CN105794284B

CN105794284B - 使节点同步至数据宿的方法以及用于形成无线网络的节点

Info

Publication number: CN105794284B
Application number: CN201480066309.9A
Authority: CN
Inventors: 郭建林; 菲利普·奥尔利克; K·帕森斯
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2019-03-15
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: US20150156736A1; JP6157726B2; US9226253B2; CN105794284A; JP2016537842A; WO2015083761A1

Abstract

一种用于使节点同步至数据宿的方法，该方法确定节点接收到相邻节点发送的分组的第一时间以及数据宿或同步的相邻节点接收到相邻节点发送的分组的第二时间。基于第一时间与第二时间之间的差，使节点同步至数据宿。

Description

使节点同步至数据宿的方法以及用于形成无线网络的节点

技术领域

本发明总体上涉及无线网络中分组的路由，并且具体地，涉及无线网络中的同步。

背景技术

低功率有损网络(LLN)中的节点受到处理功率、存储器、功耗、寿命、活动率以及物理尺寸的制约。节点之间的通信链路的特点在于高损失率、低数据速率、不稳定性、低发送功率和短发送距离。在实际LLN内，可以存在几十至数百万的节点。LLN的示例包括智能电表网络和用于楼宇监控的无线传感器网络。

与移动自组(ad-hoc)网络相比，LLN可以具有受限的业务模式，尽管例如从节点至一个或更多个数据宿或集中器(concentrator)的多点对点业务占主导地位。点对多点和点对点业务很少。数据宿通常是控制点且从LLN中的节点收集数据。为了可靠性和效率，LLN可以具有多个数据宿。数据宿可以协同工作或独立工作且可以通过网络接口连接至数据中心。

由于以上制约，大规模LLN部署和高容量的分组递送可导致分组损失。重传可以增加网络业务。为了提高可靠性并减小开销，具有多个数据宿节点的LLN中的节点可以选择最佳路线。然而，用于LLN的最常规的路由方法不是针对多宿路由设计的。

已知若干常规的多宿路由方法。然而，那些方法对LLN而言不是最佳的并且是不同步的。例如，互联网工程任务组(IETF)已经开发了使用有向无环图(DAG)来发现路由的IPv6LLN路由协议(RPL)。即使RPL是多宿路由协议，路由也是基于建立面向目的地DAG(DODAG)发现的，DODAG具有被称为DODAG根的单宿节点。在发现路由后，节点向DODAG根发送分组。RPL没有规定如何发现节点和维持至多宿的路由以及节点如何在多宿之间切换。此外，DODAG是不同步的。

在一些LLN中要求同步。例如，同步可被智能电表网络用于多用途操作，包括测量数据收集、需求和响应管理、智能电表和连接至智能电表网络的装置的管理。结果，RPL可能不适用于一些LLN中的多宿多用途路由。

U.S.2012/0236855描述了一种用于控制传感器网络的多宿/多路径路由的方法。该方法为对安全性有严格要求的系统而设计。为了满足可靠性的需求，该路由方法使用多个路径向多个数据宿发送同一数据的多个副本。该方法的开销对大规模LLN是过多的。此外，多宿多路径的多个传输可降低LLN的可靠性。

发明内容

本发明的一些实施方式是基于节点可以实施与数据宿同步而无需发送任何同步分组的认识。这是因为，节点可以接收由相邻节点发送的分组。因此，在一些情况下，节点可以基于在数据宿与相邻节点之间交换的同步分组同步至数据宿。附加地或另选地，节点可以基于在相邻节点和先前与数据宿同步的同步的相邻节点之间交换的同步分组同步至数据宿。被动同步减小了通信开销。

例如，LLN中的一些节点可以实施主动同步，而一些节点可以实施被动同步。在主动同步中，节点与数据宿或同步的相邻节点交换同步分组。然而，在被动同步中，节点不发送任何分组并且仅使用由其它节点发送的同步分组。

相应地，本发明的一个实施方式公开了一种将节点同步至数据宿的方法。该方法包括，确定所述节点接收到由相邻节点发送的分组的第一时间；确定数据宿或同步的相邻节点接收到由所述相邻节点发送的分组的第二时间；以及基于所述第一时间与所述第二时间之间的差将所述节点同步至所述数据宿。

另一实施方式公开了一种形成无线网络的节点，该节点具有：时钟；接收器，其接收由相邻的节点向数据宿或同步的相邻节点发送的SYNC-REQ分组，并且接收由所述数据宿或所述同步的相邻节点响应于接收到SYNC-REQ分组而发送的SYNC-RES分组；以及处理器，其利用时钟来确定所述节点接收到所述SYNC-REQ分组的第一时间并利用所述SYNC-RES分组来确定所述数据宿或所述同步的相邻节点接收到所述SYNC-REQ分组的第二时间，使得所述处理器基于所述第一时间与所述第二时间之间的差将所述节点同步至所述数据宿或至所述同步的相邻节点。

附图说明

图1A是本发明的一些实施方式可以操作的低功率有损网络(LLN)的示意图；

图1B是根据本发明的一些实施方式的在由一组节点和多个数据宿形成的LLN中发送分组的方法的框图；

图1C是根据本发明的一些实施方式的存储并操纵时间值和时钟偏差的方法的框图；

图2A是根据本发明的一些实施方式的同步间隔的结构的示意图；

图2B是根据本发明的一些实施方式的具有独立的同步间隔的两个数据宿的示例；

图3A和图3B是根据本发明的一些实施方式的路由发现消息中的字段的示意图；

图4是多宿LLN中的数据宿选择和对每个选择的数据宿的路由发现的方法的框图；

图5是根据本发明的一些实施方式的路由发现消息传播过程的示例的示意图；

图6是根据本发明的一些实施方式的路由确认过程的示例的示意图；

图7A和图7B是数据宿的覆盖区域的示例的示意图；

图8A是节点不能执行立即的主数据宿切换的示例的示意图；

图8B是节点可以执行立即的主数据宿切换的示例的示意图；

图9A是根据本发明的一些实施方式的主数据宿切换通告分组的结构的示意图；

图9B是根据本发明的一些实施方式的主数据宿切换延迟请求分组的结构的示意图；

图10A、图10B和图10C是根据本发明的一些实施方式的各种同步分组的示意图；

图11A是根据本发明的一些实施方式的同步方法的框图；

图11B是根据本发明的一些实施方式的多跳同步方法的框图；

图12A是由宿发送同步开始分组的示意图；

图12B是同步分组发送和从相邻节点接收分组的示意图；

图13A是本发明的一些实施方式采用的DIO消息流的示意图；

图13B是本发明的一些实施方式采用的DAO消息流的示意图；

图13C是本发明的一些实施方式采用的SYNC-START消息流的示意图；

图13D是根据本发明的一些实施方式的SYNC-REQ和SYNC-RES消息交换的示意图；

图13E是根据本发明的一些实施方式的宿-切换和切换-延迟消息交换的示意图；以及

图13F是本发明的一些实施方式采用的数据分组流的示意图。

具体实施方式

图1A示出了本发明的一些实施方式操作的低功率有损网络(LLN)的示意图。尽管描述了LLN的一些实施方式，应该理解，本发明的各个实施方式可以和诸如智能电表网络、传感器网络和用于工业自动化、建筑和家庭自动化的网络以及环境监控的其他类型的无线网络一起使用。

该网络包括节点(N)的集合110和数据宿(S)的集合120。节点和宿形成网状拓扑并且使用无线链路130进行通信。为了确保连接性，节点被布置为使得每个节点都具有至少一个邻居。LLN中的每个节点通过一个或多个链路向一个或更多个数据宿发送诸如数据分组和控制分组的分组。节点还可以向数据宿转发从相邻节点接收到的分组。数据宿经由一个或多个链路向一个或多个节点发送诸如路由分组和控制分组的分组。节点还向一个或更多个节点转发送从邻居接收到的分组。此外，数据宿可以经由链路140连接至数据中心150。

形成LLN的节点和数据宿可以执行不同功能。除了数据中心以外，数据宿通常不是数据源。每个数据宿可以负责与节点的子集进行通信，收集来自节点的子集的数据并且管理这些节点。数据宿可以向一个或更多个节点发送控制和管理分组。所有LLN节点可以是数据源。节点向一个或更多个数据宿发送它们的数据分组并且响应从数据宿接收到的控制分组或管理分组。

节点可以维护至多个数据宿的多个路由以用于数据发送。在各种实施方式中，节点与多个数据宿同步。以这样的方式，节点可以迅速地将其数据发送从一个数据宿切换至另一数据宿，而无需更新同步。在网络条件改变时，这样的切换减少了发送延迟。

例如，节点选择第一数据宿作为主数据宿并且选择第二数据宿作为次数据宿。节点向主宿节点发送其数据分组。一个节点是其主数据宿的主要成员，并且一个节点是其次数据宿的次要成员。主要成员发送所有类型的分组，包括数据分组、路由分组、同步分组。次要成员向次数据宿发送除了数据分组以外的所有类型的分组。基于网络条件和性能，节点可以用次数据宿适应性地切换其主数据宿的指定。

数据发送被同步并且在分配的时间内执行，并且节点需要被同步至主数据宿和次数据宿以能够切换发送。例如，在同步的发送期间，节点在与第一数据宿同步的第一分配时间出从该节点向第一数据宿发送第一数据分组，并且在与第二数据宿同步的第二分配时间处从该节点向第二数据宿发送第二数据分组。第一数据宿和第二数据宿不需要被同步，即，它们可以独立地操作。

图1B示出了用于在图1A的LLN中发送分组的方法的框图。可以通过LLN中的节点的处理器161执行该方法。处理器通过总线连接至存储器、输入/输入接口、时钟185和收发器。节点选择160数据宿的子集。所选择的数据宿包括第一数据宿165和第二数据宿163。节点可以指定170第一数据宿作为主数据宿，并且指定第二数据宿作为次数据宿。节点还可以指定多个次数据宿。

节点执行节点与第一数据宿165以及与第二数据宿163的同步180。接下来，节点在与第一数据宿同步的第一分配时间处从节点向第一数据宿发送190第一数据分组195。节点还在与第二数据宿同步的第二分配时间处从节点向第二数据宿发送190第二数据分组193，其中，在没有更新同步的情况下发送第一数据分组和第二数据分组。因此，在数据宿不需要彼此同步时，节点可以执行至多个数据宿的同步发送。

通常，节点在发送第二数据分组之前切换对数据宿的指定。在一个实施方式中，节点仅向主数据宿发送，但可在不同时段将各种数据宿指定为主数据宿。可以响应于网络中的条件的改变适应性地执行切换，并且节点可迅速执行切换而无需更新同步。

一些实施方式使用节点的多个时钟执行节点与多个数据宿的同步。然而，在各种实施方式中，节点具有用于同步的一个时钟。为了解决同步的多宿路由问题，在本发明的一些实施方式中，节点将时钟185同步至主数据宿的时钟，并且维护与次数据宿的时钟偏差183，即，每个时钟偏差存储节点的时钟的时间与对应的次数据宿的时钟的时间之间的差。

图1C示出了采用本发明的一些原理的节点1990的框图。该节点可以是低功率有损网络(LLN)的一部分。该节点包括：单个时钟1900；如处理器161的处理器，用于执行该节点的时钟与LLN中的第一数据宿的时钟的同步并用于确定节点的时钟与第二数据宿的时钟之间的时钟偏差；以及存储器1910，用于存储时钟偏差。该节点还可以包括收发器1945，收发器1945用于接收并且用于在不更新同步的情况下向多个数据宿同步发送数据分组。

节点的处理器存储并操纵时间值和时钟偏差。在一些实施方式中，处理器管理时钟1900，并且分配存储块以存储接收时间值以及与次数据宿的时钟偏差。例如，处理器可以维护到用于第一时间值1931的存储器位置的指针1901，并且维持用于到第二时间值1932的存储器位置的指针1902。处理器可以基于时间值1931和1932确定1950时钟偏差。

处理器还可以维持到用于时钟偏差的存储器位置的指针，例如，到用于第一时钟偏差的存储器位置的指针1911、到用于第二时钟偏差的存储器位置的指针1912、...、到用于第k(最后)时钟偏差的存储器位置的指针191K。

在一些实施方式中，LLN包括节点的集合和数据宿的集合，其中，至少一部分数据宿通过配置并发送面向目的地的有向无环图(DODAG)信息对象(DIO)消息来发起DODAG形成。在那些实施方式中，响应于DODAG形成来执行同步。

例如，在一个实施方式中，处理器在存储器中保持表1920，表1920存储加入的DODAG的DODAG ID。一旦接收到1940同步分组，表1920被用于确定1930是否存储时间值。节点通过选择DODAG的根作为主数据宿或次数据宿来加入DODAG。对于加入的DODAG，即，节点是DODAG的主要成员或DODAG的次要成员，处理器将第一时间值存储1931至由指针1901指向的存储器，且将第二时间值存储1932由指针1902指向的存储器。使用这两个时间值，处理器计算1950时钟偏差。

如果1960对应的DODAG根是主数据宿，那么处理器设置1961时钟值以使其时钟1900同步至DODAG根的时钟。否则，处理器存储1962时钟偏差。为了存储时钟偏差，处理器将DODAG ID映射1963至特定的存储器位置，然后使用存储器位置指针将时钟偏差值存储至对应的存储器位置。

LLN中的同步间隔

图2A示出了一些实施方式使用的同步(sync)间隔210的结构。同步间隔包括路由时段220、同步时段230、数据时段240和控制时段250中的一个或组合。由管理同步过程的数据宿来确定每个时段的长度。在每个同步间隔期间，不必须存在路由时段和同步时段。如果这两个时段中的任一个不存在，那么该时段可以用于数据分组发送。在路由时段期间，节点选择主数据宿和次数据宿。在同步时段期间，节点使该节点的时钟与主数据宿的时钟同步，并且确定并维护与次数据宿的时钟偏差。在数据时段期间，节点向主数据宿发送数据分组。在控制时段期间，发送控制和管理分组。在控制时段中还可以发生失败的数据分组的重传。

图2B示出了数据宿260S1与270S2具有在开始时间、各个时段的长度方面不同的同步间隔的示例。在一些实施方式中，在进行路由发现之后执行同步。每个数据宿都独立地管理其路由发现和同步间隔。然而，在本发明的各种实施方式中，数据宿可以监控其它数据宿的同步信息以为更好的性能管理同步间隔。例如，两个邻近的数据宿可以安排不重叠的数据时段以实现较高的数据分组传递速率。

LLN的多宿选择和路由发现

为了提供LLN路由协议，互联网工程任务组(IEFE)开发了IPv6LLN路由协议(RPL)。RPL构建有向无环图(DAG)拓扑以为LLN建立双向路由。针对充当数据宿的一个或更多个根之间的业务而优化RPL路线。DAG被划分成一个或多个面向目的地的DAG(DODAG)，每个数据宿一个DODAG。因此，DODAG是在RPL中限定的结构。LLN的业务沿着DODAG的边缘流动，或向上至根或从根向下。使用DODAG信息对象(DIO)消息通过DODAG构建机制来提供以根作为目的地的上行路由。根配置诸如DODAG版本号、DODAGID以及Root Rank(根秩)的DODAG参数，并且在DIO消息中通告这些参数。

为了加入DODAG，基于诸如跳数或预期的发送计数(ETX)的路由度量，节点选择一组DIO消息发送器作为到根的上行路由上的父节点，并且确定其自身的秩。节点还选择优选的父节点作为上行业务的下一跳。一旦加入DODAG，节点就发送DIO消息以通告DODAG参数。随着DODAG版本朝向DODAG根跟随，节点的秩单调地下降。通过这些发送目的地通告对象(DAO)消息的目的地节点，提供从根至其它目的地的下行路由。

本发明的一些实施方式针对多路径路由发现使用RPL。节点选择至其主数据宿的多个路由以及至其次数据宿中的每一个的多个路由。简单起见，一些实施方式在RPL中指定数据宿作为DODAG根。为了实现高效的多宿路由，本发明的一些实施方式在RPL中向DIO和DAO消息添加了目前未被RPL指定的字段。

图3A示出了DIO消息中的附加字段310，包括指示生成DIO消息的数据宿的主要成员的数量的N_P_Nodes字段311、指示生成DIO消息的数据宿的次要成员的数量的N_B_Nodes字段312、指示由生成DIO消息的数据宿所估计的预期可靠性的ETR字段313以及指示DIO消息由DODAG的主要成员还是次要成员发送的成员字段314。如果节点选择DODAG的根作为其主数据宿，则节点是DODAG的主要成员。如果节点选择DODAG的根作为其次数据宿，则节点是DODAG的次要成员。

初始地，数据宿将N_P_Nodes设置为0、将N_B_Nodes设置为0、将ETR设置为100％，并且将成员设置为1。数据宿将ETR估计为在数据时段中成功接收到的数据分组的总数除以在数据时段中预期要接收的数据分组的总数。宿通过使用在DAO消息中接收到的N_Packets字段来确定预期的数据分组的总数。

图3B示出了DAO消息中的附加字段320。成员字段321指示生成DAO消息的节点是DODAG的主要成员还是次要成员。N_Packets分组322表示要在数据时段中发送的数据分组的数量。节点估计其在数据时段中的分组的预期数量。例如，对于智能电表网络，节点在每个数据时段中发送一个测量数据分组。为了传播信息，DAO可以在操作的两种模式下被传送至DODAG根。

图4示出了根据一些实施方式的多宿LLN中的数据宿选择和路由发现方法的框图。数据宿通过发送405具有适合配置的DIO消息来发起DODAG形成过程。在DODAG形成期间，DIO消息的传播建立了从节点至DODAG的根的路线。在每个DODAG的形成期间，节点接收410由405数据宿或由465相邻节点发送的DIO消息的多个副本。

接收节点检查415接收的DIO消息是否通告了新的DODAG或新的DODAG版本。如果以上都不是，则节点检查418是否DIO消息是为了加入的DODAG。如果否，则节点丢弃422DIO消息。如果是，则节点处理420如在RPL中规定的DIO消息。如果通告了新的DODAG或新的DODAG版本，则节点决定430是否加入通告的DODAG。如果否，则节点丢弃422DIO消息。如果是，基于DIO消息中指定的路由度量和目标函数，节点选择435DIO消息发射器的子集作为其DIO父节点，即，至DODAG的根的下一跳节点，并且计算其本身的秩。然后，节点决定440是否选择DODAG的根作为其主数据宿。

在多宿路由中，多个数据宿可以发起它们的DODAG形成过程。因此，节点接收由多个数据宿发起的DIO消息。在加入选择的DODAG后，节点选择一个DODAG的根作为主数据宿，并且选择剩余的DODAG的根作为次数据宿。存在很多用于做决定的方式。下面的公式显示了如何确定用于选择主数据宿和次数据宿的值P(S)：

其中，S表示数据宿S，ETR(S)从DIO消息获得，N(S)_p是宿S的主要成员的数量，N(S)_s是宿S的次要成员的数量，N(S)_max是宿S可以支持的节点的最大数，H(S)_min是从接收到的DIO消息的副本获得的从节点至宿S的最小跳数，并且H(S)_max是宿S允许的最大跳数。节点选择使公式(1)中的P(S)的值变得最大的主数据宿S，并且选择具有公式(1)中的P(S)的随后的值的次数据宿。

如果节点决定加入DODAG作为主要成员，则节点用秩更新445DIO消息并且将成员字段设置为1，并且还安排450成员被设置为1的DAO消息发送。如果节点决定加入DODAG作为次要成员，则节点利用其秩更新455DIO并且将成员设置为0并还安排460成员被设置为0的DAO消息发送。节点还将N_Packets字段设置为预期的数量。在更新DIO消息和构建DAO消息之后，节点发送465更新的DIO消息以继续DODAG形成过程，并且发送470DAO消息以建立从DODAG的根至节点本身的路由。

图5示出了节点N*510接收520由数据宿530S1和540S2二者发起的DIO消息的示例。例如，节点N*接收由宿S1发起的DIO消息的两个副本和由宿S2发起的DIO消息的三个副本。节点N*选择S2作为其主数据宿。

图6示出了节点N*510为以数据宿S2为根的主DODAG发送成员字段等于1的DAO消息610和向以数据宿S1为根的次DODAG发送成员字段等于0的DAO消息620。

公式(1)中的H_Max参数可以用于控制数据宿的覆盖区域。对于较小的H_Max，数据宿覆盖较近的节点。优点包括至主数据宿的较短路径和较短延迟。缺点包括当更多的节点在数据时段中发送它们的数据分组时较多的通信干扰和较低的数据传递速率。

图7A示出了具有分别以S1和S2为根的两个DODAG的低功率有损网络的示例。在图7A中，H_Max＝2，因此宿S1和S2覆盖接近它们的节点。S1通过链路710覆盖七个节点，并且S2通过链路720覆盖八个节点。对于较大的H_Max，数据宿可以覆盖具有较小节点密度的很大区域。较大覆盖的优点包括数据时段中较少的通信干扰和较高的分组传递速率。缺点包括至主宿的较长路径和较长延迟。

图7B示出了具有分别以S3和S4为根的两个DODAG的低功率有损网络的示例。在图7B中，H_Max＝4，因此宿S3和S4覆盖相对较大的区域。S3通过链路730覆盖八个节点，并且S4通过链路740覆盖十个节点。

通过加入多个DODAG，节点维持与多个数据宿相对应的多组路由参数。节点向其主数据宿发送其数据。然而，节点可以将其主数据宿与次数据宿切换。

数据宿切换

在多宿路由中，节点可以用次数据宿切换其主数据宿的指定而无需更新同步。在一些实施方式中，在该切换中，节点维持其子节点至它们的主宿的路由，因为子节点与父节点无关地选择它们的主宿。

图8A示出了节点N4和N5选择810宿S1作为它们的主宿的示例。节点N1、N2和N3选择820宿S2作为它们的主宿。此外，节点N1还选择830S1作为其次宿。然而，如果节点N1将其主宿从S2切换至S1，则该切换断开了节点N3至其主宿S2的路由。

为了帮助不切断路线的切换，一些实施方式限定了两种类型的分组，即，主宿切换通告分组和主宿切换延迟请求分组。

图9A示出了主宿切换通告分组910，主宿切换通告分组910包括以下中的一个或组合：指示分组类型的类型字段911；指示计划进行切换的节点的Node_ID字段912；指示节点的当前主宿的Current_Sink字段913；指示节点的目标主宿的Target_Sink字段914；以及包括任何可选信息的选项字段915。

图9B示出了主宿切换延迟请求分组920，主宿切换延迟请求分组920包括以下中的一个或组合：指示分组类型的类型字段921；指示请求切换延迟的节点的Node_ID字段922；指示请求节点的当前主宿的Current_Sink字段923；指示请求等待的同步间隔的数量的N_Wait字段924；以及包括任何可选信息的选项字段925。

为了避免切断主路由，节点在控制时段广播宿切换分组910并且等待切换延迟请求分组920。如果节点在同步间隔结束前未接收到切换延迟请求分组，则节点通过向具有合适的成员设定的Current_Sink和Target_Sink发送DAO消息，在下一个同步间隔中将其主宿从Current_Sink切换至Target_Sink。如果节点接收到切换延迟请求分组，则节点等待N_Wait个同步间隔。

如图8A所示，如果N1广播宿切换分组910，则N3接收分组并发送切换延迟请求分组920，并且请求节点N1等待一个同步间隔。在下一个同步间隔中，节点N3将其至宿2的路由从N1切换840至N2。如图8B所示，在N3切换了其至S2的路线后，N1将其主宿从S2切换至S1是安全的。

同步分组的结构

本发明的一些实施方式为同步的目的使用不同类型的分组。这些类型分组包括SYNC-START分组、SYNC-REQ分组和SYNC-RES分组。

图10A示出了SYNC-START分组1010的结构。SYNC-START分组包括指示分组类型的类型字段1011、指示发起同步过程的数据宿的ID的Sink_ID字段1012、指示由数据宿维护的同步序列号的Sync_Seq字段1013、指示同步间隔的配置的Sync_Config字段1014以及指示其他选项的选项字段1015中的一个或组合。每次数据宿发送SYNC-START分组，Sync_Seq字段的值就递增1，并且Sync_Seq字段的值大于0。

Sync_Config字段的内容1016包括指示该同步间隔的起始时间的Start_time字段、指示下一个SYNC-START分组发送的同步间隔的数量的Next_Sync字段且该字段的值必须大于0、指示路由时段的长度的Routing_L字段、指示同步时段的长度的Sync_L字段、指示数据时段的长度的Data_L字段以及指示控制时段的长度的Control_L字段。

图10B示出了SYNC-REQ分组1020的结构。SYNC-REQ分组包括指示分组类型的类型字段1021、指示发送同步请求分组的节点的ID的Node_ID字段1022、指示SYNC-REQ分组的目的地的Dest_ID字段1023、指示从接收到的SYNC-START分组获得的同步序列号的Sync_Seq字段1024以及指示其他选项的选项字段1025中的一个或组合。

图10C示出了SYNC-RES分组1030的结构。SYNC-RES分组包括指示分组类型的类型字段1031、指示发送同步响应分组的节点的ID的Node_ID字段1032、指示SYNC-RES分组的目的地的Dest_ID字段1033、指示从接收到的SYNC-REQ分组获得的同步序列号的Sync_Seq字段1034、指示接收SYNC-REQ分组的时间的TR字段1035、指示发送SYNC-RES分组的时间的TT字段1036以及指示其他选项的选项字段1037中的一个或组合。仅基于接收SYNC-REQ分组并发送SYNC-RES分组的节点或宿的时钟来记录TR和TT。

在发送SYNC-START分组的同步间隔之间，一些实施方式将同步间隔中的路由时段和同步时段用于数据分组发送或其它目的。例如，数据宿可以监控其它数据宿SYNC-START分组并选择在没有其它数据宿发送它们的SYNC-START分组时发送其SYNC-START分组。

被动同步

本发明的一些实施方式是基于节点可以在不发送任何同步分组的情况下执行与数据宿的同步的认识。这是因为，在LLN中，节点可以接收由相邻节点发送的分组。因此，在一些情况下，节点可以基于在数据宿与相邻节点之间交换的同步分组来同步至数据宿。附加地或另选地，节点可以基于在相邻节点与先前与数据宿同步的同步的相邻节点之间交换的同步分组来同步至数据宿。被动同步减小通信开销。

例如，LLN中的一些节点可以执行主动同步，而一些节点可以执行被动同步。在主动同步中，节点与数据宿或同步的相邻节点交换同步分组。然而，在被动同步中，节点不发送任何分组，并且仅使用由其它节点发送的同步分组。

图11A示出了根据本发明的一个实施方式的在LLN中将节点同步至数据宿的方法的框图。当节点接收到由相邻节点发送的分组时，该实施方式确定1190第一时间1191。当数据宿或同步的相邻节点从相邻节点接收到相同的分组时，该实施方式还确定1193第二时间1192。基于第一时间与第二时间之间的差将节点与数据宿同步1195。

可以通过使用处理器161的节点执行该方法。在一些实施方式中，节点接收由相邻节点响应于接收到由数据宿或同步的相邻节点发送的SYNC-START分组而发送的SYNC-REQ分组。节点将接收到SYNC-REQ分组的时间记录为第一时间。此外，节点接收由数据宿或同步的相邻节点响应于接收到SYNC-REQ分组而发送的SYNC-RES分组。SYNC-RES分组包括指示数据宿或同步的相邻节点何时接收到SYNC-REQ分组的字段。节点从SYNC-RES分组取得第二时间。

在一些实施方式中，数据宿是DODAG拓扑的根。附加地或另选地，数据宿可以是DODAG的根上的同步的其它节点。

多跳同步

在一些实施方式中，LLN中的节点将其时钟同步至主数据宿的时钟，并且维护与其次数据宿的时钟偏差。为了减少通信开销，一些节点执行主动同步，并且其它节点执行被动同步。由数据宿发起同步过程。为了开始同步过程，数据宿广播SYNC-START分组。广播的SYNC-START分组被数据宿的一跳邻居接收到。在接收到SYNC-START分组后，选择该宿作为主数据宿的所述一跳邻居就执行主动同步或被动同步以将它们的时钟同步至该宿的时钟。选择该宿作为次数据宿的数据宿的一跳邻居执行主动同步或被动同步以计算它们的时钟偏差。在执行同步后，一跳邻居广播SYNC-START分组以使数据宿的二跳邻居同步它们的时钟或计算它们的时钟偏差。该过程继续直至选择该宿作为主数据宿或次数据宿的所有节点都被同步或计算时钟偏差。

图11B是根据本发明的一个实施方式的多跳同步过程的框图。为了配置SYNC-START分组，数据宿将分组的类型字段设置为SYNC-START，将分组的Sink_ID设置为其ID，设置Sync_Seq＝1，将Start_Time设置为发送该分组的时间，并且将所有其它字段设置为适合的值。如果节点不是数据宿，节点将其Sync-Seq设置为0。

数据宿通过广播1100SYNC-START分组发起同步。一旦接收到由数据宿发送1100的或由数据宿上的同步的相邻节点发送1180的SYNC-START分组，节点确定1110SYNC-START分组是否包括比节点当前可用的Sync_Seq值大的Sync_Seq值。如果否，则节点丢弃1115SYNC-START分组。如果是，则节点检查1120SYNC-REQ分组是否发送至SYNC-START分组发送器。如果否，则节点开始1125主动同步。

在主动同步期间，节点生成SYNC-REQ分组并执行随机回退过程。如果在随机退回过程结束时未接收到由其它节点发送的SYNC-REQ，则节点启动用于SYNC-RES等待时段的计时器，向数据宿或同步的相邻节点(其中，节点从该数据宿或同步的相邻节点接收到SYNC-START分组)发送1130SYNC-REQ分组，记录指示发送SYNC-START分组时的时间TQ，然后等待SYNC-RES分组。SYNC-REQ分组的接收节点生成SYNC-RES分组并将SYNC-RES分组发送回请求节点。

如果节点在等待时段内接收到1135SYNC-RES分组，则节点记录1140接收到SYNC-RES分组的时间TS，并且通过使用时间记录TQ、TS以及从SYNC-RES分组取得的时间记录TR、TT来计算1145其与SYNC-START发送器的时钟的偏差。

例如，在一个实施方式中，节点根据下式确定时钟偏差

其中，TQ是发送SYNC-REQ分组的时间，TS是接收SYNC-RES分组的时间，TT是数据宿或同步的相邻节点发送SYNC-RES分组的时间，并且TR是数据宿或同步的相邻节点接收SYNC-REQ分组的时间。

在计算偏差之后，节点确定1150同步过程是否由其主数据宿发起的。如果否，则节点存储1155时钟偏差。如果是，则节点将其时钟同步1175至发送SYNC-START分组的节点的时钟。在节点同步其时钟之后，节点发送1180SYNC-START分组以使其邻居继续同步过程。如果节点在等待时段内未接收到SYNC-RES分组1135，则节点重新开始同步。

在接收到SYNC-START分组之后，如果节点接收到1120发送给例如数据宿或与数据宿同步的节点的SYNC-START发送器的SYNC-REQ分组，则节点开始1160被动同步过程。

在被动同步期间，节点记录1165接收到SYNC-REQ分组时的时间TP并且启动用于等待SYNC-RES分组的计时器。如果节点接收到1170对应的SYNC-RES分组，则节点如下地计算1145与SYNC-START发送器的时钟的时钟偏差：

偏差＝TR-TP， (3)

其中，TP是节点接收到SYNC-REQ分组的时间，并且TR是发送SYNC-START分组的数据宿或同步的相邻节点接收到SYNC-REQ分组的时间，其中，TR时间包括在SYNC-RES分组中。

在计算出偏差之后，节点确定1150同步过程是否由其主数据宿发起。如果否，则节点存储1155偏差。如果是，则节点将其时钟同步1175至SYNC-START发送器的时钟。在节点同步其时钟之后，节点发送1180SYNC-START分组以使其邻居继续同步过程。

如果被动同步节点1170在等待时段内未接收到SYNC-RES分组，则节点重新开始同步1171。如果执行被动同步的节点接收到多对SYNC-REQ与SYNC-RES，则节点可以使用这些对来提高时钟准确度。

如果节点在同步时段所存在的同步间隔内未接收到与其主数据宿或次数据宿相对应的任何同步相关的分组，则节点可以广播Sync_Seq被设置为0的SYNC-REQ分组。一旦接收到Sync_Seq等于0的SYNC-REQ分组，在当前的同步时段中执行同步的相邻节点可以用SYNC-RES分组来响应以使请求节点执行主动同步。

图12A和图12B是同步过程的示例。如图12A所示，为了开始同步过程，数据宿S广播1210SYNC-START分组。一跳邻居N1至N5在数据宿S覆盖范围1220内。因此，节点N1至N5接收SYNC-START分组。一旦接收到SYNC-START分组，一跳邻居N1执行与数据宿S的主动同步，并且一跳邻居N2执行与数据宿S的被动同步。

在图12B中，节点N1执行与数据宿S的主动同步。节点N1生成SYNC-REQ分组并向数据宿S发送1230S SYNC-REQ分组。在节点N1的覆盖范围1240内，存在四个节点S、N2、N6和N7。因此，这四个节点可以接收节点N1发送的SYNC-REQ分组。

响应于接收到SYNC-REQ分组，数据宿S生成SYNC-RES分组，并且将SYNC-RES分组发送1250回至节点N1。节点N1至N5可以接收数据宿S发送的SYNC-RES。一旦接收到SYNC-RES分组，节点N1将其时钟同步至数据宿S的时钟。然后，节点N1发送1210SYNC-START分组以使其邻居执行同步过程。在该示例中，节点S、N2、N6和N7可以接收节点N1发送的SYNC-START分组。然而，在该示例中，节点N2可以执行与宿S的被动同步。即使节点N6和N7可以接收到节点N1发送的SYNC-REQ分组，节点N6和N7也不能接收到数据宿S发送的SYNC-RES分组。结果，节点N6和N7不能执行与数据宿S的被动同步。取而代之，节点N6和N7中的一个可以与节点N1执行主动同步，并且另一个可以与节点N1执行被动同步。

当节点N1向数据宿S发送1220SYNC-REQ分组时，节点N2接收到1260这个SYNC-REQ分组。如图12A所示，节点N2还接收到数据宿S广播的SYNC-START分组。因此，节点N2可以通过监控SYNC-RES分组来执行被动同步。节点N2记录接收到由节点N1发送的SYNC-REQ分组的时间TP，并且启动等待SYNC-RES分组的计时器。节点N2接收1270SYNC-RES等待时段内由数据宿S发送至节点N1的SYNC-RES分组，并且将其时钟同步至数据宿S的时钟。在一些实施方式中，节点的第一优选是执行被动同步以减小通信开销。

图13A至图13F示出了各个消息的流。如图13A所示，DIO消息由宿节点1310发起并且通过网络传播1320。图13B示出了DAO消息流1330的流的示意图，其中，DAO消息由非宿节点1325生成并且流向宿节点1310。图13C示出了由宿节点1310发起并且通过网络传播1340的SYNC-START消息流1340的示意图。

图13D示出了SYNC-REQ 1351和SYNC-RES 1353消息的发送。不同步节点N2 1358生成SYNC-REQ消息1351并且向同步的节点N1 1350发送消息1351。节点1350用SYNC-RES消息1353回复。相邻节点N3听到这两个消息1351和1353并且可以执行被动同步。

图13E示出了宿-切换1372和切换-延迟1376消息的发送，其中，为了切换宿，节点N1向其相邻节点1374广播宿-切换消息1372。相邻节点N2 1378不期望节点N1做即时宿切换，并且因此向节点N1发送切换-延迟消息1376。

图13F示出了数据分组1380的流的示意图，数据分组1380由非宿节点1325生成并且流向宿节点1310，宿节点1310然后向数据中心1385转发该数据分组。

本发明的上述实施方式可以以很多方式中的任一个实现。例如，可以使用硬件、软件或它们的组合实现这些实施方式。当以软件实现时，可以在无论在单个计算机中提供或在多个计算机中分布的任何合适的处理器或多个处理器上执行软件代码。这些处理器可以实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多个处理器。尽管如此，可以以任何合适的格式使用电路实现处理器。处理器可以连接至本领域已知的存储器、收发器和输入/输出接口。

此外，在本文中概述的各种方法和过程可以被编码为可在采用各种各样的操作系统或平台中的任一个的一个或更多个处理器上执行的软件。另选地或附加地，除了诸如信号的计算机可读存储介质，本发明可以具体实现为计算机可读介质。

术语“程序”或“软件”在此在一般的意义上使用以表示可被采用以对计算机或其它处理进行编程以执行如上述的本发明的各个方面的任何类型的计算机代码或计算机可实行指令的集合。

在权利要求中使用以修饰要求保护的元件的诸如“第一”、“第二”的序数词其本身不意味着任何优先权、优先级、或一个要求保护的元件相对于另一个要求保护的元件的顺序或执行方法的步骤的时间顺序，而是仅作为标记以使具有特定名称的一个要求保护的元件与具有相同名称(但是为序数词的使用)的另一元件区分开以区分要求保护的元件。

Claims

1.一种在节点被组织成面向目的地的有向无环图(DODAG)拓扑的无线网络中使节点同步至数据宿的方法，该方法包括：

从所述数据宿向所述节点发送增强的DODAG信息对象(DIO)消息；

从所述节点向所述数据宿发送增强的目的地通告对象(DAO)消息；

确定所述节点接收到相邻节点发送的分组的第一时间；

确定所述数据宿或同步的相邻节点接收到所述相邻节点发送的所述分组的第二时间；

基于所述第一时间与所述第二时间之间的差，使所述节点同步至所述数据宿；

所述节点接收所述相邻节点响应于接收到所述数据宿或所述同步的相邻节点发送的SYNC-START分组而发送的SYNC-REQ分组；

所述节点接收所述数据宿或所述同步的相邻节点响应于接收到所述SYNC-REQ分组而发送的SYNC-RES分组；

基于所述节点接收到所述SYNC-REQ分组的时间和所述数据宿或所述同步的相邻节点接收到所述SYNC-REQ分组的时间，确定所述节点的时钟与所述数据宿的时钟之间的偏差；以及

基于所述节点的时钟与所述数据宿的时钟之间的所述偏差，使所述节点同步至所述数据宿。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

根据下式确定所述节点的时钟与所述数据宿的时钟之间的所述偏差，

偏差＝TR-TN

其中，TN是所述第一时间，并且TR是所述第二时间；以及

根据所述偏差，使所述节点的时钟与所述数据宿的时钟同步。

3.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

确定所述数据宿是主数据宿还是次数据宿；以及

如果所选择的数据宿是所述主数据宿，则基于所述偏差使所述节点的时钟与所述数据宿的时钟同步；以及

如果所选择的数据宿是所述次数据宿，则在所述节点处存储所述偏差。

4.一种用于形成被组织成面向目的地的有向无环图(DODAG)拓扑的无线网络的节点，该节点包括：

时钟；

接收器，所述接收器用于接收相邻节点响应于接收到数据宿或同步的相邻节点发送的SYNC-START分组而向所述数据宿或者向所述同步的相邻节点发送的SYNC-REQ分组，并且用于接收所述数据宿或所述同步的相邻节点响应于接收到所述SYNC-REQ分组而发送的SYNC-RES分组；以及

处理器，所述处理器用于使用时钟来确定所述节点接收到所述SYNC-REQ分组的第一时间，并且使用所述SYNC-RES分组来确定所述数据宿或所述同步的相邻节点接收到所述SYNC-REQ分组的第二时间，并且用于基于所述节点接收到所述SYNC-REQ分组的时间和所述数据宿或所述同步的相邻节点接收到所述SYNC-REQ分组的时间，确定所述节点的时钟与所述数据宿的时钟之间的偏差，使得所述处理器基于所述偏差将所述节点同步至所述数据宿或同步至所述同步的相邻节点。

5.根据权利要求4所述的节点，其中，所述处理器执行所述节点的时钟与所述数据宿的时钟的同步。

6.根据权利要求4所述的节点，其中，所述处理器执行所述节点的时钟与所述数据宿的时钟的同步，并且确定所述节点的时钟与所述网络中的第二数据宿的时钟之间的时钟偏差，该节点还包括：

存储器，所述存储器用于存储所述时钟偏差；以及

发送器，所述发送器用于在不更新所述同步的情况下向所述数据宿和所述第二数据宿进行数据分组的同步发送。

7.根据权利要求6所述的节点，其中，所述存储器存储使所述节点与一组数据宿同步的一组时钟偏差。

8.根据权利要求6所述的节点，其中，所述发送器向所述数据宿发送所述数据分组，在控制时段内广播宿切换分组，并且除非响应于所广播的宿切换分组而在同步时段内接收到切换延迟请求分组，否则向所述第二数据宿发送所述数据分组。