CN108289051A - 在网状网络中进行时序排程的方法 - Google Patents
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Abstract
一种进行时序排程的方法，用于一网状网络中的一第一无线节点，该方法包括：广播一同步封包，其中，该同步封包包含有一信息组件，用来指示一时间周期的时间长度及一启始期间的开始时间及结束时间，以及该第一无线节点仅在该时间周期中的启始期间，监听用于数据传送及接收的一实体信道；其中，接收到该同步封包的该网状网络中的其他无线节点遵从该同步封包所指示的时间排程。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种用于无连接式网状网络的方法，特别涉及一种在网状网络中进行时序排程的方法。
【背景技术】
网状网络(mesh network)是一种通讯网络，其透过网状拓扑下的多个无线节点组成。网状网络可经由无线局域网络标准IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、蜂巢式通讯系统(cellular technologies)、蓝牙、紫蜂(Zigbee)及低功率蓝牙等无线通信技术来实现，但不限于以上所述之通讯技术或通讯协议。网状网络近期被应用在物联网(Internetof Things，IoT)装置间的连接，这使得网状网络的建构方式更为简单，且能节省成本。
图1为现有的一网状网络封包传送的示意图。网状网络包含有多个无线节点(如无线通信装置)，其中每一个无线节点可在有效范围内与其他无线节点进行无线通信。网状网络采用的封包传送方式为每一个无线节点会转播其收到的数据封包，直到网状网络中所有的无线节点都收到此数据封包。举例来说，无线节点101传送一数据封包，此数据封包在无线节点101的广播范围内的无线节点102及103接收到。接着，无线节点103转播从无线节点101接收到的数据封包，因此，即使在无线节点101广播范围外的无线节点104也可以接收到此数据封包。以此类推，无线节点101所传送的数据封包能传送到目的地的无线节点108。
然而，现存的封包传送操作有其缺失。由上述可知，在传送路径上的所有无线节点是在非时序同步的情况下，进行数据封包广播，因而造成封包碰撞，使得无线节点无法接收到正确的封包。为了避免封包碰撞，请参见图2，详细说明如下。时间被分成多个时间区间，在本文中称为时间周期，以及每个无线节点(如图2中的传送节点TX Node 1及TX Node 2)会在每个时间周期，随机广播封包或回放相同的封包。这种随机且重复回放的程序可确保封包会成功的传送给其他无线节点。然而，由于每个无线节点不知道其他无线节点何时会广播封包，因此所有的无线节点(如图2中的接收节点RX All Nodes)需持续监听实体信道，以从其他无线节点接收信令，避免数据封包遗失。但是，持续监听的操作方式会大大的增加无线节点的耗电。
另一方面，在较短的时间周期情况下，随机广播的机制会造成更高的封包碰撞机发生。值得注意的是，这种缺失在相同区域中，若存在有大量的无线节点的情况下，会更为严重。为了改善此缺失，时间周期被延长，以使无线节点能在足够的时间中随机广播，藉以避免封包碰撞。然而，越多的无线节点，则需要越长的时间周期，造成长时间的封包延迟。
【发明内容】
因此，本发明的主要目的即在于提供一种用于网状网络中进行时序排程，以解决上述问题。
本发明公开一种进行时序排程的方法，用于一网状网络中的一第一无线节点，该方法包括：广播一同步封包，其中，该同步封包包含有一讯息组件，用来指示一时间周期的时间长度及一启始期间的开始时间及结束时间，以及该第一无线节点仅在该时间周期中的启始期间，监听用于数据传送及接收的一实体信道；其中，接收到该同步封包的该网状网络中的其他无线节点依照该同步封包所指示的时间排程。
本发明另公开一种进行时序排程的方法，用于一网状网络中的一第二无线节点，该方法包括：从该网状网络中的一第一无线节点，接收一同步封包，其中，该同步封包包含有一信息组件，用来指示一时间周期的时间长度及一启始期间的开始时间及结束时间；遵从该同步封包所指示的时间排程，其中，该第二无线节点仅在该时间周期中的该启始期间，监听用于数据传送及接收的一实体信道；以及广播该同步封包。
【附图说明】
图1为已知一网状网络封包传送的示意图。
图2为已知一网状网络的时序排程的示意图。
图3为本发明实施例一通讯装置的示意图。
图4为本发明实施例一时序排程的示意图。
图5为本发明实施例一流程的示意图。
图6～7为本发明实施例一时序同步操作的示意图。
图8为本发明实施例一协调式时序同步操作的示意图。
图9为本发明实施例一网状网络群组的示意图。
图10为本发明实施例一网状网络群组配置的时间周期中一启始期间的示意图。
图11为本发明实施例一网状网络子群组重新链接主要群组网状网络的示意图。
图12为本发明实施例一跨群组数据传送的示意图。
图13为本发明实施例一网状网络群组的系统功能的示意图。
图14为本发明实施例一根据树状路由表的封包传送的示意图。
其中的附图标记说明如下：
| 30 | 通讯装置 |
| 310 | 储存单元 |
| 314 | 程序代码 |
| 320 | 通讯接口单元 |
| 300 | 处理装置 |
| 50 | 流程 |
| 500～520 | 步骤 |
| 101～108、201～203 | 无线节点 |
| G1～G5 | 网状网络群组 |
| F1～F5 | 上层网状网络群组 |
| X | 启始期间 |
| Y | 时间周期 |
| a | 传送时间 |
| TX Node 1、TX Node 2 | 传送节点 |
| RX All Nodes | 接收节点 |
| Z | 启始区间 |
【具体实施方式】
图3为本发明实施例一通讯装置30的示意图。通讯装置30可为图1所示的无线节点，其包含一处理装置300、一储存单元310及一通讯接口单元320。处理装置300可为一微处理器或一特定应用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)。储存单元310可为任一数据储存装置，用来储存一程序代码314，并透过处理装置300读取及执行程序代码314。举例来说，储存单元310可为用户识别模块(subscriber identity module，SIM)、只读式内存(read-only memory，ROM)、闪存(flash memory)、随机存取内存(无线存取网络dom-access memory，RAM)、光盘只读存储器(CD-ROM/DVD-ROM)、磁带(magnetictape)、硬盘(hard disk)及光学数据储存装置(optical data storage device)等，而不限于此。通讯接口单元320可为一无线收发器，其根据处理装置300的处理结果，与另一通讯装置交换无线讯号。
图4为本发明实施例一时序排程的示意图。为了节省电力，网状网络中的无线节点被配置一「时间周期」，以及时间周期包含有「启始期间」及「睡眠期间」。无线节点只在启始期间进行接收及传送功能。然而，现有技术尚未提出无线节点时序同步的方法，因此网状网络中的无线节点无法利同此时序排程机制来相互传送及接收封包。
请参考图5，图5为本发明实施例一流程50的流程图。流程50可用于图3中的通讯装置30，用来进行时序排程操作。流程50可被编译成程序代码314，储存于储存单元310中，其包含以下步骤：
步骤500：开始
步骤510：广播一同步封包，其中该同步封包包含有一信息组件，用来指示一时间周期的时间长度及一启始期间的开始时间及结束时间，以及该第一无线节点仅在该时间周期中的启始期间，监听用于数据传送及接收的一实体信道。
步骤520：结束。
根据流程50，无线节点广播包含有启始期间、睡眠期间及时间周期的时间信息的同步封包。另一方面，其他接收到同步封包的无线节点会遵守同步封包所指示的时序排程。换句话说，接收到同步封包的无线节点会和广播同步封包的无线节点，具有相同的启始期间、睡眠期间及时间周期，以实现时序同步的目的。
图6为本发明实施例一时序同步运作的示意图。当开始建立网状网络时，每个无线节点维持启始状态来监听实体信道。无线节点201可为一管理节点，负责决定时间周期、启始期间及睡眠期间，并广播用来指示关于启始期间的开始时间及结束时间及时间周期长度的「同步封包」。当无线节点202接收到同步封包时，无线节点202会依照同步封包所指示的时序排程，藉以与无线节点201达成同步状态。此外，无线节点202会回放此同步封包，因此，在无线节点201传送范围外的无线节点203仍然可接收到同步封包，进而与无线节点201形成同步状态。
由上述可知，通过网状网络的广播机制，网状网络中的每个无线节点可接收到同步封包，藉以与无线节点201(即管理节点)达成同步状态。
图7为本发明实施例一时序同步操作的示意图。首先，由于无线节点202不知道无线节点201的时间信息，即无线节点202未获得无线节点201的启始期间的时间信息，因此无线节点202会在无线节点201的时间周期Y中的启始期间X，主动广播「同步请求信息」，用来指示无线节点202的启始区间Z的时间信息。启始区间Z的时间信息可为启始区间Z的开始时间及结束时间。由于同步请求信息是周期性的在时间周期Y中的启始期间X内传送，无线节点201一定会在某个时间周期Y中的启始期间X内进入启始状态，并接收到无线节点202的同步请求信息。此外，由于同步请求信息仅包含时间信息，且只需要无线节点201能接收到，因此同步请求信息的传送时间a可小于启始期间X的时间长度，藉以增加睡眠期间的时间长度，以达到省电效果。另一方面，当无线节点201在启始期间X接收到同步请求封包时，无线节点201会在被请求的启始区间Z进入启始状态，以广播「同步响应封包」，其中同步响应封包包含有同步时间信息，如启始期间的开始及结束时间，以及时间周期的长度。由于同步响应封包是在启始期间Z传送，同步回应封包会确保被无线节点202接收到。因此，无线节点202会与无线节点201达成同步。依据上述时序同步操作方式，无线节点202的电力消耗至少可降低(X-a)/X，尤其当无线节点202无法找到无线节点201的情况下，能节省更多电力。
值得注意的是，由于不同的硬件组件，每个无线节点的硬件时钟会不同，因此一段时间之后，各个无线节点的时序排程会不一致。图8为本发明实施例一协调时序同步操作的示意图。无线节点201周期性的传送同步封包，因此每个无线节点可重新与无线节点达成同步状态。只要传送同步封包的时间周期够短，则每个无线节点会在无线节点201的启始期间内启始并接收同步封包，因此时序同步能充分完成运作。同理，无线节点会回放同步封包，并从其他无线节点接收到回放的同步封包。由于每个无线节点的时间差异是随机分布的，通过图8所示的协调同步机制，网状网络的时序排程能达到同步稳定的状态。
图9为本发明实施例一网状网络群组的示意图。网状网络包含大量聚集在相同区域的无线节点。由于大量的无线节点会在相同的启始期间内广播封包，造成严重的封包碰撞情况。为了解决封包碰撞问题，现有技术提出延长启始期间的方法。然而，愈长的启始期间会造成愈大的电力消耗。因此，本发明提出多层式网状网络群组的运作方式。在图9中，多个无线节点集结形成上层网状网络群组F1～F5，以及其他无线节点集结形成多个网状网络群组G1～G5。封包碰撞的机率可透过配置交错的启始期间给每个网状网络群组G1～G5来降低，如图10所示。换句话说，当网状网络群组G1在启始状态时，其他网状网络群组G2～G5会在睡眠状态，因此能避免网状网络群组G1～G5之间的封包碰撞。因此，即使大量的无线节点聚集在相同的区域时，封包碰撞也仅在同一个网状网络群组内的无线节点之间发生。此外，封包碰撞机率可通过限制网状网络群组内的无线节点数量来控制。
在一实施例中，上层网状网络群组中的无线节点会在每个网状网络群组G1～G5的启始期间，进入启始状态，因此能与每个网状网络群组进行传送及接收。换句话说，若上层网状网络群组中的无线节点在特定的网状网络群组的启始期间启始时，则上层网状网络群组中的无线节点也属于此特定的网状网络群组。藉此，当部分的无线节点远离原本的网状网络群组时，上层网状网络群组能作为相同网状网络群组的上层连接。因此，上层网状网络群组能应用在可移动的无线节点场景之下。举例来说，请参见图10及图12。部分网状网络群组G1接近上层网状网络群组F3，因此当原网状网络群组G1在启始状态广播封包时，上层网状网络群组F1会同时在启始状态并传送封包至上层网状网络群组F2～F3。此时，上层网状网络群组F3即可传送封包到达远离原网状网络群组G1的那些无线节点。
除此之外，透过上层网状网络群组，不同的网状网络群组之间可相互进行传送及接收。举例来说，由于网状网络群组G1与网状网络群组G5具有不同的启始期间，因此网状网络群组G1无法与网状网络群组G5沟通。然而，通过上层网状网络群组F1～F4，网状网络群组G1可与链接至上层网状网络群组F4的网状网络群组G5进行通讯。详细来说，网状网络群组G1在启始期间广播数据封包，以及上层网状网络群组F1也在相同的启始期间接收此数据封包。接着，上层网状网络群组F1广播接收到的数据封包，因此上层网状网络群组F2～F4会接收到此数据封包。最后，上层网状网络群组F4在网状网络群组G5的启始期间，广播接收到的数据封包至网状网络群组G5。换句话说，在网状网络群组G1传送数据时，虽然网状网络群组G2～G5是在睡眠期间，但是上层网状网络群组可作为不同网状网络群组之间的链接桥梁，藉以使不同的网状网络群组之间能进行通讯。
在另一实施例中，上层网状网络群组具有自己的启始期间。举例来说，上层网状网络群组与网状网络群组的启始期间不同，但是每个网状网络群组的启始期间的时间总和为整个网状网络的时间周期。
请继续参考图9，其揭示网状网络子群组。网状网络群组G1中的部分无线节点移动到远离原网状网络群组G1的位置。这些无线节点未链接至原网状网络群组G1或任何上层网状网络群组。由于这些无线节点具有相同的启始期间，其仍然会进行封包传送及接收。值得注意的是，虽然当下网状网络子群组中没有任何无线节点是在原网状网络群组G1的射频范围内，但当网状网络子群组中的任一无线节点移动至原网状网络群组G1的射频范围内时，网状网络子群组透过在启始期间内，重复回放的机制，能将保留或已接收到的封包，传送至原网状网络群组G1的无线节点，以重新链接至原网状网络群组G1，如图11所示。
图13为本发明实施例一网状网络群组的系统功能的示意图。如图13所示，2100个无线节点在第3次的回放率为99.5％。在此实施例中，假设最差的情况为网状网络群组内的无线节点同时进行广播。若网状网络群组的无线节点数量为2100，意即没有无线节点被分配群组，在此情况下，启始期间及时间周期皆为4200ms。若网状网络群组的无线节点数量为35，虽然时间周期为4270ms，但启始期间缩小为70ms，因此，可节省(4200-70)/4200＝98％的电力。
此外，若网状网络群组中的无线节点是固定的，一树状路由表可被建立用来简化无线节点的传输路径，藉以避免封包碰撞。通过树状路由表，封包碰撞的避免可在第一次的广播操作下就能实现，藉以避免封包重传的时间浪费。另外，由于封包重传的次数减少，启始期间的长度可降低，并仍旧维持低封包碰撞机率。
详细来说，树状路由表是用于网状网络的广播操作，其目的在于简化数据封包的通讯机制，并将管理节点部分的路由功能转移至网状网络中的每个无线节点，藉以降低传输时间延迟。首先，网状网络中所有的无线节点建立自己的「邻近节点列表」(通过设定睡眠期间＝0)，相关运作流程可参见本发明相同发明人的美国专利申请号15/334,294。简单来说，每个无线节点广播自己的邻近节点列表至管理节点，用来使管理节点建立树状路由表。图14为本发明实施例一根据树状路由表的封包传送的示意图，其中树根可为任一无线节点，通常为集线器装置(Hub)。根据封包传送应用，管理节点可建立以多个树根节点的多个树状路由/路径。
管理节点建立唯一的树状路由表，并传送相同的树状路由表至每个无线节点。树状路由表仅包含每个无线节点的上链路节点信息。由于每个无线节点储存相同的树状路由表，管理节点只需要广播一次即可，并占据少量的带宽。详细来说，树状路由表为数据结构，用来指示上链路节点的标识符，因此树状路由表的数据大小为无线节点的数量*标识符数据大小。以网状网络群组为105个无线节点来说，树状路由表的大小为105*1byte＝105bytes。上述运作方式仅需要一个105bytes大小的封包来传送树状路由表至各个无线节点，因此能轻易实现。
以节点至树根节点传输为例，传送节点112传送封包至目标节点101。首先，当无线节点111接收从无线节点112的封包时，无线节点111依据树状路由表，判断其是否为无线节点112的上链路节点。若是，无线节点111得知此封包是从下链路节点传送，并回放此封包至无线节点103。最后，无线节点103广播接收到的封包至目标节点101。同时，无线节点110也会从传送节点112接收到封包，然而，无线节点110依据树状路由表，知道自己不是无线节点112的上链路节点，因此无线节点1102不会回放此封包。由上述可知，通过树状路由表，回放操作造成的封包碰撞机率可降低。
简单来说，由于节点至树根节点的路径只有一个，且每个无线节点只会在其为上链路节点时回放封包，因此传送节点可将接收到的回放封包视为收讫确认封包。当无线节点接收到收讫确认封包时，其知道上链路节点已成功接收到封包，因此传送封包会停止重复回放相同的封包，藉以避免封包碰撞并节省电力。
除此之外，当每个无线节点保持一树状路由表，并用以判断是否进行封包回放，多个树根节点的多个树状路径可被实现。
上述所有步骤，包含所建议的步骤，可通过硬件、轫体(即硬件装置与计算机指令的组合，硬件装置中的数据为只读软件数据)或电子系统等方式实现。硬件可包含模拟、数字及混合电路(即微电路、微芯片或硅芯片)。电子系统可包含系统单芯片(system onchip，SOC)、系统封装(system in package，Sip)、计算机模块(computer on module，COM)及通讯装置30。
综上所述，本发明的目的在于通过时序排程来实现节省电力的功效。详细来说，透过时序同步操作，网状网络的每个无线节点会在相同的时间启始及睡眠，藉以透过睡眠期间来减少功耗并避免启始期间的传输延迟。此外，在时序同步机制下，网状网络的无线节点可集结成具有不同启始期间的群组，藉以减少不同群组之间的封包碰撞机率并实现电力节省。进一步地，本发明提出用来判断是否进行数据封包回放的树状路由表，以避免封包碰撞并节省电力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种进行时序排程的方法，其特征在于：用于一网状网络中的一第一无线节点，该方法包括：
广播一同步封包，其中，该同步封包包含有一信息组件，用来指示一时间周期的时间长度及一启始期间的开始时间及结束时间，以及该第一无线节点仅在该时间周期中的启始期间，监听用于数据传送及接收的一实体信道；
其中，接收到该同步封包的该网状网络中的其他无线节点遵从该同步封包所指示的时间排程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：
从一第二无线节点，接收用于同步程序的一请求信息，其中，该请求信息指示有该第二无线节点配置的一启始期间的一时间信息；以及
根据该时间信息，在该启始期间内，传送一响应消息至该第一无线节点，其中，该响应消息包含一信息组件，用来指示该时间周期的时间长度及该启始期间的开始时间及结束时间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：
配置该网状网络中的至少一无线节点为复数个群组中的一第一群组，其中，
相同群组中的无线节点具有相同的启始期间，但该复数个群组中的每个群组之间具有交错的启始期间。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：还包括：
移动至该第一群组的传送范围外；以及
当移动至该第一群组的传送范围内时，通过与该第一群组内的无线节点，在相同的启始期间进行数据传送及接收，来重新连接该第一群组。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：还包括：
通过该网状网络中的至少一上层群组，与该复数个群组中的一第二群组进行数据传送及接收，其中，该至少一上层群组的启始期间同时覆盖该第一群组及该第二群组的启始时间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：
从该网状网络中的一管理节点，接收一树状路由表，其中，该树状路由表包含该网状网络中所有无线节点的上链路节点信息，以及该树状路由表为该管理节点建立用于每个无线节点的唯一的路由表；以及
根据该树状路由表进行数据传送。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：根据该树状路由表进行数据传送的步骤包括：
从一第二无线节点，接收一数据封包；
根据该树状路由表，判断该第一无线节点是否为该第二无线节点的上链路节点；
当第一无线节点为该第二无线节点的上链路节点时，广播该数据封包至该第一无线节点的一上链路节点；以及
当第一无线节点不是该第二无线节点的上链路节点时，忽略该数据封包。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括：
当从该第一无线节点的该上链路节点接收相同的该数据封包时，停止广播该数据封包。
9.一种进行时序排程的方法，其特征在于：用于一网状网络中的一第二无线节点，该方法包括：
从该网状网络中的一第一无线节点，接收一同步封包，其中，该同步封包包含有一信息组件，用来指示一时间周期的时间长度及一启始期间的开始时间及结束时间；
遵从该同步封包所指示的时间排程，其中，该第二无线节点仅在该时间周期中的该启始期间，监听用于数据传送及接收的一实体信道；以及
广播该同步封包。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：还包括：
传送用于同步程序的一请求信息至一第一无线节点，其中，该请求信息指示有该第二无线节点配置的一启始期间的一时间信息；以及
根据该时间信息，在该启始期间内，从该第一无线节点接收一响应消息，其中，该响应消息包含一信息组件，用来指示该时间周期的时间长度及该启始期间的开始时间及结束时间。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：传送用于同步程序的该请求信息至该第一无线节点的步骤包括：
在该第一无线节点指示的该时间周期内，传送该请求信息；或
在该第一无线节点指示的该时间周期内的该启始期间，传送该请求信息；或
在该第一无线节点指示的该时间周期内的该启始期间，传送该请求信息，其中该请求信息的一传输时间长度短于该启始期间的时间长度。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于：还包括：
配置该网状网络中的至少一无线节点为复数个群组中的一第一群组，其中，相同群组中的无线节点具有相同的启始期间，但该复数个群组中的每个群组之间具有交错的启始期间。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：还包括：
移动至该第一群组的传送范围外；以及
当移动至该第一群组的传送范围内时，通过与该第一群组内的无线节点，在相同的启始期间进行数据传送及接收，来重新连接该第一群组。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：还包括：
通过该网状网络中的至少一上层群组，与该复数个群组中的一第二群组进行数据传送及接收，其中，该至少一上层群组的启始期间同时覆盖该第一群组及该第二群组的启始时间。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于：还包括：
从该网状网络中的一管理节点，接收一树状路由表，其中，该树状路由表包含该网状网络中所有无线节点的上链路节点信息，以及该树状路由表为该管理节点建立用于每个无线节点的唯一的路由表；以及
根据该树状路由表进行数据传送。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：根据该树状路由表进行数据传送的步骤包括：
从一第三无线节点，接收一数据封包；
根据该树状路由表，判断该第二无线节点是否为该第三无线节点的上链路节点；
当第二无线节点为该第三无线节点的上链路节点时，广播该数据封包至该第二无线节点的一上链路节点；以及
当第二无线节点不是该第三无线节点的上链路节点时，忽略该数据封包。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：还包括：
当从该第二无线节点的该上链路节点接收相同的该数据封包时，停止广播该数据封包。
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