CN105704816A - 用于节能的时隙协议的调度器 - Google Patents

用于节能的时隙协议的调度器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于节能的时隙协议的调度器。一种网络(100)包括父节点(110)和至少一个子节点(120)，该至少一个子节点被配置成用于经由无线网络协议与该父节点进行通信。该父节点(110)包括广播协调器(140)以根据该无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从该父节点(110)传送到该子节点(120)。调度器(114)生成在该广播消息中所通信的调度分组。该调度分组包括用于指示每个子节点(120)在由该调度分组定义的该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点(110)所通信的数据的数据字段。

Description

用于节能的时隙协议的调度器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年12月11日提交并且名称为“ACOORDINATEDBIT-MAPPEDDYNAMICSCHEDULERFORPOWER-EFFICIENTTIMESLOTTEDMACPROTOCOLOPERATION(用于节能的时隙MAC协议操作的协同位映射动态调度器)”的美国临时专利申请62/090,704的权益，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本披露涉及网络，并且更具体地涉及一种用于节能的时隙协议的调度器。
背景技术
利用使多个节点进行通信的可预计的时间帧间隙技术，网络时隙协议被广泛用于建立网络节点之间的通信，其中每个网络节点根据预定义时隙进行通信。与载波感测技术相比，这种协议提供预定的、无竞争的信道访问以改善吞吐量性能。时隙机制的主要缺点是与紧密的时间同步相关的开销以及静态集中调度。预调度时隙被利用不足(如未使用)，尤其是在低业务量状况下。从小功率联网系统的能耗这一角度来看，这些未使用的时隙甚至更加昂贵，在该系统中，当事实上常常在没有数据需要接收时，装置自动唤醒以侦听数据并且处于接收状态的激活状态。此外，例如，大部分常常以集中方式执行在每个通信帧中的时间帧的预分配，从而在多跳网络拓扑中不能取决于节点的带宽需要进行改变。
发明内容
本披露涉及一种用于节能的时隙协议的调度器。
在一个实例中，一种网络包括父节点和至少一个子节点，该至少一个子节点被配置成用于经由无线网络协议与该父节点进行通信。该父节点包括广播协调器以根据该无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从该父节点传送到该子节点。调度器生成在该广播消息中通信的调度分组。该调度分组包括用于指示每个子节点在由该调度分组定义的该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的数据字段。
在另一个实例中，一种方法包括根据无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从父节点传送到至少一个子节点。该方法包括生成调度分组，该调度分组包括用于指示每个子节点在由该调度分组定义的该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的映射。该方法包括根据该映射中所指定的指令利用该广播消息将该调度分组通信出去以更新每个子节点。
在又一个实例中，一种系统包括父节点和至少一个子节点，该至少一个子节点被配置成用于经由无线网络协议与该父节点进行通信。该父节点包括广播协调器以根据该无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从该父节点传送到该子节点。调度器生成在该广播消息中所通信的调度分组。该调度分组包括用于指示每个子节点在由该调度分组定义的该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的映射。该调度分组包括用于在该映射中标识该子节点的至少一个虚拟节点标识符。当该子节点加入该网络中时，该虚拟节点标识符由该父节点分配给该子节点。
附图说明
图1示出了一个实例网络，该实例网络包括采用调度器来控制子节点能耗的父节点。
图2示出了一个实例系统，该实例系统包括采用调度器来控制子节点能耗的父节点。
图3示出了一种能够被用于控制子节点能耗的实例网络配置和映射。
图4示出了用于由图3中所示出的映射控制的一个给定子节点的实例功率图。
图5示出了用于由图3中所示出的映射控制的另一个子节点的实例功率图。
图6示出了一个时隙信道跳频协议的一个实例帧传输图。
图7示出了一个在其中示出节点之间的各种时隙通信的实例网络配置图。
图8示出了一种控制子节点能耗的实例方法。
具体实施方式
本披露涉及一种用于节能的时隙协议的调度器。例如，提供了一种系统和网络，该系统和网络提供父节点与至少一个子节点之间的通信，该至少一个子节点被配置成用于经由无线网络协议(例如时隙无线通信协议)与该父节点进行通信。该父节点包括广播协调器以在预定时间间隔将广播消息(例如信标)从该父节点传送到该子节点，其中每个子节点能够根据该广播消息同步网络操作。该父节点中的调度器生成在该广播分组中所通信的调度分组。该调度分组包括用于指示每个子节点在该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的数据字段(如映射)。该调度器能够根据每个子节点的路由需求随着时间动态改变该映射。例如，如果在该子节点的接收或共用时隙中，该父节点没有与该子节点进行通信的数据，能够将该映射设定成使得在该映射指定时隙的期间，该子节点关闭其对应接收器，从而在这种时候保存子节点中的功率。
该调度器也能够经由该对应映射将模式改变通信给该子节点以在父和子节点之间进行通信，其中模式改变指示其他类型的时隙，例如连续时隙、信道跳频选择或高带宽周期。例如，在典型传感器网络部署中，正常操作模式由在上行链路业务中发送的传感器数据组成。然而，当网络设备需要经由空中编程(OTP)重新编程时，这个操作模式能够需要大量连续的下行链路业务。从而，该OTP模式可能需要一个能够在该映射中指定的不同的网络调度模式。该子节点也能够经由消息分组向父节点发送指示该子节点在将来在预定时隙和帧中有数据传送给该父节点的指示。
图1示出了一个实例网络100，该实例网络包括采用调度器114来控制子节点120能耗的父节点110。在这个实例中，网络100包括至少两个节点，该至少两个节点采用路由协议以跨过无线网络连接130进行通信。在其他实例中，可采用多于一个的子节点120。同样，中间节点(参见例如图7)可存在于该父节点110与该子节点120之间，其中中间节点成为较低层子节点的父节点。
该父节点110包括广播协调器140以根据该无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从该父节点传送到该子节点120。该调度器114生成在该广播消息中所通信的调度分组。该调度分组包括用于指示每个子节点120在该广播消息之后并且由该调度分组定义的规定时隙中激活接收器150并且经由该接收器接收从该父节点110所通信的数据的数据字段。能够将该调度分组嵌入或编码在该广播消息中或者能够将其与该广播消息一起并置(concatenate)，但是在为该广播消息分配的时隙中传送该调度分组。例如，该无线网络协议能够是任何时分多址协议(TDMA)，如根据IEEE801.15.4e规定的时隙信道跳频(TSCH)协议。从而，能够取决于在网络100中实施的该无线网络协议来实施该广播消息。
举例来说，例如，该广播消息能够是信标，该信标由父节点110的广播协调器140作为随后数据传输阶段的同步阶段定期传送。该调度分组的该数据字段能够包括用于在子节点的映射160中标识子节点120的至少一个虚拟节点标识符。当该子节点加入网络100中时，该虚拟节点标识符能够由该父节点110分配给该子节点120。映射160包括接收映射、共用映射或模式映射中的一个或更多个映射。在一个实例中，该映射能够是位映射或者能够是更复杂的数据表示，如启用或禁用在此描述的子节点120(或多个节点)中的接收功能的数据结构、字符串、标签、字段等等。该接收映射包括启用或禁用在这些子节点120中的至少一个子节点中的接收时隙的指令。该共用映射包括启用或禁用在这些子节点中的至少一个子节点中的共用时隙的指令。该模式映射包括启用或禁用在这些子节点中的至少一个子节点中的选定操作模式的指令。
如在此使用的，术语时隙指的是在通信帧中的一个指定时间段，其中给定节点能够接收或发送数据，其中帧是数据传输的基本单位，其包括根据随着时间重复的固定调度传输的一组连续的时隙。在帧中的一些时隙被保留用于信标通信并且一些时隙被共用，被共用意味着任何节点能够在共用时隙期间传输数据。共用时隙还被称为竞争时隙，因为如果每个节点在该共用时隙期间传输数据，多个节点能够彼此冲突。其他时隙被特别地保留为每个对应子节点120的接收时隙和发送时隙。
为了克服如在传统系统中总是强制子节点120的接收器150激活以在每个帧期间接收数据的缺点，能够采用映射160以指示该子节点的操作模式以及需要开启以接收数据分组的节点。以此方式，当父节点110没有需要该子节点接收的任何数据时，能够经由映射160禁用接收器150，从而保存子节点120中的功率。在子节点120决定开启或关闭特定时隙之前，映射160能够被协调用于上行链路和下行链路业务，其中上行链路指的是数据从子到父传输并且下行链路指的是数据从父到子传输。如下面参考图2所描述的，映射160能够与信标一起传输，信标通常在时隙协议的每个帧中发送或者在任何其他广播消息中传输，该广播消息以应当至少高于子节点120的模式切换的期望响应时间的速率被定期发送。
图2示出了一个实例系统200，该实例系统包括采用调度器214来控制子节点220能耗的父节点210。父节点210与至少一个子节点220进行通信，该至少一个子节点被配置成用于经由无线网络协议与该父节点进行通信。该父节点210包括广播协调器230以根据该无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从该父节点传送到该子节点220。该调度器214生成在该广播消息中通信(或连同该广播消息一起被通信)的调度分组。该调度分组包括用于指示每个子节点220在由该调度分组定义的该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的映射240。该调度分组包括由调度器214确定的、在该映射中标识子节点220的至少一个虚拟节点标识符。当该子节点加入该网络中时，该虚拟节点标识符由父节点210分配给子节点220。
例如，父与子节点之间的通信能够根据网络路由协议(如时隙信道跳频协议(THSC))发生。例如，能够结合该THSC采用低功率网络路由(RPL)协议来配置父和子节点的网络拓扑。如前所述，父节点210能够是根节点或中间节点并且子节点220能够是该根节点或该中间节点的叶节点。如果采用RPL协议，该父和子节点的网络能够被形成为面向目的地的有向非循环图(DODAG)配置，其中该DODAG由用于该网络的至少一个根节点和至少一个叶节点构成。
该广播消息能够是信标，该信标由父节点210的广播协调器230定期传送。如所示的，该广播消息能够从广播协调器230的媒体访问控制(MAC)层250传输。MAC层250通过使用物理信道启用MAC帧的传输。除其数据服务之外，其提供管理界面(未示出)并且管理对于该物理信道的访问和网络信标。例如，其还控制帧验证、保证时隙、并且处理节点关联。
子节点的映射240包括接收映射242、共用映射244以及模式映射246中的至少一个映射，该接收映射242启用或禁用在子节点220中的至少一个子节点中的接收时隙，该共用映射244启用或禁用在子节点中的至少一个子节点中的共用时隙，该模式映射246启用或禁用在子节点中的至少一个子节点中的选定操作模式。基于模式映射246中的规范，由该模式映射指定的该操作模式能够由子节点220中的模式控制254进行处理以改变该子节点的该操作模式。由模式映射246指定的该操作模式包括用于指示子节点220使用分配给该子节点的专用的接收器和传送器时隙与该父节点进行通信的正常模式。由模式映射246指定的该操作模式能够包括用于指示子节点220使用连续的时隙与该父节点进行通信的空中编程模式。例如，这种模式能够允许更多数据在每一给定时间帧中在父与子节点之间进行交换。在另一个实例中，模式映射246中的该操作模式映射能够指定高带宽模式以指示子节点220以更高数据速率向该父节点发送数据(例如，在该子节点的一个给定发送时隙内以更高数据速率)。在一些情况下，子节点220能够在当前时间帧期间向该父节点发送指示该子节点将在相对于该当前时间帧的的至少一个未来时间帧中传输数据的指示字节260。
提供了以下图3至图7以示出各种网络配置、位映射实例，并且：
图3示出了能够被用于控制子节点的能耗的实例网络配置和映射。这包括根节点310(还被称为父节点)与31个不同的子节点0-31(其还能够被称为叶节点)进行通信。例如，根节点310中的调度器(未示出)能够动态协调节点的活动性并且执行媒体访问控制(MAC)协议操作的模式改变。该调度器采用映射320以单独控制接收和共用时隙。
在映射320中的位位置与虚拟节点标识符(ID)对应。该虚拟节点ID能够由该父节点维护并且其取决于子节点的加入时间。因此，例如，该虚拟节点ID能够基于该子节点加入时间顺序。该虚拟节点ID能够在该关联响应数据分组中作为该关联过程的一部分被该父节点发送，例如当一个RPLDODAG正在被创建时。映射320的相应虚拟节点ID位置中的该位确定是否这个节点将正在接收数据分组。例如，在接收映射中的逻辑1指示将在为对应子节点分配的接收时隙中传输数据分组。类似地，在共用映射中的逻辑1指示将在该指定共用时隙中传输数据分组。
如前所述的，可能需要不同的操作模式。例如，在正常操作期间，分配的时隙能够被用作指定的。然而，在另一模式期间，例如当采用“空中编程”时，所有或一些节点可能需要连续处于接收模式中，其中连续的时隙可能需要被分配并且被用作这些节点的接收器时隙。这些模式改变能够由(在映射中或与映射一起的)信标数据分组中的一组附加位指示。例如，位的数量能够取决于模式的数量。能够进行附加的预定时隙分配以用于某些操作模式。
例如，为了考虑从子到父的上行链路数据传输，即叶向根/中间或中间向根的上行链路数据传输指示，特殊指示字节能够与数据一起发送或在RPL消息中发送。然而，这也可以是如下情况：该父接收器时隙已经过去或者将到达相同的TSCH帧中。为了促进确定性行为，应该从发送该指示字节的帧的下一个TSCH帧中传输该数据分组。该指示字节应该非零并且能够指示时隙帧的相对数量，其中该上行链路数据分组将被从发送该指示字节的帧中发送。如果该指示字节是零，那么不存在该父节点从该子节点接收的数据分组并且因此该父节点能够在该时间段内禁用其对应接收器资源以保存功率。
如在这个实例中所示的，在映射320中的节点31的位都是零，这表明该相关联的子节点分配的虚拟节点ID31应该在其对应接收和共用时隙期间禁用其接收器。图4示出了由图3中所示出的映射320控制的给定子节点31的实例功率图400。在竖直轴线上示出了子节点功率，与之相对在水平轴线上示出了时间。如所示的，在由图3中的映射320所指定的子节点的接收和共用时隙的时间期间，没有产生功率。图5示出了由图3中所示出的映射控制的另一个子节点30的实例功率图500。对于子节点30，设定用于映射320中的对应共用时隙的逻辑1。因此，如在500处所示，在图500中产生了用于该共用时隙的功率，但是该接收器时隙仍然被禁用，因为映射320为节点30的接收器时隙指定了逻辑0。
图6示出了用于时隙信道跳频协议的一个实例帧传输图600。在此实例中，示出了一个实例TSCH帧。每个帧能够有专用信标(B)时隙、能够由任何网络节点在其期间使用的共用时隙(S)、接收时隙(R)以及发送时隙(T)，其中每个节点一加入该网络就被分配了专用接收和发送时隙。如在此所描述的，取决于在此描述的映射设定，能够在该共用和接收器时隙期间关断接收器资源。如果该子节点没有要发送给该父节点的数据，也能够不使用该子节点的发射器时隙。如前所述，该子节点能够将指示字节作为网络消息的一部分来进行通信以指示与该父节点的发送通信将在未来帧中发生。
图7示出了在其中示出节点之间的各种时隙通信的一个实例网络配置图700。网络配置700包括一个根节点、一个中间节点、以及两个子或叶节点。在710，并且在时隙0期间，在该根节点与该中间节点之间传输信标节点。在720，并且在时隙1期间，示出了一个共用时隙。在这个时隙中，任何节点能够接收或传送。在730，并且在时隙3期间，该中间节点将信标传送给子节点。在740，并且在时隙4期间，该根节点向该中间节点传输数据并且在750处该中间节点向该根节点传输数据。在760处，该中间节点在另一个子节点的对应接收器时隙期间向该子节点传送数据。在770处，并且在时隙7期间，该中间节点在该子节点的对应传送器时隙期间从该子节点接收数据。
鉴于以上所述的结构和功能特征，参考图8将会更好的理解一个实例方法。尽管为了说明简洁起见，该方法被示出并描述为连续地执行，但是应该理解并认识到该方法不限于所示出的顺序，因为该方法的一些部分可以按不同的顺序发生和/或与在此示出并描绘的同时发生。例如，这种方法能够由配置在IC或处理器中的各种部件执行。
图8示出了一种控制子节点能耗的实例方法800。在810处，方法800包括根据无线网络协议(例如，经由图1中的广播协调器140)在预定时间间隔将广播消息从父节点传送到至少一个子节点。在820处，方法800包括(例如，经由图1中的调度器114)生成调度分组，该调度分组包括用于指示每个子节点在由该调度分组定义的该广播消息之后在规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的映射。在830处，方法800包括根据该映射中所指定的指示，(例如，经由图1中的广播协调器140)利用该广播消息将该调度分组通信出去以更新每个子节点。方法800还能够包括经由该父节点定期传送的信标传送该广播消息。这包括使用时隙信道跳频协议作为该无线网络协议从媒体访问控制层传送该广播消息。该调度分组的数据字段能够包括用于在子节点的映射中标识至少一个子节点的至少一个虚拟节点标识符，当该子节点加入该网络时，该至少一个虚拟节点标识符由该父节点分配给该至少一个子节点。
子节点的映射能够包括接收映射、共用映射以及模式映射中的至少一个映射，该接收映射启用或禁用在子节点中的至少一个子节点中的接收时隙，该共用映射启用或禁用在子节点中的至少一个子节点中的共用时隙，该模式映射启用或禁用在子节点中的至少一个子节点中的选定操作模式。由模式映射指定的该操作模式能够包括用于指示该至少一个子节点使用连续的时隙与该父节点进行通信的空中编程模式。方法800还能够包括在当前时间帧期间从该至少一个子节点向该父节点传送指示该子节点将在相对于该当前时间帧的的至少一个未来时间帧中传送数据的指示字节。
以上所述的是实例。当然，不可能描述部件和/或方法的每个可想到的组合，但是本领域普通技术人员将认识到许多其他组合和置换是可能的。因此，本披露旨在包含落入本申请(包括附加的权利要求书)的范围内的所有这样的变更、修改和变化。如在此使用的，术语“包括(includes/including)”意指包括但不限于。术语“基于”意指至少部分基于。此外，在本披露或权利要求书中记载“一个(a/an)”、、“第一个(afirst)”或“另一个(another)”元件或其等同物的情况下，应该被理解为包括一个或多于一个这样的元件，既不要求也不排除两个或两个以上这样的元件。

Claims (20)

1.一种网络，包括：
父节点；以及
至少一个子节点，该至少一个子节点被配置成经由无线网络协议与该父节点进行通信；
该父节点包括：
广播协调器，该广播协调器根据该无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从该父节点传送到该子节点；以及
调度器，该调度器生成在该广播消息中所通信的调度分组，该调度分组包括用于指示每个子节点在由该调度分组定义的该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的数据字段。
2.如权利要求1所述的网络，其中，该广播消息是信标，该信标由该父节点的该广播协调器定期传送。
3.如权利要求2所述的网络，其中，使用时隙信道跳频协议作为该无线网络协议从该广播协调器的媒体访问控制层传送该广播消息。
4.如权利要求1所述的网络，其中，经由该无线网络协议使用低功率网络路由协议将该父节点和该至少一个子节点配置为面向目的地的有向非循环图即DODAG。
5.如权利要求4所述的网络，其中，该父节点是该DODAG的根节点或中间节点。
6.如权利要求1所述的网络，其中，该调度分组的该数据字段包括在子节点的映射中标识该至少一个子节点的至少一个虚拟节点标识符，当该子节点加入该网络时，该至少一个虚拟节点标识符由该父节点分配给该至少一个子节点。
7.如权利要求6所述的网络，其中，该子节点的映射包括接收映射、共用映射以及模式映射中的至少一个映射，该接收映射启用或禁用该子节点中的至少一个子节点的接收时隙，该共用映射启用或禁用该子节点中的至少一个子节点的共用时隙，该模式映射启用或禁用该子节点中的至少一个子节点中的选定操作模式。
8.如权利要求7所述的网络，其中，由该模式映射指定的该选定操作模式包括用于指示该至少一个子节点使用分配给该至少一个子节点的专用接收器和传送器时隙与该父节点进行通信的正常模式。
9.如权利要求7所述的网络，其中，由该模式映射指定的该选定操作模式包括用于指示该至少一个子节点使用连续的时隙与该父节点进行通信的空中编程模式。
10.如权利要求7所述的网络，其中，该选定操作模式包括用于指示该至少一个子节点以更高数据速率向该父节点发送数据的高带宽模式。
11.如权利要求1所述的网络，其中，该至少一个子节点在当前时间帧期间传送指示字节以向该父节点指示该子节点将在相对于该当前时间帧的的至少一个未来时间帧中传送数据。
12.一种方法，包括：
根据无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从父节点传送到至少一个子节点；
生成调度分组，该调度分组包括用于指示每个子节点在由该调度分组定义的该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的映射；并且
根据该映射中所指定的指令，利用广播消息将该调度分组通信出去以更新每个子节点。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括经由该父节点定期传送的信标传送该广播消息。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括使用时隙信道跳频协议作为该无线网络协议从媒体访问控制层传送该广播消息。
15.如权利要求12所述的方法，其中，该调度分组的数据字段包括用于在子节点的映射中标识该至少一个子节点的至少一个虚拟节点标识符，当该子节点加入该网络时，该至少一个虚拟节点标识符由该父节点分配给该至少一个子节点。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该子节点的映射包括接收映射、共用映射以及模式映射中的至少一个映射，该接收映射启用或禁用该子节点中的至少一个子节点的接收时隙，该共用映射启用或禁用该子节点中的至少一个子节点的共用时隙，该模式映射启用或禁用该子节点中的至少一个子节点中的选定操作模式。
17.如权利要求16所述的方法，其中，由该模式映射指定的该选定操作模式包括用于指示该至少一个子节点使用连续的时隙与该父节点进行通信的空中编程模式。
18.如权利要求12所述的方法，进一步包括在当前时间帧期间从该至少一个子节点传送指示字节以向该父节点指示该子节点将在相对于该当前时间帧的至少一个未来时间帧中传送数据。
19.一种系统，包括：
父节点；以及
至少一个子节点，该至少一个子节点被配置成经由无线网络协议与该父节点进行通信；
该父节点包括：
广播协调器，该广播协调器根据该无线网络协议在预定时间间隔将广播消息从该父节点传送到该子节点；以及
调度器，该调度器生成在该广播消息中所通信的调度分组，该调度分组包括用于指示每个子节点在由该调度分组定义的该广播消息之后的规定时隙中激活并接收从该父节点所通信的数据的映射，该调度分组包括用于在该映射中标识该至少一个子节点的至少一个虚拟节点标识符，当该子节点加入该网络时，该至少一个虚拟节点标识符由该父节点分配给该至少一个子节点。
20.如权利要求19所述的系统，其中，该至少一个子节点在当前时间帧期间传送指示字节以向该父节点指示该子节点将在相对于该当前时间帧的的至少一个未来时间帧中传送数据。
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