧的时序(即例如确认帧的延迟或其中各时隙的长度)可以以类似方式被设置，即基于插入到来自控制通信设备的初始消息中的额外信息。
接收初始消息后，与帧的起始相对时间同步，每个寻址的从网络通信设备首先基于由控制设备插入到初始消息中的额外信息的解释，执行所需的指令序列，并独立于它或基于它的结果，设置一个或多个比特，接着将这些比特插入到寻址到控制网络设备的集合确认消息。
本发明还涉及使在上述提及的无线网状网络中可用批量确认和/或数据收集的方法，其实现为无线网络中直接可寻址的虚拟外围，使得基于无线网络中发送给从通信设备的消息的解释服务该外围。
这涉及将网络通信设备的数据聚合及响应的该批量方法实现为无线网络中直接可寻址的服务(如文档CZ2008-288和CZ实用设计18679所述)，而用直接可寻址服务充分扩展了所述的使在无线网络中可访问外围及服务的方法。这基于的事实是，在接收初始消息后，每个寻址的从网络通信设备与帧的起始相对时间同步，并将该初始消息解释为用于虚拟外围(服务)的命令，还包含额外信息，基于此执行所需的指令序列，并独立于其或基于其结果设置一个或多个比特，然后将这些比特插入到寻址到控制网络通信设备的集合确认消息中。以这种方式将所述解决方案实现为用于网络服务的虚拟外围，并可以用于例如数据收集或网络管理，并且充分提高了现有技术解决方案的可能性，特别用于利用这些设备创建通用平台。
附图说明
在用于指示设备号的一个字节的给定实例中，附图示出了本发明的用于整个数据收集方法的实施方式的实例。
图1A和1B显示了路由并逐渐发送集合消息的方法。
图2显示了其中将整个解决方案实现进TR-52D收发器模块的特定实施方式的实例，以及描述了其简化图和结构布置。整个设计维持了发送消息的解释的后向兼容性和支持旧版本IQRF OS。
图3显示了表格，用于指示数据收集及数据合并的渐进状态。
具体实施方式
本发明的主题为基于所创建的虚拟路由结构的部署，在无线网状网络中利用分组传输的来自从通信设备N的批量响应和批量数据收集的方法。网络的各个从通信设备——通信设备N(具有地址N1至N5)——具有由控制通信设备C分配的唯一虚拟路由号VRN，其基于路由数目表示网络中它们与控制通信设备C的距离，而以这种方式布置的网络将用于利用定向泛洪从网络的控制设备(控制通信设备C)将控制分组传输给所有寻址的从通信设备N并发回。给每个发现的从通信设备N(具有地址N1至N5)分配唯一的虚拟路由号VRN，特别是R1至R5。在接收到初始消息后，与帧的起始相对时间同步，每个寻址的从网络通信设备N首先基于由控制通信设备C插入到初始消息中的额外信息的解释，执行所需的指令序列，并独立于它或基于它的结果，设置一个或多个比特，而接着将这些比特插入到寻址到控制通信(网络)设备C的集合确认消息。
基于已创建的虚拟路由结构的部署，来自网络从通信设备N的批量响应的方法结合TDMA方法(时分多址)，一起确保网络的有效泛洪。当每个网络从通信设备N为活动的时，即当它可以执行路由并确认接收到消息分组时，时隙在此情况下与分配到从通信设备N的VRN 有关。
因为在基于与控制通信设备C的距离通过网络搜索期间，根据由控制通信设备C所分配的唯一路由号VRN的虚拟路由结构的布置，所以能够证明由控制通信设备C发送并寻址到一组网络从通信设备N的初始消息将处于利用定向泛洪从控制通信设备C逐步传递到所有寻址的从通信设备N的路由的情况。
同时，能够证明，对于无线网状网络的该布置，使用上面提及的方法将确认集合消息由网络从通信设备N从最高虚拟路由号VRN发送到网络控制通信设备C，并通过与之前接收的集合消息合并，逐渐累积由各个从通信设备N插入的数据，将确保将所有插入的数据传递到控制通信设备C。
这能够有利于部署来自各个从通信设备N的批量响应或来自这些设备的批量数据收集，使得由初始消息寻址的每个网络从通信设备N，首先在帧的相应时隙中转发接收的初始消息，随后基于初始消息中的额外信息，将逐步接收由具有较高虚拟路由号VRN的网络从通信设备N发送的所有确认消息，并且合并且存储这些以用于进一步在确认帧的相应时间帧中发送。
本发明的主题还在于将来自网络从通信设备N的响应及数据收集的该批量方法实现为无线网络中用于来自网络设备的响应与数据收集的批量同步接收的直接可寻址的服务。它基于的事实是，在接收到初始消息后，与帧的起始相对时间同步，每个寻址的从网络通信设备N将该初始消息解释为用于虚拟外围(服务)的命令，还包含额外信息，并且基于此执行所需的指令序列，并独立于它或基于它的结果设置一个或多个比特，而然后它将这些比特插入到寻址到控制网络通信设备C的集合确认消息。以这种方式将所述的解决方案实现为用于网络服务的虚拟外围，并可以例如用于数据收集或网络管理，因而实质提高了原始技术方案的可能性，特别用于利用这些设备创建通用平台。
为了说明，在指示设备号的单个字节的情况下，整个数据收集的方法被显示在一个简单实例上。图1A和1B示出了路由(以橙色标记为R1、R2、R3、R4和R5的VRN号)方法，图3中的表格然后记录了来自各网络从通信设备N的数据收集及其合并的进度状态。
在下面描述的特定实践实施方式的实例中，整个解决方案被实现成TR-52D收发器模块，其简化图及结构布置在图2中示出。整个设计维持了对解释发送的消息的后向兼容性以及对旧版本IQRF OS操作系统的支持。
所述消息的普通结构：
PIN DLEN CRCH [NTW INFO] [CRCN] 数据 CRCD CRCS
所述消息的各部分包含关于所述消息的信息、其目的地还有数据本身。PIN(分组信息)部分包含关于分组的控制信息，DLEN(数据长度)包含关于数据部分中存储的数据的长度的信息，CRCH/CRCD/CRCS用于检查消息及其各部分的一致性。
用于网络分组的NTW INFO的结构：
为了维持与低版本QIRF OS操作系统的后向兼容性，保持该消息的结构，而将相应的扩展插入用于路由的消息的部分，同时将编号为0xFF(RX＝0xFF)的设备指定为接收方，其指示寻址到网络中所有设备的批量消息，即使在之前版本的IQRF OS操作系统中。出于该目的，已设置控制字节PIN中的比特ACKF，这意味着需要每个设备的确认。预期用于无线网络中外围及服务的直接寻址的字节MPRW0、MPRW1、MPRW2，如发明申请CZ PV2008-288所述的，用于另外的额外及控制数据，例如用于确认消息的时序。
为了网络设备的数据验证，保留来自每个网络从通信设备N的最高数据比特，而它用于随后的利用逻辑函数OR(或)与图3中表格所见的重复接收数据的合并。如TR-52D收发器上具体实施实例所示，由于硬件要求低，所以很容易实现所述技术方案。为了实现无线网络的新功能排序和该网络中新路由方法的整个附加功能，使用了小于1kW的PIC16F1938的程序存储器。
工业用途
本发明可以用于改进无线网络中的通信，用于确保更高效管理无线网络和加速遥测网络中的数据收集。本发明易于实现，对使用的硬件要求低，且由于支持多路由，可以成功地用于遥测系统、大型传感器网络或自动数据读取的系统。

Claims (4)

1.一种在无线网状网络中利用消息的分组传输的来自通信设备的数据收集和/或消息确认的方法，预期特别用于遥测和自动化，其中每个网状网络包括至少一个控制通信设备(C)和一组从通信设备(N)，并且所述控制通信设备(C)通过所述网状网络搜索，使得对于每个找到的从通信设备(N)分配用于该网络的唯一的虚拟路由号(VRN)并存入其存储器中，所述虚拟路由号表示通过路由数目所确定的所述控制通信设备(C)至所述从通信设备(N)的距离，并且在以这种方式布置的所述网络中，通过定向泛洪将控制消息从所述控制通信设备(C)发出并且发回，
其特征在于，
在每个寻址的从通信设备(N)中，在从所述控制通信设备(C)接收初始消息后，通过其，所述控制通信设备(C)启动与所述初始帧的起始相对时间同步的来自从通信设备(N)的数据收集，设置一个比特或多个比特，其然后在与所述初始帧时间同步的确认帧期间逐渐与从其他寻址的从通信设备(N)接收的确认集合消息合并，而结果在该确认帧的对应的时隙中，将所合并的确认集合消息由所述从通信设备(N)从最高虚拟路由号(VRN)逐渐发送到所述控制通信设备(C)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：来自所述控制通信设备(C)、路由至从通信设备(N)的初始消息可以具有插入的额外信息，并且在每个寻址的从通信设备(N)中，解释这个信息，并且基于这个解释执行所需的指令序列，并且独立于它或基于它的结果来设置一个或多个比特，其然后被插入到寻址至所述控制通信设备(C)的集合确认消息中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：取决于插入到来自所述控制通信设备(C)的初始消息中的额外信息来执行所述确认帧的时序。
4.一种使得可访问根据前述权利要求1至3中任一项所述的批量确认和/或数据收集以用于创建通用平台的方法，
其特征在于，
其被实现为无线网络中直接可寻址的虚拟外围，使得基于所述无线网络中由通信设备(N)或(C)发送的消息的解释，服务所述外围。
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