CN107113688B - 用于无线收发器的简单网格网络 - Google Patents

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Abstract

在所描述的示例中，一种操作网络的节点的方法包括接收具有带有多个地址的报头的数据帧(500)。该节点确定多个地址中的第一地址是否是该节点的后代(506)的地址以及多个地址中的第二地址是否是该节点的父地址(502)。如果是，则响应于该确定，该节点将多个地址中的第二地址改变为其自身地址(512)。然后，该节点将数据帧(514)发送到节点的至少一个后代。

Description

用于无线收发器的简单网格网络
技术领域
本申请总体涉及无线网络通信系统，并且更具体地涉及向后兼容现有IEEE802.11标准的简化网格网络协议。
背景技术
无线网络是一种类型的无线通信系统，其中至少一个无线收发器必须接收和处理其自己的数据，并且还用作网络中的其它无线收发器的中继。该网络可以是简单的网格网络、网络范围扩展器或其它相当的网络系统。这可以通过无线路由协议来实现，其中通过从收发器到收发器的跳跃而在网络内传播数据帧，以将数据帧从源节点发送到目的地节点。无线节点可以是无线接入点(AP)，诸如无线路由器、移动电话或能够访问无线局域网(WLAN)的计算机。在诸如物联网(IoT)应用的其它应用中，无线节点可以是外部安全监视器、房间监视器、火灾或烟雾检测器、气象站或用于家庭或商业环境的其它WLAN应用。
实际的网格网络必须为所有无线节点保持连续的网络路径。这需要可靠的网络形成，围绕断开或中断的网络路径进行重新配置，以及优先路由，以确保数据帧沿着短而可靠的网络路径从源行进到目的地。
图1示出了可以附加到用于无线网络通信的IEEE 802.11数据帧的示例媒体访问控制(MAC)报头。所有帧中都存在前三个字段(帧控制、持续时间/ID和地址1)以及帧校验序列(FCS)字段。其余字段仅存在于某些帧类型和子类型的帧中。四个地址字段用于指示基本服务集标识符(BSSID)、源地址(SA)、目的地地址(DA)、发送站(STA)地址(TA)和接收STA地址(RA)。
中等规模至大规模的802.11兼容网格网络至少使用这四个地址来发送网格内的标准、控制和管理帧。它们适于以牺牲电源和协议复杂性为代价来提供高容量和带宽。然而，许多IoT节点通过相对小的帧进行通信，而不需要高速或带宽。它们可能具有有限的存储器和计算能力。此外，它们可能是电池供电的，所以功耗是重要的问题。
尽管常规网络建议在无线网络通信中提供稳定的改进，但IoT网格网络协议的进一步改进是可能的。
发明内容
在无线通信系统中操作网络的节点的方法的第一示例实施例中，该方法包括接收具有带有多个地址的报头的下行链路数据帧。该节点确定多个地址的第一地址是否是该节点的后代地址，并且确定多个地址的第二地址是否是节点的父节点的地址。该节点响应于所述确定将第二地址改变为其自己的地址，并将数据帧发送到至少一个后代节点。
在无线通信系统中操作网络的节点的方法的第二示例实施例中，该方法包括接收具有带有多个地址的报头的上行链路数据帧，并且确定多个地址的第一地址是否为该节点的地址。该节点响应于所述确定将第一地址改变为节点的父节点的地址，并且将数据帧发送到节点的父节点。
附图说明
图1是IEEE 802.11媒体访问控制(MAC)报头的图。
图2是示出示例实施例的简单网格网络的形成的流程图。
图3是示出当新的无线节点进入示例实施例的简单网格网络时的网格发现的流程图。
图4是示出具有上行链路确认(ACK)的下行链路(DL)通信的简单网格网络的图。
图5是示出图4的简单网格网络的操作的流程图。
图6是示出具有下行链路确认(ACK)的上行链路(UL)通信的简单网格网络的图。
图7是示出图6的简单网格网络的操作的流程图。
图8是示出当接收单播或多播下行链路(DL)帧时简单网格网络的操作的流程图。
图9是示出当发送单播上行链路(UL)帧时的简单网格网络的操作的流程图。
具体实施方式
图2的流程图示出了如图4和图6所示的示例实施例的简单网格网络的形成。在这里并且在下面的讨论中，该简单网格网络可以是无线节点的任何网络，以包括能够进入网络的范围扩展器或其它无线装置。该简单网格网络优选地由接入点(AP)向下直到每个网络中继节点(MRN1，MRN2)和网格叶节点(MLN)形成。AP可以是提供互联网接入的标准、专有或其它网络节点。AP也可以连接到用于互联网接入的无线局域网(WLAN)。当希望加入网格的无线节点启动站点扫描200时，该过程开始。然后，该无线节点接收指示当前在网格网络中的所有无线节点的基本服务集(BSS)列表202。该无线节点通过加权得分(诸如信号强度204)对BSS列表进行分类，并选择最佳得分父节点206。然后，该无线节点作为所选择的父节点的后代加入网格，并将其自身深度设置为所选择的父节点的深度加上1。
图3的流程图示出了当新的无线节点进入图4和图6的无线网络时的网格发现。希望进入现有网格的无线节点将启动站点扫描300并发送AP探测请求302。接收探测请求的网格中的每个MRN或MLN将确定接收到的探测的信号强度指示符(RSSI)。无线节点可以确定RSSI是否高于可接受的阈值并且确定是否存在信息元素(IE)304。如果不是，则该过程结束310。如果存在IE，则无线节点将等待相应的随机延迟周期306并发送探测响应308，类似于AP探测响应。由于来自多个响应者的短期启动的隐藏节点效应的高概率或随后的MRN探测响应308将与延迟的AP响应相冲突，该随机延迟降低了探测响应冲突的风险。无线节点选择具有最佳分数的AP或MRN。当无线节点通过MRN发送其认证时，MRN注册网络中的无线节点。然后所选择的AP或MRN可以在整个网格中通告该注册，以避免多次注册。
参考图4的图，示例实施例的简单网格网络示出了具有上行链路确认(ACK)的下行链路(DL)通信。为了说明的目的，该图被简化。更多的网格中继节点(MRN)和网格叶节点(MLN)在实际网络中是可能的。该简单网格网络说明接入点(AP)和网络节点或后代之间的几种可能的通信路径。AP也可以连接到用于互联网接入的无线局域网(WLAN)。在第一路径1a中，AP直接与网格中继节点MRN1进行通信，并且通过路径2直接确认(ACK)通信。在第二路径1b中，AP直接与网格中继节点MRN2通信，并且经由顺序路径4和2间接确认通信。在第三路径lc中，AP与网格叶节点MLN直接通信，并且经由顺序路径6、4和2间接确认通信。在每种情况下，BSSID都被设置为直接父节点地址，使得目的地节点将仅确认直接从其父节点接收的帧。此外，接收目的地节点(MRN或MLN)将仅确认(ACK)接收具有设置为已注册的后代节点的地址或其自身站点(STA)地址的ADDR1的帧。这有利地避免了对多个祖先的确认之间的冲突。
参考图5的流程图解释图4的简单网格网络的操作。如前所述，下行链路(DL)传输可以遵循直接路径或通过中继节点的间接路径。根据示例实施例的间接通信相对于现有的802.11标准通过修改每个中继节点处的单个地址而被显著地简化。在操作中，首先在步骤500处由MRN1(1a)从AP接收DL帧。目的地地址DA(ADDR1)指向MLN。父节点地址(ADDR2)指向AP，并且ADDR3被设置为源地址SA。根据ADDR2中的基本服务集标识(BSSID)地址，MRN1确定该帧是否源自其基本服务集(BSS)的节点502。如果不是，则在步骤508处忽略或舍弃该帧。然而，如果该帧源自于BSS内，则MRN1在步骤504处通过将ADDR1与其站点(STA)地址进行比较来确定它是否是最终目的地节点。如果MRN1是最终目的地节点并且该帧被加密，则MRN1使用接入点(AP)地址对该帧进行解密510。因为ADDR1指向MLN，所以MRN1不保留该帧。在步骤506处，MRN1确定ADDR1是否是有效的后代地址。ADDR1指向MLN，其为MRN1的注册后代。因此，MRN1将ADDR2(BSSID)改变到其自己的地址512，并将帧发送或转发514到至少一个后代节点。MRN1构造确认(ACK)帧，并将接收站点地址(RA)设置为AP。MRN1向AP(2)发送ACK。然后在步骤516处完成第一传输。
在节点MRN2处重复该过程。在步骤500处由MRN2(3)从MRN1接收DL帧。目的地地址DA和源地址SA保持不变。ADDR2(BSSID)现在指向MRN1。MRN2根据BSSID确定该帧源自其BSS的节点502。该帧源自于BSS内，因此MRN2在步骤504处通过将ADDR1与其自己的STA地址进行比较来确定它不是最终目的地节点。如果MRN2是最终目的地节点并且该帧被加密，则MRN2使用接入点(AP)地址作为解密过程的BSSID输入来解密该帧510。因为ADDR1指向MLN，所以MRN2不保留该帧。MRN2在步骤506处确定ADDR1(MLN)是有效的后代地址。因此，MRN2将ADDR2(BSSID)改变到其自己的地址512，并将帧发送或转发514到MLN。MRN2构建ACK帧并将RA设置为MRN1。MRN2向MRN1(4)发送ACK。然后在步骤516处完成第二传输。
当在步骤500处由MLN(5)从MLN2接收到DL帧时，完成最终传输。目的地地址DA和源地址SA保持不变。ADDR2(BSSID)现在指向MRN2。MLN根据BSSID确定该帧源自其BSS的节点502。在步骤504处，MLN通过将ADDR1与其自己的STA地址进行比较来确定它是最终目的地节点。如果该帧被加密，则在处理该帧之前，MLN使用接入点(AP)地址作为解密过程的BSSID输入来解密该帧510。MLN构造ACK帧并将RA设置为MRN2。MLN将ACK帧发送到MRN2(6)。然后最终传输完成并在步骤516处结束。
这种简单的网格网络相比现有的802.11标准具有几个优点。首先，网格网络简单性由一对多或多对一分发系统(DS)来维持。这对于具有有限计算能力和存储器的“小占地面积”的IoT装置特别有利。第二，每个MRN维持现有后代的扁平列表，并作为后代的虚拟AP。因此，MRN不需要维持后代如何被安排的知识。第三，每个中继节点将DL帧转发到其所有的后代，其自己的地址设置在BSSID(ADDR2)中而不是像802.11标准中那样设置为AP。这确保仅遵循沿着树的正确的网格布线路径。第四，不需要在帧中间进行操纵，诸如像802.11那样添加第四个地址。这避免了复制帧的一部分或重新分配资源的需求。第五，帧加密和地址验证确保了从AP到MLN的端到端安全性。第六，不需要特殊的网格路由消息。第七，保持向后兼容性，使得由任何标准AP操作的现有BSS部署可以从简单的网格解决方案中受益。最后，固有的网络简单性降低了每个中继节点处的计算开销、计算时间和功率。
图6是示出具有下行链路确认(ACK)的上行链路(UL)通信的示例实施例的简单网格网络的图。为了说明的目的，该图被简化。简单网格网络说明接入点(AP)和网络节点或后代之间的几种可能的通信路径。在第一路径1中，MLN直接与网格中继节点MRN2通信，并且通过路径2a直接确认(ACK)通信。在第二路径1/3中，MLN经由MRN2与网格中继节点MRN1间接通信，并且通过路径2B从MRN1到MLN直接确认通信，或经由顺序路径4a和2a间接确认通信。在第三路径1/3/5中，MLN与AP间接通信，并且通过路径2c从AP到MLN直接确认通信，或者经由顺序路径6、4a和2a-2c的某些组合间接确认通信。
参考图7的流程图解释图6的简单网格网络的操作。如前所述，上行链路(UL)传输可以遵循直接路径或通过中继节点的间接路径。根据示例实施例的间接通信相对于现有的802.11标准通过修改每个中继节点处的单个地址而被显著地简化。在操作中，首先在步骤700处由MRN2通过路径1从MLN接收UL帧。父地址ADDR1(BSSID)指向MRN2。源地址(ADDR2)被设置为MLN，并且ADDR3被设置为目的地地址DA。在步骤702处，MRN2通过比较ADDR1与其站点(STA)地址(即MRN2)来确定该帧是否来自后代。为了安全和连接目的，MRN2在步骤704处确定ADDR2是否是有效的后代。如果不是，MRN2确定该帧是否是认证(AUTH)712。如果不是AUTH，则MRN2舍弃帧710。否则，MRN2注册新的后代714并转发UL帧708。然而，如果ADDR2是注册后代704或认证帧，则MRN2将ADDR1(BSSID)更改为其父地址MRN1(BSSID)706，并将帧发送或转发708到其父节点。MRN2构建确认(ACK)帧并设置接收站地址(RA)为MLN。MRN2向MLN(2a)发送ACK。然后在步骤712处完成第一UL传输。
当在步骤700处由MRN1(3)从MRN2接收到UL帧时，重复该过程。目的地地址DA和源地址SA保持不变。ADDR1(BSSID)现在指向MRN1。MRN1根据BSSID(ADDR1)确定它是适当的接收者702。为了安全和连接目的，MRN1在步骤704处确定ADDR2是否是有效的后代。如果不是，则MRN1确定该帧是否为AUTH 712。如果不是AUTH，则MRN1舍弃帧710。否则，MRN1注册新的后代714并转发UL帧708。然而，如果ADDR2是注册后代704或认证帧，则MRNl将ADDR1(BSSID)更改为其父地址AP(BSSID)706，并将帧发送或转发708到其父节点。MRN1构建ACK帧并将RA设置为MRN2。MRN1可以将ACK帧直接发送到MLN(2b)。该帧中包含某一深度，从而忽略从父节点以外接收到的ACK帧。然后在步骤710处完成第二UL传输。
当在步骤700处由APN(5)从MRN1接收到UL帧时，重复最终UL传输。目的地地址DA和源地址SA保持不变。ADDR1(BSSID)现在指向AP。AP根据BSSID(ADDR1)确定它是正确的接收者702。然后，AP将UL帧转发到无线局域网(WLAN)。AP构建ACK帧并将RA设置为MLN。AP可以将ACK帧直接发送到MLN(2c)。该帧中包含某一深度，从而忽略从父节点以外接收到的ACK帧。
先前讨论的关于DL通信的优点也存在于UL通信中。首先，网格网络简单性由一对多或多对一分发系统(DS)来维持。这对于具有有限计算能力和存储器的“小占地面积”的IoT装置是特别有利的。第二，每个MRN维持现有后代的扁平列表，并作为后代的虚拟AP。因此，MRN不需要维持后代如何被安排的知识。第三，每个中继节点将UL帧转发到其父节点，其父地址设置在BSSID(ADDR1)中而不是像802.11标准中那样设置为AP。这可以确保仅遵循沿着树的正确的网格布线路径。第四，不需要在帧中间进行操纵，诸如像802.11那样添加第四个地址。这避免了复制帧的一部分或重新分配资源的需求。第五，帧加密和地址验证确保了从MLN到AP的端到端安全性。第六，不需要特殊的网格路由消息。新的后代使用标准AUTH管理帧进行注册。第七，保持向后兼容性，使得由任何标准AP操作的现有BSS部署可以从简单的网格解决方案中受益。最后，固有的网络简单性降低了每个中继节点的计算开销、计算时间和功率。
接下来参考图8的流程图，其用单播或多播DL传输来解释图4的简单网格网络的操作。如前所述，下行链路(DL)传输可以遵循直接路径或通过中继节点的间接路径。根据示例实施例的间接通信相对于现有的802.11标准通过修改每个中继节点处的单个地址而显著地简化。在操作中，接入点(AP)800从无线局域网(WLAN)接收DL帧。AP 800使用AP地址来对该帧进行加密，作为用于加密过程的BSSID输入，并发送DL帧。无线简单网格节点接收DL帧802，并根据基本服务集标识(BSSID)地址确定该帧是否源自其基本服务集(BSS)的节点804。如果不是，则在步骤816处忽略或舍弃该帧。如果该帧源自于BSS内，则该节点在步骤806处通过将接收地址(RA)与其站点(STA)地址进行比较来确定其是否是最终目的地节点。如果该节点是最终目的地，则它利用AP地址对DL帧进行解密818并保留解密的帧814。该节点也构建确认(ACK)帧并将接收地址RA设置为发送地址(TA)824。然后该节点将ACK帧发送到TA地址。
在步骤806处，该节点确定DL帧是否是多播帧。如果是，则该节点使用AP地址而不是BSSID作为解密过程的输入来解密DL帧818。该节点还将DL帧发送地址(TA)设置到其自己的站点(STA)地址820，并将帧发送或转发822到至少一个后代节点。然后在步骤814处完成该过程。
如果该节点不是最终接收者，则该节点在步骤810处确定RA是否为注册的后代节点地址。如果不是，则该节点舍弃或忽略该帧816。然而，如果RA是注册后代的地址，则该节点构造确认(ACK)帧并将接收地址RA设置为发送地址(TA)824。然后该节点将ACK帧发送到TA地址。该节点还将DL帧发送地址(TA)设置为其自己的站点(STA)地址820，并将帧发送或转发822到至少一个后代节点。然后在步骤814处完成该过程。
图9是示出具有单播UL传输的图6的简单网格网络的操作的流程图。如前所述，上行链路(UL)传输可以遵循直接路径或通过中继节点的间接路径。根据示例实施例的间接通信相对于现有的802.11标准通过修改每个中继节点处的单个地址而显著地简化。在操作中，MLN 900构造上行链路(UL)帧，并使用AP地址对该帧进行加密，作为用于加密过程的BSSID输入。MLN将BSSID设置为其父地址并发送UL帧。无线简单网格节点接收UL帧902，并根据基本服务集标识(BSSID)地址确定该帧是否源自其基本服务集(BSS)的节点904。如果不是，则在步骤910处忽略或舍弃该帧。然而，如果该帧源自于BSS内，则该节点也构造确认(ACK)帧，并将接收地址RA设置为发送地址TA 906。然后该节点将ACK帧发送到起始节点。该节点可以确定它是否仅是网格叶节点(MLN)而不是中继节点。如果是，则舍弃帧910。如果不是，则该节点将BSSID设置为其父地址912并转发UL帧914。然后在步骤916处完成该过程。
在所描述的实施例中，修改是可能的，并且在权利要求的范围内，其它实施例是可能的。

Claims (16)

1.一种操作网络的节点的方法，所述方法包括：
接收具有报头的数据帧，所述报头具有目的地地址、父地址和源地址；
确定所述目的地地址是否是所述节点的地址；
确定所述目的地地址是否是后代节点的地址；
响应于确定所述目的地地址不是所述节点的地址而是后代节点的地址，将所述父地址改变为所述节点的地址，所述目的地地址和所述源地址保持不变；以及
将所述数据帧发送到所述节点的至少一个后代。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括：
将确认帧的接收者地址设置为所述节点的父节点的地址；以及
将所述确认帧发送到所述节点的所述父节点。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述节点仅确认接收到来自其直接父节点的数据帧。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收包括接收下行链路帧。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述下行链路帧被加密，并且其中最终目的地节点用接入点地址即AP地址解密所述下行链路帧。
6.一种操作网络的节点的方法，所述方法包括：
接收具有报头的数据帧，所述报头具有目的地地址、父地址和源地址；
确定所述父地址是否是所述节点的地址；
确定所述源地址是否是所述节点的后代的地址；
如果所述父地址是所述节点的地址，并且所述源地址不是所述节点的后代的地址，则登记新的后代；
响应于确定所述父地址是所述节点的地址并且所述源地址是所述节点的后代的地址，将所述父地址改变为所述节点的父节点的地址，所述目的地地址和所述源地址保持不变；以及
将所述数据帧发送到所述节点的所述父节点。
7.根据权利要求6所述的方法，其包括：
将确认帧的接收者地址设置为所述节点的后代的地址；以及
将所述确认帧发送到所述节点的所述后代。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述确认帧包括指示所述节点的深度的深度位。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述接收包括接收上行链路帧。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述上行链路帧用接入点地址即AP地址加密，作为用于加密的基本服务集标识输入即BSSID输入。
11.一种操作网络的节点的方法，所述方法包括：
接收具有报头的数据帧，所述报头具有接收地址即RA、父地址和发送地址即TA；
确定所述帧是否在所述节点的基本服务集中；
确定所述帧的接收地址即RA是否是所述节点的后代的地址；
响应于确定所述帧在所述节点的基本服务集中并且所述帧的接收地址即RA是所述节点的后代的地址，将所述帧的发送地址即TA改变为所述节点的地址，所述接收地址和所述父地址保持不变；以及
发送所述数据帧。
12.根据权利要求11所述的方法，其包括：
确定所述数据帧是多播帧；以及
发送所述多播帧。
13.根据权利要求11所述的方法，其包括：
确定RA是否是所述节点的地址；
响应于确定RA是否是所述节点的地址，将RA改变为确认帧的发送地址即TA；以及
将所述确认帧发送到所述节点的父节点。
14.根据权利要求11所述的方法，其包括：
确定RA是否是所述节点的后代；
响应于确定RA是否是所述节点的后代，将所述数据帧的发送地址即TA改变为所述节点的地址；以及
将所述数据帧发送到所述节点的至少一个后代。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述数据帧是单播数据帧和多播数据帧之一。
16.根据权利要求11所述的方法，其包括：
接收具有带有多个地址的报头的上行链路数据帧即UL数据帧；
确定所述UL帧是否在所述节点的基本服务集中；
将所述UL帧的基本服务集标识改变为所述节点的父节点的地址；以及
将所述UL帧发送到所述节点的所述父节点。
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