CN108781398A - 多跳异构无线网络中的资源感知多任务路由 - Google Patents

多跳异构无线网络中的资源感知多任务路由 Download PDF

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Abstract

将多跳异构无线网络划分成一组子网络，该组子网络包括具有第一汇节点的第一子网络和具有第二汇节点的第二子网络。节点形成所述第一子网络的一部分和所述第二子网络的一部分，并且根据子网络而具有不同操作模式。例如，节点具有规定了第一子网络中的路由类型的第一MOP和规定了第二子网络中的路由类型的第二MOP。节点基于该节点的与子网络无关的可用路由资源并且基于在子网络当中改变的必要路由资源，确定所述MOD。节点根据第一MOP在第一子网络中对分组进行路由，并且根据第二MOP在第二子网络中对分组进行路由。

Description

多跳异构无线网络中的资源感知多任务路由
技术领域
本发明总体上涉及在无线网络中对分组进行路由，并且具体地，涉及在包括具有异构资源和能力的节点的多跳无线网络中对分组进行路由。
背景技术
无线网络可以基于该网络的节点的资源和能力而分类成同构网络和异构网络。在同构网络(如常规的无线传感器网络)中，所有节点具有相同的资源和能力。另一方面，在异构无线网络(如无线物联网(IoT)网络)中，节点具有不同的资源和能力。一些节点有诸如存储器、存储部、处理能力、能源供应以及通信能力的更多资源。其它节点具有有限的资源和能力。结果，一些节点可以执行更多功能，而其它节点只能执行有限的功能。
常规的分层路由方法是为同构无线网络设计的，未考虑节点异构性和应用需求。例如，专利文献1“methods and apparatus for hierarchical routing incommunication networks”确定多个受约束的加权路径来连接通信网络中的群集的边界节点对，每个受约束的加权路径都具有相应带宽和相应权重。受约束的加权路径选择基于带宽阈值。其没有解决如何形成群集以及用于形成群集的度量。其不考虑所选节点是否具有足够的资源来执行与其它群集的连接。因此，仅考虑同构网络。
专利文献2“method and apparatus for hierarchical routing inmultiprocessor mesh-based systems”描述了一种用于网格系统中的分层路由的方法和装置。该方法将节点的网格网络分成多个矩形区域，确定从所述多个矩形区域中的源区域到目的地区域的分区路由，并提供从一个矩形区域内的源节点到同一矩形区域内的目的地节点的区域路由。该方法还可以包括利用分区路由和区域路由将分组从源区域内的源节点路由至目的地区域内的目的地节点。然而，这种方法同样是为同构网络设计的，不考虑节点资源、路由度量以及目标函数，而仅考虑可达性。
用于低功率和有损网络的IPv6路由协议(RPL)是由因特网工程任务组(IETF)开发的路由协议。RPL将网络的节点组织成被称作面向目的地的有向无环图(DODAG)的树状拓扑。基于预先确定的存储器阈值，RPL定义了四种操作模式(MOP)：MOP＝0、MOP＝1、MOP＝2及MOP＝3。然而，RPL要求网络中的所有路由器节点可以具有相同的MOP，即，所有路由器节点可以具有与汇节点(sink node)的MOP相同的MOP。如果节点的MOP与汇节点的MOP不同，那么该节点只能作为叶节点加入网络，并因此无法扩展网络。结果，RPL可以对物理连接的网络进行分区。另外，RPL需要网络内的单一目标函数和相同的路由度量。结果，RPL也是为同构网络设计的。
[引文列表]
[专利文献]
[PTL1]US 8,773,992 B2
[PTL2]US 2009/0274157 A1
发明内容
因此，希望提供一种资源感知路由方法，该方法基于节点的不同资源和能力来修改其路由功能。
本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，在多跳异构无线网络中，可以基于不同的应用需求和资源需求来构建网络拓扑。例如，应当向节点提供异构目标函数和路由度量，以选择适当的目标函数集和路由度量，来构建拓扑的多层和多群集。
本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，在多跳无线网络中，具有不同资源的节点可以具有规定该节点所使用的路由类型的不同操作模式(MOP)。例如，MOP可以规定单向或双向路由、表路由或源路由。例如，节点应当让其它节点知道该节点没有资源再进行路由。
本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，节点可以将存储器划分成不同的部分，包括用于缓冲分组的缓冲部分和用于存储为构建和维护网络拓扑所需的信息的路由部分。例如，网络标识符、邻居信息以及路由表条目被存储在路由部分中。
本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，节点可以响应于所分配的路由存储器、所需的路由存储器、所感测的网络条件(诸如子网络大小的大小和邻居节点的MOP变化)，以及可用资源的变化(诸如节点的可用存储器、节点的处理能力、节点的可用能量的量，以及节点的通信能力中的一个或组合)来更新其MOP。定义了新的一组MOP，使得不同的MOP可以对应于网络中的节点的不同路由类型，如果节点可以执行更多的路由功能，则MOP就越大。以这种方式，节点可以将其MOP以信号方式发送给其它节点，作为对路由类型的指示。例如，节点可以使用MOP来指示该节点不进行路由。
在本发明的一些实施方式中，节点考虑到如由其它节点的MOP指示的所述其它节点的路由类型以及不同路由目标函数和不同路由度量来执行它们的路由。而且，一些实施方式构建分层网络拓扑以易于K跳相邻节点的目标函数、路由度量以及路由偏好。
因此，本发明的一些实施方式通过使异构网络包括具有不同MOP的节点并响应于节点的操作变化对至少一个节点的MOP进行修改，使路由方法适应网络状态变化。
因此，一个实施方式公开了一种用于在多跳异构无线网络中对分组进行路由的方法，所述网络被划分成一组子网络，该组子网络包括具有第一汇节点的第一子网络和具有第二汇节点的第二子网络，其中，一节点形成所述第一子网络的至少一部分和所述第二子网络的至少一部分。所述方法的步骤利用所述节点的处理器执行。
所述方法包括以下步骤：根据所述节点中被分配的路由存储器(ARM)和所述节点的剩余的预期路由寿命(ERL)，确定所述节点的可用路由资源；根据所述节点用于子网的路由协议、所述节点在所述子网络中的逻辑位置，以及所述子网络中经由所述节点的数据业务，确定所述节点的至少一个必要路由资源，其中，必要路由资源的确定包括：确定所述节点用于所述第一子网络的第一必要路由资源并且确定所述节点用于所述第二子网络的第二必要路由资源，其中，所述第一必要路由资源不同于所述第二必要路由资源；利用所述可用路由资源和所述第一必要路由资源，确定规定所述节点在所述第一子网络中的路由类型的第一操作模式(MOP)；利用所述可用路由资源和所述第二必要路由资源，确定规定所述节点在所述第二子网络中的路由类型的第二MOP，其中，所述第一MOP不同于所述第二MOP；以及根据所述第一MOP在所述第一子网络中对分组进行路由，并且根据所述第二MOP在所述第二子网络中对分组进行路由。
另一实施方式公开了一种包括多个节点的多跳无线网络，所述多个节点具有不同的计算和能量资源，其中，所述网络被划分成具有目标函数和路由度量的独特组合的多个子网络，其中，至少一个节点加入多个子网络，并且根据规定不同子网络的不同路由类型的不同操作模式(MOP)来操作。
又一实施方式公开了一种用于在异构无线网络中对分组进行路由的节点，所述节点包括：收发器，该收发器用于发送和接收分组；存储器，该存储器用于存储所述分组、路由条目、子节点-父节点条目、K跳邻居路由偏好的至少一部分；以及处理器，该处理器用于基于所述子网络的目标函数和路由度量的组合加入多个子网络，并且确定规定不同子网络的不同路由类型的不同操作模式(MOP)。
附图说明
图1A是用于物理连接网络的低功率和有损网络(RPL)分区的路由协议的示例；
图1B是网络拓扑中不同位置处的节点的不同资源需求的示例；
图1C是影响节点的电池寿命的RPL的示例；
图2A是根据本发发明的一些实施方式的多跳异构无线网络的示意图；
图2B是根据本发明的一些实施方式的、参与形成图2A的网络的节点的结构的示意图；
图2C是根据本发明的一些实施方式的、用于在划分成一组子网络的多跳异构无线网络中路由分组的方法的框图；
图3A是根据本发明的一些实施方式的路由表条目的示例格式；
图3B是根据本发明的一些实施方式的源路由条目的格式；
图3C是根据本发明的一些实施方式的K跳邻居条目的格式；
图4是根据本发明的一些实施方式的、2跳邻居请求和响应分组发送的示例；
图5是根据本发明的一些实施方式的、用于修改节点的操作模式(MOP)的方法的框图；
图6是根据本发明的一些实施方式的、从源节点起经由多个中间中继节点直至目的地节点的路由路径的示例；
图7是根据本发明的一些实施方式的、用于利用目标函数集和路由度量集来构建面向分层目的地的有向无环图(H-DODAG)的方法的框图；
图8是根据本发明的一些实施方式的、利用三个路由度量集的面向分层目的地的有向无环图(H-DODAG)的示例；
图9A是根据本发明的一些实施方式的、可以使节点降低MOP的条件的示意图；
图9B是根据本发明的一些实施方式的、可以使节点增加MOP的条件的示意图；
图10A是根据本发明的一些实施方式的、数据节点基于任务ID向汇节点发送向上分组的示意图；
图10B是根据本发明的一些实施方式的、数据节点基于队列占用指数(QOI)选择父节点以转发向上分组的示意图；
图11A是根据本发明的一些实施方式的、汇节点利用路由表和源路由数据库向目的地发送向下分组的两种方式的示意图；
图11B是根据本发明的一些实施方式的、存储节点利用路由表和源路由数据库向目的地中继向下分组的两种方式的示意图；以及
图11C是根据本发明的一些实施方式的、非存储节点利源路由路径向目的地中继向下分组的示意图。
具体实施方式
在异构无线网络(如无线物联网(IoT)网络)中，可以存在数万个节点。这些节点需要执行不同的任务。例如，一组节点可以执行现场监测，另一组节点可以传递用于工厂自动化的数据，而又一组节点监测建筑物的安全。不同的任务有不同的要求。在现场监测的情况下，节点通常由电池供电。这些节点不经常发送测量数据。分组丢失并不重要。这里，路由的要求是延长电池寿命。在工厂自动化的情况下，存在大量数据传递并且数据需要可靠地递送。这里的要求是通信的可靠性。在建筑物安全的情况下，没有太多的数据通信量。然而，如果发生任何可疑事件，那么信息可以立即发送至控制中心。这里的要求是延迟。
因此，需要网络拓扑基于应用要求在网络的不同部分对其功能进行自适应。网络拓扑的特征由用于构建拓扑的路由算法、度量以及目标函数来确定。结果，路由算法可以在异构网络的不同部分处应用不同的路由度量和目标函数。例如，对于现场监测来说，应当使用能量相关的路由度量(如残余能量(RE))和寿命相关的目标函数(如最小能量路径)。对于工厂自动化来说，应当使用高吞吐量路由度量(如预期传输计数(ETX))和可靠性相关目标函数(如最高可靠性路径)。对于安全监测来说，应当使用延迟相关的路由度量(如跳计数(HC))和低延迟相关目标函数(如最短路径)。可以按这样的方式使用分层网络拓扑来满足此类要求，即，将不同的路由度量和目标函数应用于网络拓扑的不同层并且应用于同一层的不同群集。
为此，本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，在多跳异构无线网络中，可以基于不同的应用需求和资源需求来构建网络拓扑。例如，应当向节点提供异构目标函数和路由度量，以选择适当的目标函数集和路由度量，来构建拓扑的多层和多群集。
用于低功率和有损网络的IPv6路由协议(RPL)是由因特网工程任务组(IETF)开发的路由协议。RPL将网络节点组织成称作面向目的地的有向无环图(DODAG)的树状拓扑。基于预先确定的存储器阈值，RPL规定了四种操作模式(MOP)：MOP＝0、MOP＝1、MOP＝2以及MOP＝3。在MOP＝0的情况下，RPL仅支持从数据节点到汇节点的单向路由，即，向上路由。RPL不支持从汇节点到数据节点的路由，即，向下路由。在MOP＝1的情况下，RPL允许双向路由，并使用源路由进行向下路由。为了节省存储器，在MOP＝1操作的节点不存储用于任何其它节点的路由条目。结果，MOP＝1被称作非存储操作模式。在MOP＝2的情况下，RPL支持双向路由，并使用路由表进行向下路由。在MOP＝2操作的节点存储用于其子DODAG(即，子树)中的节点的路由条目。然而，在MOP＝2的情况下，不支持向下多播。因此，MOP＝2被称作不支持多播的存储操作模式。在MOP＝3的情况下，RPL通过支持向下多播来增强MOP＝2。因此，MOP＝3被称作支持多播的存储操作模式。MOP＝2和MOP＝3要求节点具有较大存储器空间来存储路由条目。
然而，RPL要求网络中的所有路由器节点具有相同的MOP，即，所有路由器节点可以具有与汇节点的MOP相同的MOP。为此，本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，如果节点的MOP与汇节点的MOP不同，那么该节点只能作为叶节点加入网络，并因此无法扩展网络。
图1A示出了证明这种认识的示例。在该示例中，所有节点经由链路110物理连接。汇节点S、节点N1以及节点N2具有MOP＝1。节点S1和S2具有MOP＝2。因为节点S1的MOP不同于汇节点的MOP，所以S1可以作为叶节点加入DODAG拓扑120。因此，S1无法扩展网络。结果，节点S2被隔离并且不能加入网络120。
本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，RPL没有考虑网络拓扑的不同位置处的节点具有不同的资源要求的事实。即使在同构网络中，基于预先确定的存储器阈值的MOP确定也不可行。例如，利用相同的存储器，远离汇节点的节点可以在其子树中存储所有路由条目；然而，靠近汇节点的节点无法在其子树中存储所有路由条目。而且，甚至可能的是，具有较小存储器的节点可以存储所有路由条目，而具有较大存储器的节点却无法存储路由条目。
图1B示出了证明这种认识的示例。在该示例中，路由条目130是200个字节，节点S1具有1000个字节的存储器，而节点S2具有500个字节的存储器。然而，S2仅需要200个字节的存储器来存储针对节点S3的路由条目，并且S1需要1400个字节的存储器来存储针对节点S2至S8的路由条目。结果，具有较大存储器的节点S1无法存储所有路由条目。
另外，本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，RPL没有考虑在网络操作耗诸如电池能量的不可持续资源的消耗。
图1C示出了证明这种认识的示例。在该示例中，节点S1在网络起点140处具有100％的电池，因此按MOP＝2操作。节点N1至N7经由节点S1将分组160转发至汇节点S。然而，S1是由电池供电的。随着网络操作，S1消耗其能量来中继针对其子树中的节点N1至N7的数据分组。在当前时刻150，S1仅有5％的电池能量，使得S1应当只使用其能量来发送自己的数据。在这种情况下，节点N1至N7应当经由N8和N9来转发它们的分组160。问题在于，节点N1到N7不知道S1的电池水平，而是继续经由S1转发它们的分组160。结果，S1很快就会变成死节点。
因此，本发明的不同实施方式提供了一种资源感知多任务路由方法，该方法允许混合操作模式来避免分割物理连接的网络、基于资源需求使其路由功能自适应、考虑网络操作中的资源使用，并允许异构目标函数和路由度量为网络中的多个任务构建分层路由拓扑。
图2A示出了根据本发发明的一些实施方式的多跳异构无线网络200的示意图。该网络包括具有不同存储器和能量资源201的多个节点。该网络包括：汇节点205、具有大存储器和电网电源的数据节点210、具有大存储器和大电池电源的数据节点220、具有大存储器和小电池电源的数据节点230、具有小存储器和电网电源的数据节点240、具有小存储器和大电池电源的数据节点250以及具有小存储器和小电池电源的数据节点260。所有节点经由无线链路208通信。链路的方向示出节点的物理可达性。一些节点可以将分组直接发送至汇节点。一些节点不能将分组直接发送至任何汇节点。相反，分组首先被发送至中间节点或中继节点，接着分组被中间节点或中继节点中继至汇节点。换句话说，按多跳方式进行分组传输。
本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，包括具有不同计算和能量资源的多个节点的多跳无线网络可以被划分成具有目标函数和路由度量的独特组合的多个子网络。此外，这种网络的节点可以节点加入多个子网，并且可以根据规定不同子网的不同类型路由的不同MOP来操作。
图2B示意性地示出了可以参与形成图2A的网络的节点270的结构。该节点包括用于发送和接收分组(诸如数据分组和控制分组)的收发器。收发器可以包括接收器271和发送器272中的一方或组合。该节点可以包括电源273(诸如电池274或电网275)，以向节点、处理器276以及存储器277供电，该存储器被划分成两个部分，包括路由存储器部分278和节点存储器储部分279。
处理器276基于子网络的目标函数和路由度量的组合来加入多个子网络，并确定不同的MOP。路由存储器部分278还被划分成用于缓冲由节点270接收到的中继分组的路由缓冲存储器280，和路由拓扑存储器290，拓扑存储器290用于存储使用节点270作为路由器的那些节点(即，中继节点)的诸如路由条目(即，路由表条目)和子节点-父节点条目(即，源路由条目)的路由拓扑信息。节点存储器279被节点270使用以加入网络。诸如网络标识符和节点270的标识符的网络信息被存储到节点存储器279中。节点存储器279还被用于缓冲节点自己的分组。
为了形成网络200，每个节点270都可以执行一些动作并存储一些信息。例如，每个节点可以接收路由发现分组并存储汇节点ID和下一跳节点ID以将其数据分组朝着汇节点发送。汇节点ID和下一跳节点ID被存储在节点存储器部分279中。诸如260的节点可能没有足够的存储器和电源来中继针对其它节点的分组，并且只能作为叶节点加入网络。诸如240的节点有足够的电源来中继路由分组，但是没有足够的路由拓扑存储器290来存储其子树中的节点的路由信息。诸如210的节点可以执行所有路由功能并存储所有路由信息。
图2C示出了根据本发明的一些实施方式的、用于在被划分成一组子网络的多跳异构无线网络中路由分组的方法的框图，该组子网络包括具有第一汇节点的第一子网络和具有第二汇节点的第二子网络，其中，一节点形成所述第一子网络的至少一部分和所述第二子网络的至少一部分。该方法的步骤利用节点的处理器276来执行。
该方法节点中的被分配的路由存储器(ARM)和该节点的剩余预期路由寿命(ERL)来确定284节点的可用路由资源285。ARM是由节点分配的用于运行路由协议的一部分存储器，而ERL是节点可以路由分组的时间，其例如可以根据节点的电池类型和节点操作的条件来加以管理。值得注意的是，在一些实施方式中，可用路由资源285与节点的子网络无关，并且基于节点本身的参数来确定。
该方法还根据该节点用于子网的路由协议、该节点在子网络中的逻辑位置，以及子网络中经由该节点的数据业务来确定281节点的至少一个必要路由资源。值得注意的是，在一些实施方式中，必要路由资源285取决于在节点参与的情况下形成的子网络。为此，节点可以确定不同的必要路由资源。例如，所述确定281包括：确定节点用于第一子网络的第一必要路由资源282并且确定该节点用于第二子网络的第二必要路由资源283。第一必要路由资源282可以不同于第二必要路由资源283。例如，如果节点的逻辑位置更靠近第一子网络的第一汇节点而不是第二网络的第二汇节点，那么节点可能需要为第一子网络传递比第二子网络多的数据。为此，第一必要路由资源282可以大于第二必要路由资源283。
该方法利用可用路由资源285和第一必要路由资源282，确定291规定该节点在第一子网络中的路由类型的第一MOP，并且利用可用路由资源285和第二必要路由资源283，确定293规定该节点在第二子网络中的路由类型的第二MOP。由于第一必要路由资源与第二必要路由资源之间的差异，因而，第一MOP可以与第二MOP不同。接下来，该方法根据第一MOP在第一子网络中路由295分组，并且根据第二MOP在第二子网络中路由分组。
本发明的一些实施方式提供了用于多跳异构无线网络的分层RPL(H-RPL)路由协议，以基于节点资源(诸如所分配的路由缓冲存储器280、所分配的路由拓扑存储器290、电源273等)和所感测网络条件(诸如子树大小，所需路由存储器等)，来实现分层路由。结果，H-RPL路由协议将网络中的节点组织成分层DODAG(H-DODAG)拓扑。
H-DODAG拓扑中的汇节点被称作H-DODAG根节点。H-DODAG由三个参数唯一地标识：H-RPLInstanceID、H-DODAG ID以及H-DODAG版本号。H-DODAG中的节点的等级针对H-DODAG根节点来规定该节点相对于其它节点的单独位置。H-RPL使用H-DODAG信息对象(H-DIO)分组来构建从数据节点到汇节点的上行路由。为了构建从汇节点到数据节点的下行路由，H-RPL使用H-DODAG目的地通告对象(H-DAO)分组。H-DODAG信息请求(H-DIS)分组被用于从H-RPL节点请求H-DIO分组，即，发现新路由。
H-RPL与标准RPL之间的控制分组的差异包括以下项：(1)H-DIO携带异构目标函数，即，在网络的不同部分变更的一组目标函数；(2)H-DIO携带一组一对多映射，该映射规定用于每个目标函数的路由度量；(3)H-DIO携带可变MOP而不是固定MOP；(4)H-DIO携带子H-DODAG ID；(5)MOP具有五种编码而不是四种编码；(6)H-DAO携带对应目标节点的MOP；以及(7)H-DIS可以规定一组优选目标函数和一组优选路由度量以及优选MOP。
新操作模式(MOP)和MOP编码
在H-DODAG拓扑中，节点使用MOP来宣告其路由类型。RPL所规定的MOP未满足异构网络的要求。因此，除了在RPL中规定的MOP＝0、MOP＝1、MOP＝2以及MOP＝3之外，本发明的实施方式定义了用于H-DODAG的新MOP，即，MOP＝-1。在MOP＝-1的情况下，节点用信号发送其资源中的一个或组合如此危急，该节点无法再执行路由。相反，可用资源只能允许节点发送其自己的分组。随着引入新MOP＝-1，该MOP采用4个比特。
在H-DODAG拓扑中，MOP＝-1被称为叶MOP；MOP＝0被称为向上MOP；MOP＝1被称为非存储MOP；MOP＝2被称为存储MOP；并且MOP＝3被称为多播存储MOP。
H-DODAG中的节点根据规定路由类型的不同MOP进行操作。根据叶MOP操作的节点可以是叶节点，并因此无法扩展网络连接，即，不发送规则的H-DIO分组。根据向上MOP操作的节点不路由向下分组。根据非存储MOP操作的节点不存储向下路由信息。根据存储MOP操作的节点存储向下路由信息，诸如路由条目、规定网络的至少一部分的子节点-父节点对的子节点-父节点条目，以及K跳邻居信息。根据多播存储MOP操作的节点存储向下路由信息和向下多播信息，例如多播组的成员。
在MOP＝-1、0、1操作的节点在此被称为非存储节点。在MOP＝2、3操作的节点在此被称为存储节点。在MOP＝-1、0及1的情况下，节点通过在H-DAO中包含父信息将H-DAO发送至汇节点，其被称为非存储H-DAO(N-H-DAO)。在MOP＝2和3的情况下，节点将H-DAO发送至父节点，而在H-DAO中不包括父信息，其被称为存储H-DAO(S-H-DAO)。
操作模式(MOP)的确定和修改
为了构建H-DODAG拓扑，网络200中的节点需要确定恰当的MOP。为此，本发明的一些实施方式使用两个新参数来计算MOP。第一个参数是存储路由条目310、子节点-父节点条目320、K跳邻居条目330，以及缓冲中继分组等所需的必要路由存储器(RRM)。RRM与所分配的路由存储器(ARM)278不同。RRM对于确定MOP很重要，因为如图1B所示，利用相同的ARM，具有较小子树的节点可以存储诸如路由条目和子节点-父节点条目的所有路由信息，然而具有较大子树的节点无法存储所有路由数据。第二个参数是预期路由寿命，其指示节点可以执行路由的时间。当路由寿命危险时，节点可以仅充当叶节点。在网络200中，节点具有不同的电源和不同的电池容量。具有电网电源的节点被认为具有无限的路由寿命。然而，具有电池电源的节点具有有限的路由寿命。由于电池容量的变化，因而，常规测量(如剩余能量的百分比)是没有意义的，因为在剩余能量百分比相同的情况下，具有大电池容量的节点可以比具有小电池容量的节点更长时间进行路由。另外，节点可以在网络200中执行不同的角色。路由器比叶节点消耗更多能量。利用相同量的电池能量，重工作负载节点比轻工作负载节点生存时间短。因此，常规的剩余能量测量可能不指示节点的寿命。
为了加入H-DODAG拓扑，节点可以有足够的节点存储器279，节点存储器279是该节点运行所需的存储器。节点存储器与路由存储器278不同，路由存储器278是节点作为路由器执行路附加任务所需的额外存储器。在H-DODAG拓扑中，必要节点存储器(RNM)可以被计算为
RNM＝NP*{|父节点ID|+|父节点MOP|+|默认寿命|+|寿命单位|}
+|H-RPLInstanceID|+|H-DODAGID|+|H-DODAG版本号|
+|SubH-DODAGID|+|节点MOP|+|节点缓冲器|
+other_required_node_memory (1)
其中，NP是父节点的数量，父ID是16个字节，默认寿命为1个字节，寿命单位是为2个字节，父MOP为0.5个字节，H-RPLInstanceID为1个字节，H-DODAG ID为16个字节，H-DODAG版本号为1个字节，子H-DODAG ID为16个字节，而节点MOP为0.5个字节，并且节点缓冲区大小取决于节点的分组生成速率。因此，仅就一个父节点而言，最小RNM(RNMmin)至少为54+node_buffer_size+other_required_node_memory个字节。
方程(1)指示RNMmin是节点相关的。如果节点选择更多父节点或生成更多分组，则RNMmin更大。否则，RNMmin更小。
必要路由存储器(RRM)计算
用于计算RRM的方法对于所有路由算法都是相同的。然而，所计算的RRM基于特定路由算法而变更，因为不同的路由算法存储不同的路由信息。本发明的实施方式提供了一种用于计算H-RPL路由协议的RRM的方法。H-RPL中存在四种类型的路由器：向上路由器、非存储路由器、存储路由器以及多播存储路由器。
对于H-DODAG拓扑中的要作为向上路由器的节点来说，该节点需要发送规则的H-DIO分组。因此，该节点需要维护三个涓流计时器(Trickle Timer)配置参数：H-DIO间隔最小(1字节)、H-DIO间隔加倍(1字节)以及H-DIO冗余常数(1字节)。此外，该节点还需要维护三个涓流计时器变量：当前间隔大小为I(4个字节)、当前间隔内的时间T(4个字节)以及计数器C(1字节)。另外，向上路由器还需要维护一组目标函数和一组路由度量以及目标函数与路由度量之间的一对多映射。目标函数由目标代码点(OCP)标识，它是1个字节，并且路由度量(RM)至少为1个字节。向上路由器还需要维护父节点等级(2个字节)、节点等级(2字节)、MaxRankIncrease(2个字节)以及MinHopRankIncrease(2个字节)。然而，向上路由器不路由向下分组，因此不保持目的地节点通告触发序列号(DTSN)。结果，向上路由器的必要路由存储器(RRMU)由下式给出
RRMU＝|H-DIO间隔最小|+|H-DIO间隔加倍|+|H-DIO冗余常数|+|I|
+|C|+NOCP
*|OCP|+NRM*|RM|+|OCP至RMs映射|+NP
*|父节点等级|+|节点等级|+|MaxRankIncrease|
+|MinHopRankIncrease|+|向上路由缓冲器|
+other_required_routing_memory (2)
其中，NOCP是目标函数的数量，NRM是路由度量的数量。因此，对于1个目标函数、1个路由度量以及1个父节点而言，向上路由器的最小至少为22+upward_routing_buffer_size+other_required_routing_memory个字节。
对于非存储路由器，除了向上路由器所需的路由存储器之外，还需要额外的路由存储器来维护DTSN(1字节)并缓冲向下分组。因此，非存储路由器的必要路由存储器(RRMN)由下式给出
RRMN＝RRMU+NP*|父节点DTSN|+|向下路由缓冲器|
+other_required_routing_memory (3)
对于1个目标函数、1个路由度量以及1个父节点而言，非存储路由器的最小至少为23+upward_routing_buffer_size+downward_routing_buffer_size+other_required_routing_memory个字节。
对于要作为存储路由器的节点而言，除了非存储路由器所需的路由存储器之外，需要额外路由存储器来存储路由条目、子节点-父节点条目以及K跳邻居信息。节点的K跳邻居被定义为处于该节点的K跳邻域内的节点。存储路由器通过对由其存储子节点发送或转发的N-DAO和S-H-DAO分组中包含的目的地的数量进行计数来计算其路由表的大小。存储路由器通过对由其非存储子节点发送或转发的N-H-DAO分组中包含的目的地的数量进行计数来计算其子节点-父节点数据库的大小。存储路由器通过广播K跳邻居请求分组并对响应分组中所包含的K跳邻居的数量进行计数来计算K跳邻居的数量。存储路由器基于其偏好来确定K的值。如果k＝1，则K跳邻居集和邻居集是相同的。如果k>1，则邻居集是K跳邻居集的子集。
图4示出了2跳邻居请求和邻居响应过程的示例，其中，存储路由器(SR)410和420广播2跳邻居请求分组430，并且2跳内的邻居以邻居响应分组440进行响应。邻居请求分组和邻居响应分组由1跳邻居中继。诸如N1和N2的一些节点仅从一个存储路由器410接收2跳邻居请求430。然而，诸如N8、N9以及N11的一些节点从两个存储路由器410和420接收2跳邻居请求430。在这种情况下，这些节点可以分别将它们的第一路由偏好和第二路由偏好发送至第一存储路由器和第二存储路由器。节点根据它们的偏好来选择第一存储路由器和第二存储路由器。例如，节点可以选择具有较小跳计数的第一存储路由器和具有较大跳计数的第二存储路由器。
假设存储路由器在其路由表中有NR个条目、在其子节点-父节点数据库中具有NC个条目，以及NK个K跳邻居。存储路由器的RRM(RRMS)由下式给出
RRMS＝RRMN+NR*|路由条目|+NC*|子节点-父节点条目|+NK*|K
-跳邻居条目|+other_require_routing_memory (4)
其中，图3A示出了路由条目的格式，目标ID为16个字节，下一跳ID为16个字节，MOP为0.5个字节，并且路径寿命为1个字节。因此，路由条目的最小尺寸为33.5个字节。图3B示出了子节点-父节点条目的格式，并且最小尺寸也是33.5个字节。图3C示出了K跳邻居条目的格式。邻居ID为16个字节，路由偏好为1个字节，跳计数为1个字节，并且时间戳为4个字节。K跳邻居条目的最小尺寸为22个字节。为了成为存储路由器，节点需要具有至少一个父节点，存储至少一个路由条目或子节点-父节点条目以及至少2个K跳邻居。因此，存储路由器的最小路由存储器至少为100.5+upward_routing_buffer_size+downward_routing_buffer_size+other_required_routing_memory个字节。
对于支持向下多播的多播存储路由器来说，除了必要路由存储器RRMS以外，该节点需要额外的多播存储器，需要多播存储器来操作向下多播，如存储多播组的成员。因此，具有多播支持的存储路由器的RRM(RRMS)由下式给出
RRMM＝RRMS+|向下多播存储器|
+other_require_routing_memory (5)
具有多播支持的存储路由器的最小路由存储器至少为100.5+upward_routing_buffer_size+downward_routing_buffer_size+downward_multicast_memory+other_required_routing_memory个字节。
方程(2)-(4)示出了阈值和是节点相关的。例如，如果节点选择更多父节点或具有更大的子树，则这些阈值更大。而且，双向路由需要比单向路由更大的存储器。
利用所计算的阈值以及所分配的路由存储器(ARM)，节点可以如下确定其MOP：
如果节点由市电供电或者预期路由寿命不可用，则可以使用该MOP计算方法。
预期路由寿命计算
节点通过接收中继分组并发送中继分组来消耗路由上的能量。市电供电节点具有无限的电源，因此具有无限的路由寿命。另一方面，电池供电的节点具有有限的电源。当节点的电池电量低时，希望停止路由功能。以这种方式，电池供电节点可以使用剩余能量来发送自己的分组。这种方法延长网络寿命并避免死节点。以下提供了计算预期路由寿命(ERL)的方法。
对于市电供电的节点，如果该节点具有父节点，即，父节点集(PS)的大小大于0，则该节点被认为具有无限的路由寿命，而如果该节点没有父节点，则该节点无法路由分组。结果，该节点被认为没有路由寿命。因此，市电供电节点的ERL被定义为
为了计算电池供电节点的预期路由寿命，假设Ei是时间ti(i＝0、1、2、…)的残余能量，其中，E0是初始能量，PTX是发送电力消耗，PRX是接收电力消耗，NRi是从时间ti-1到时间ti接收到的中继分组的数量，并且NTi是从时间ti-1到ti发送的中继分组的数量。然后，将时间ti的预期路由寿命(ERLi)估计为
因此，在时间ti的电池供电节点的ERL被定义为
为预期路由时间定义四个阈值以及使得 其中，是向上路由器所需的最小路由寿命，是非存储路由器所需的最小路由寿命，是存储路由器所需的最小路由寿命，而是存储路由器用于支持向下多播所需的最小路由寿命。基于所计算的预期路由寿命(ERL)，节点可以如下确定其MOP：
当节点分配了无限路由存储器或者必要路由存储器不可用时，可以使用该MOP计算。方程(10)表明，如果电池供电的节点具有ERL<ERLU，则该节点不再路由分组。相反，该节点使用剩余能量来发送自己的数据分组。
组合方程(6)和(10)，网络200中的节点的MOP计算被定义为
图5示出了根据本发明的一个实施方式的、用于确定和/或修改节点的MOP的方法的框图。节点首先分配500路由存储器278。一旦分配了路由存储器510，可能的存储节点(即，具有大于或等于的分配路由存储器(ARM)510的节点)发送K跳邻居请求分组。然后，节点开始接收K跳邻居响应分组和其它网络拓扑分组，诸如H-DIO和H-DAO。基于所接收的分组，节点可以利用方程(2)、(3)、(4)或(5)来确定540必要路由存储器(RRM)，并且还可以利用方程(7)或(9)来确定550预期路由寿命。基于分配路由存储器(ARM)、必要路由存储器(RRM)以及预期路由寿命(ERL)，节点可以利用方程(11)来确定560其MOP。一旦计算出新的MOP，节点发送570新的MOP和必要的拓扑分组，以使其邻居知道其路由类型和更新的信息。然后，节点返回接收分组并监测网络条件，并在必要时修改MOP。
因为网络200中的节点通过利用基于分配路由存储器、必要路由存储器以及预期路由寿命计算的不同MOP，来以信号发送各种路由类型，所以一些实施方式使用资源感知多任务路由来将分组从数据节点路由至汇节点以及从汇节点路由至数据节点。本发明的一些实施方式针对资源感知多任务路由来自适应H-RPL协议。
分层DODAG(H-DODAG)构造
节点的父节点被规定为该节点在朝向汇节点的路径上的直接后继节点。节点的子节点被规定为该节点在朝向汇节点的路径上的直接前任节点。图6示出了从源节点620到目的地节点630的路由路径610的示例，其中，中继节点650是中继节点640的父节点，而中继节点640是中继节点650的子节点。
本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，节点应当在考虑其自己的资源和其它节点的资源(如它们的MOP所指示的)的情况下执行路由。另外，一些实施方式基于这样的认识，即，节点在考虑其自己的MOP和其邻居的MOP的情况下加入网络层次。本发明的一些实施方式基于这样的认识，即，网络层次基于一组目标函数和一组路由度量来构建，节点在考虑自己的资源及其邻居资源的情况下选择恰当的目标函数和路由度量。
图7示出了根据本发明的一个实施方式的、用于构建资源感知多任务分层DODAG(H-DODAG)的框图。汇节点通过广播H-DIO分组来启动H-DODAG构造。与标准DODAG构造不同，汇节点确定700要包括在H-DIO中的一组组目标函数(OF)和一组路由度量(RM)。Sink节点规定要用于每个目标函数的一组路由度量。例如，汇节点选择两个目标函数OF1和OF2以及三个路由度量RM1、RM2以及RM3，并将OF和RM分组成两个集合(OF1、RM1、RM2)和(OF2、RM2、RM3)。结果，RM1和RM2分别是OF1的主要和次要路由度量，而RM2和RM3分别是OF2的主要和次要路由度量。默认地，集合(OF1、RM1、RM2)被用于构建第一层H-DODAG拓扑，而集合(OF2、RM2、RM3)被用于构建第二层H-DODAG拓扑。汇节点基于总体网络考虑来选择集合(OF1、RM1、RM2)，并且基于在K跳邻居请求和响应过程中收集的路由偏好信息来选择集合(OF2、RM2、RM3)。除了H-DODAG ID以外，汇节点还包括一个子H-DODAG ID，并且两者都设定成其IPv6地址。默认地，即使可以使用其它值，汇节点也设定MOP＝2。汇节点创建705路由表760，并创建710源路由数据库(子节点-父节点数据库)775，其将被用于H-DAO分组接收和处理中。汇节点然后广播715H-DIO分组，并且MOP设定成2。在发送H-DIO分组之后，汇节点返回接收740H-DAO分组并处理745H-DAO分组。对于通过存储子节点发送或转发的N-H-DAO或S-H-DAO分组750来说，汇节点将路由条目添加755到路由表760中。对于通过非存储子节点发送或转发的N-H-DAO分组765来说，汇节点将子节点-父节点条目添加770到源路由数据库775中。
一旦汇节点启动H-DODAG构建，数据节点就传播H-DIO分组以扩展网络拓扑。当数据节点接收到720H-DIO分组时，该节点处理分组以获得目标函数集、路由指标集、目标函数与路由度量之间的一对多映射集，以及包含在H-DIO分组中的MOP值。该节点还获得H-DODAGID和子H-DODAG ID。数据节点确定725其MOP值。存储节点创建705路由表760并创建710源路由数据库775。存储数据节点可以使用路由表760和源路由数据库775来修改725其MOP。存储数据节点还可以使用邻居路由偏好780来修改725目标函数集和路由度量集。如果数据节点的MOP＝-1，则该节点利用包括在所接收的H-DIO中的第二集合(OF、RM)来选择一组父节点。可能的是，第二集合(OF、RM)在不同节点的不同H-DIO中是不同的。然后，该节点选择默认父节点并构造包括其MOP的N-H-DAO 765，并将N-H-DAO转发735至默认父节点。因为MOP＝-1的节点可以是叶节点，所以该节点不发送H-DIO分组。如果数据节点的MOP＝0或1，则该节点利用包括在所接收的H-DIO中的第二集合(OF、RM)来选择一组父节点。如果没有存储父节点，则节点选择一个非存储父节点作为默认父节点，并利用从默认父节点接收到的第二集合(OF、RM)来计算其等级。否则，节点选择一个存储父节点作为默认父节点，并利用从默认父节点接收到的第二集合(OF、RM)来计算其等级。不同于每个路由器发送一个DIO分组的标准RPL，对于所选择的每个父节点，该节点存储对应的子H-DODAG ID，并发送730包括节点的MOP和所接收的集合(OF、RM)的H-DIO分组。最后，该节点构造包括其MOP的N-H-DAO 765，并将N-H-DAO转发735至默认父节点。如果数据节点的MOP＝2或3，则该节点首先利用包括在所接收的H-DIO中的第一集合(OF、RM)来选择一组父节点。如果没有这样的父节点(即，仅从非存储节点接收H-DIO的节点)，则该节点利用第二集合(OF、RM)来选择一组父节点。即使节点已经选择了存储父节点，该节点仍然可以通过利用第二集合(OF、RM)来选择一组非存储父节点作为备份父节点。如果该节点具有至少一个存储父节点，则该节点选择存储父节点作为默认父节点。在这种情况下，该节点利用从默认父节点接收到的第一集合(OF、RM)来计算其等级。对于所选择的每个父节点，该节点通过在H-DIO分组中设定MOP＝2或3来发送730H-DIO分组。最重要的是，将子H-DODAG ID替换成其IPv6地址，并且该节点可以利用从K跳邻居响应分组收集的信息(其示出了K跳邻居的路由偏好)来替换725第二集合(OF、RM)。节点创建705路由表760并创建710源路由数据库775。节点向存储H-DAO父节点中的每一个发送一个S-H-DAO 750分组，并且如果已经选择了任何非存储父节点作为H-DAO父节点，则将一个N-H-DAO 765分组转发至非存储父节点之一。如果未选择存储父节点，则节点利用从默认父节点接收到的第二集合(OF、RM)来计算其等级。然后，节点通过设定MOP＝1来发送730H-DIO分组。在这种情况下，存储节点充当非存储节点，并且不创建路由表和源路由数据库。因此，该节点被称为代理非存储节点。这种MOP降级是为了避免数据分组拥塞，因为该节点被非存储邻居包围，所以如果该节点宣告是存储MOP，那么所有邻居都会将其分组转发至该节点，但该节点实际上具有非存储默认父节点，其没有大的缓冲区来存储更多的分组，或者没有更多的电力供应来中继更多的分组。该节点将一个N-H-DAO转发735至默认父节点。
在H-DODAG构造过程期间，除了接收和处理H-DIO分组之外，数据节点还接收和处理H-DAO分组，H-DAO分组被用于构建从汇节点到数据节点的向下路由。叶节点不应接收任何H-DAO分组。非存储节点和代理非存储节点应当仅接收740N-H-DAO 765。这些节点不处理接收到的N-H-DAO分组，而只将N-H-DAO分组中继至它们的默认父节点。存储数据节点通过以下步骤来处理745所接收的H-DAO分组：针对包含在由存储子节点发送或转发的N-H-DAO或S-H-DAO 750分组中的每个目标，将路由条目添加755到路由表760中，并且针对包含在由非存储子节点发送或转发的N-H-DAO 765分组中的每个目标，将子节点-父节点条目添加770到源路由数据库775中。汇节点使用H-DAO分组来计算网络大小，即，H-DODAG大小。存储节点使用H-DAO分组来计算子网络大小，即，子H-DODAG大小。
如果代理非存储节点具有用于执行数据聚合和多个通信接口的更大处理能力，则代理非存储节点可以构建其自己的子DODAG。
图8示出了被划分成一组在子网络的H-DODAG拓扑的示例。汇节点规定最大分组递送速率和高吞吐量度量预期传输计数(ETX)850作为目标函数和路由度量的主要集合，并且规定最小分组延迟和跳计数作为目标函数和路由度量的次要集合。第一子网络H-DODAG810由汇节点、存储节点S1到S7形成。ETX 850由存储节点S1至S7使用以实现高吞吐量。跳计数度量860由非存储节点N1至N7使用。第二子网络H-DODAG 820由存储节点S2和非存储节点N1、N2、N3、N4及N7形成，其中，S2被称作子H-DODAG根节点。第二子网络H-DODAG 830由存储节点S7和非存储节点N5、N6、N7以及代理非存储节点S8形成，其中，S7是子H-DODAG根节点。跳计数度量860由非存储节点N5、N6、N7以及代理非存储节点S8使用。在该示例中，非存储节点N7通过选择两个父节点N1和N6而加入两个子H-DODAG 802和830。第三子网络H-DODAG840由代理非存储节点S8和非存储电池节点N8、N9及N10形成，其中，代理非存储节点S8是子H-DODAG根节点。基于节点N8、N9及N10的路由偏好，代理非存储节点将第二组目标函数和路由度量(最小分组延迟、跳计数)替换成(最大网络寿命、残余能量度量870)。
不同的节点可以属于一个子网络(例如，节点N4)，或者属于多个子网络(例如，节点N7)。为此，节点N7可以将分组路由至子网络830的汇节点S7和子网络820的汇节点宿S2。
根据本发明的各种实施方式，H-DODAG拓扑中的数据节点选择多个父节点以连接到多个子H-DODAG，即，子网络。子H-DODAG根节点是子H-DODAG中的所有节点都路由至其的汇节点或存储节点。节点存储与每个父节点相对应的子H-DODAG根节点ID。
分层DODAG(H-DODAG)维持
基于资源使用和所感测的网络条件，网络200中的节点可以改变其MOP。节点还可能因故障或资源短缺而离开网络。邻近节点需要自适应地调节它们的功能。
图9A示出了可以导致节点降低900其MOP的变化。这些变化包括：必要资源增加910、存储父节点MOP降低920、存储父节点不可用性930，以及节点资源减少940。图9B示出了可以导致节点提高950其MOP的变化。这些变化包括：必要资源减少960、非存储父节点MOP提高970、叶节点邻居MOP提高980，以及节点资源增加990。
以下段落描述了H-RPL路由协议中的H-DODAG维持。
如果非存储备份父节点变得无法到达，则节点可以利用DIS分组去发现新的父节点。如果非存储默认父节点变得无法到达，则节点选择新的默认父节点，计算新的等级并发送H-DIO分组以示出该变化。节点还可以发现新的父节点。
如果存储备份父节点变得无法到达，则节点可以发现新的父节点。如果存储默认父节点变得无法到达，那么如果节点具有至少一个备份存储父节点，则节点选择备份存储父节点作为默认父节点。然后，节点计算新的等级并发送H-DIO分组而不改变其MOP。如果节点不具有备份存储父节点且该节点是非存储节点，那么该节点选择非存储父节点作为默认父节点，计算新的等级并发送H-DIO分组而不改变其MOP。然而，如果节点不具有备份存储父节点且该节点是存储节点，那么该节点可以将其MOP降级为1以成为代理非存储节点，选择非存储父节点作为默认父节点，计算新的等级并发送具有新MOP＝1的H-DIO分组。在每一种情况下，节点可以发现新的父节点。
如果备份存储父节点将其MOP改变成-1，则子节点可以从其父节点集中去除该父节点，并在必要时发现新的父节点。如果备份存储父节点将其MOP改变成0或1，则子节点相应地更新父节点MOP。如果存储默认父节点将其MOP改变成-1，那么子节点可以从其父节点集中去除该父节点。如果节点具有至少一个备份存储父节点，则该节点选择备份存储父节点作为默认父节点，计算新的等级并发送H-DIO而不改变其MOP。如果节点不具有备份存储备份父节点，那么该节点选择非存储父节点作为默认父节点，计算新的等级。如果节点是非存储节点，那么该节点发送H-DIO而不改变其MOP。然而，如果节点是存储节点，那么该节点可以将其MOP改变成1并发送具有MOP＝1的H-DIO。如果存储默认父节点将其MOP改变成0或1并且子节点具有至少一个备份存储父节点，那么该节点选择备份存储父节点作为默认父节点，计算新的等级并发送H-DIO而不改变其MOP。如果存储默认父节点将MOP改变成0或1并且子节点没有备份存储父节点，那么该节点选择非存储父节点作为默认父节点，计算新的等级。如果节点是非存储节点，那么该节点发送H-DIO而不改变其MOP。然而，如果节点是存储节点，那么该节点可以将其MOP改变成1并发送具有MOP＝1的H-DIO。
如果非存储备份父节点将其MOP改变成-1，那么子节点可以从其父节点集中去除该父节点，并在必要时发现新父节点。如果非存储备份父节点将其MOP改变成2或3，并且子节点具有存储默认父节点，那么该节点可以重新选择默认父节点。如果节点具有非存储默认父节点，那么该节点选择该父节点作为默认父节点并计算新的等级。如果节点是非存储节点，那么该节点发送H-DIO分组而不改变其MOP。然而，如果节点是代理非存储节点，那么该节点发送H-DIO分组，其中MOP被设定成2或3。如果非存储默认父节点将其MOP改变成-1，那么子节点可以从其父节点集中去除该父节点。节点选择非存储备份父节点作为默认父节点，计算新的等级并发送H-DIO而不改变其MOP。节点可以根据需要发现新的父节点。如果非存储默认父节点将其MOP改变成2或3，那么子节点保持该父节点作为默认父节点并计算新的等级。如果节点是非存储节点，那么该节点发送H-DIO而不改变其MOP。如果节点是代理非存储节点，那么该节点发送H-DIO分组，其中MOP被设定成2或3。
叶节点可以将其MOP从-1改变成0、1、2或3。例如，低电池节点将其电源从电池切换成电网。邻居节点可以利用该MOP升级。如果叶节点将其MOP从-1改变成0或1，那么邻居节点可以将该节点添加为非存储父节点。如果叶节点将其MOP从-1改变成2或3，那么邻居节点可以将该节点添加为存储父节点。最重要的，代理非存储节点可以将其MOP改回成存储MOP。
一旦节点将MOP从叶MOP或非存储MOP改变成存储MOP，该节点就加入第一层网络拓扑。
一旦节点将MOP从存储MOP改变成叶MOP或非存储MOP，该节点就不需要路由表和源路由数据库。然而，该节点可能会或者可能不会删除路由表和源路由数据库。
H-RPL中的向上数据分组递送
目标函数和路由度量被用于发现多个路由路径，即，在H-DODAG拓扑中选择多个父节点。一旦选择，父节点就被使用一段时间来维持网络的稳定性。一个关键问题是子节点应当向哪个父节点发送分组？
在常规RPL中，数据节点将所有向上分组转发至其默认父节点。该方法可能因缓冲区溢出而导致严重的数据分组丢弃，并且因默认父节点不可用而导致严重的数据分组延迟。例如，如果数据节点选择电池节点作为默认父节点，那么其偶尔会进入睡眠状态以节省电池能量。在这种情况下，子节点必须缓冲分组，因为默认父节点处于休眠状态。这可能导致子节点的缓冲区溢出。在另一示例中，多个数据节点选择同一节点作为默认父节点。因此，多个节点将所有分组发送至同一节点，这可能导致默认父节点的缓冲区溢出。
根据本发明的各种实施方式，数据节点将数据分组转发给具有基于任务ID确定的子H-DODAG根节点的路由的父节点，数据节点基于父节点的缓冲占用率将向上数据分组分发给多个父节点。提供了一种方法来实现该目标。
与路由存储器部分290(其被用于构建和维持网络拓扑H-DODAG)不同，路由缓冲存储器部分280被用于在网络操作期间缓冲数据分组。本发明的实施方式引入缓冲占用指数(BOI)，BOI被定义为平均缓冲分组数除以缓冲区大小(即，路由缓冲存储器部分280的大小)。利用BOI，H-RPL协议将数据分组分发给多个父节点，而不是将所有数据分组转发给默认父节点。
图10A示出了向上数据分组递送的框图，其中，节点具有要发送的向上数据分组1005。在H-RPL网络中，存在要执行的多个任务。每个数据分组都与任务ID相关联。基于任务ID，节点利用记录的目标函数和路由度量来确定1010哪个子H-DODAG根节点与该任务有关。假设节点具有包括n个父节点的父节点集合1020，这些父节点将节点连接至包括SR1、SR2、…、SRm的m个子H-DODAG根节点1025。一旦确定了子H-DODAG根节点，节点就选择1015具有参照图10B描述的到所决定的子H-DODAG根节点的路由的优选父节点父节点-k。该节点在分组中包括子H-DODAG根节点ID，并将分组转发1030至父节点-k。在接收到该分组时，父节点-k从该分组获得1035子H-DODAG根节点ID，并通过与数据节点类似地选择优选的父节点来中继1040该分组。该数据分组最终到达1045子H-DODAG根节点SRk，子H-DODAG根节点SRk根据H-DODAG拓扑的第一层，将分组转发1050至汇节点。
图10B示出了如果存在具有到子H-DODAG根节点的路由的多个父节点，则转发数据分组的优选父节点选择的框图，其中子节点具有包括n个父节点的父节点集合1020。每个父节点计算其BOI并发送1060BOI。子节点从父节点接收BOI并根据所接收的BOI对该父节点进行排序1070。具有较高BOI的父节点获得较低的排序而且具有较低BOI的父节点获得较高的排序。然后，子节点与BOI排序成比例地将向上分组分发给1080父节点。最后，子节点选择1090父节点来转发向上数据分组。
分组分发的益处包括：(1)负载平衡，因为节点将分组分发给多个父节点；(2)父节点缓冲区溢出减少，因为每个父节点只接收来自子节点的一部分分组；(3)子节点缓冲区溢出减少，因为子节点不是仅等待默认父节点可用，而是子节点利用所有可用的父节点；(4)分组递送速率提高，因为缓冲区溢出导致丢弃的数据分组减少；以及(5)分组延迟减小，因为分组的分发减少了分组缓冲时间。
父节点可以发送包括在诸如数据分组的其它分组中的其BOI，或者将其BOI作为单独的分组发送。以下是用于计算BOI的方法。
为了计算BOI，节点首先计算在给定时段[ti-1，Ti]内缓冲的分组的平均数。设NoP(t)是时刻t缓冲区中的分组数，然后，缓冲分组的平均数(ANP)在数学上定义为
时段[ti-1，ti]内的测量可以用于估计ANP。设NoPi是在时段[ti-1，ti]内被推入缓冲区的分组的数量，并且BTi是在时段[ti-1，ti]内缓冲的分组的平均时间量，然后，利用Little定理，ANP可以估计为
并且BOI可以估计为
其中，BC是缓冲区容量，即，路由缓冲存储器部分280的大小除以平均分组大小。
根据本发明的各种实施方式，数据节点不能将任何分组发送给已宣告MOP＝-1的节点，因为MOP＝-1的节点只能是叶节点。
H-RPL中的向下数据分组递送
根据本发明的各种实施方式，根节点或存储节点有两种方式将向下分组发送或中继至目的地，即，利用源路由或者利用路由表。根或存储路由器可以有多个选择来发送向下分组。然而，一个实施方式利用路由表发送向下分组，因为路由表不需要源路由路径，并且分组的大小也较小。较小的数据分组具有更高的递送可靠性。非存储节点仅利用源路由路径来中继向下分组。
图11A示出了汇节点发送1100向下分组的框图。汇节点首先检查1110目的地节点1190是否在其路由表760中。如果是，则汇节点将分组转发1120至下一跳的存储节点。如果不是，则汇节点利用其源路由数据库775(即，子节点-父节点数据库)来构建1130从汇节点到目的节点的完整源路由路径。然后，汇节点将分组转发1140至下一跳的非存储节点。该分组最终被中继至目的地节点1190。
图11B描绘了存储节点中继1150向下分组的框图。存储节点也首先检查1110目的地节点1190是否在其路由表760中。如果是，则存储节点将分组转发1120至下一跳的存储节点。如果不是，则存储节点利用其源路由数据库775(即，子节点-父节点数据库)来构建1160从存储节点到目的节点的部分源路由路径。然后，存储节点将分组转发1140至下一跳的非存储节点。该分组最终被中继至目的地节点1190。
图11C示出了非存储节点中继1170向下分组的框图。非存储节点在接收到的源路由路径中找到1180下一跳的非存储节点。然后，该非存储节点将分组转发1140至下一跳的非存储节点。该分组最终被中继至目的地节点1190。
根据本发明的各种实施方式，汇节点或存储节点不能经由已宣告MOP＝-1或0的节点转发下行分组，因为MOP＝-1的节点只能是叶节点，而MOP＝0的节点不支持向下路由。汇节点或存储节点也不能构建包括已宣告MOP＝-1或0的任何节点的源路由路径。
本发明的上述实施方式可以按许多方式中的任一种来实现。例如，这些实施方式可以利用硬件、软件或其组合来实现。当按软件来实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，而不管设置在单个计算机中还是分布在多个计算机当中。这种处理器可以被实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多个处理器。然而，处理器可以利用任何合适格式的电路来实现。处理器可以连接至如本领域已知的存储器、收发器以及输入/输出接口。
[工业适用性]
本发明的方法、网络以及节点适用于各种领域中的多跳无线网络。

Claims (20)

1.一种在多跳异构无线网络中对分组进行路由的方法，所述多跳异构无线网络被划分成一组子网络，所述一组子网络包括具有第一汇节点的第一子网络和具有第二汇节点的第二子网络，其中，节点形成所述第一子网络的至少一部分和所述第二子网络的至少一部分，其中，所述方法的步骤利用所述节点的处理器执行，所述方法包括：
根据所述节点中的被分配的路由存储器(ARM)和所述节点的剩余预期路由寿命(ERL)，确定所述节点的可用路由资源；
根据由所述节点用于子网络的路由协议、所述节点在所述子网络中的逻辑位置，以及所述子网络中经由所述节点的数据业务，确定所述节点的至少一个必要路由资源，其中，所述必要路由资源的确定包括：确定所述节点用于所述第一子网络的第一必要路由资源并且确定所述节点用于所述第二子网络的第二必要路由资源，其中，所述第一必要路由资源不同于所述第二必要路由资源；
利用所述可用路由资源和所述第一必要路由资源，确定第一操作模式(MOP)，所述第一MOP规定了所述节点在所述第一子网络中的路由类型；
利用所述可用路由资源和所述第二必要路由资源，确定第二MOP，所述第二MOP规定了所述节点在所述第二子网络中的路由类型，其中，所述第一MOP不同于所述第二MOP；以及
根据所述第一MOP在所述第一子网络中对分组进行路由，并且根据所述第二MOP在所述第二子网络中对分组进行路由。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
检测所述可用路由资源、所述第一必要路由资源和所述第二必要路由资源中的至少一方的变化；以及
响应于检测到所述变化，更新所述第一MOP和所述第二MOP中的一方或组合。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
根据在所述第一子网络和所述第二子网络内发送的对应控制分组，确定所述第一子网络和所述第二子网络中的逻辑连接。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
根据不同目标函数和不同路由度量中的一个或组合，将所述网络划分成所述子网络，使得每个子网络具有所述目标函数和所述路由度量的唯一组合。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括：
根据所述网络内发送的控制分组，检索所述网络的所述目标函数和所述路由度量的组合的列表；
针对所述节点的不同任务来比较每个组合的适合性，以选择加入一个或几个子网络；以及
加入所选择的子网络。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
根据一组控制分组来确定所述节点的一组网络参数，其中，所述一组网络参数包括以下项中的一个或组合：相邻节点的MOP、所述相邻节点的规定了所述相邻节点与所述第一汇节点或所述第二汇节点的相对距离的等级、所述第一子网络的大小和所述第二子网络的大小、所述第一子网络的一组目标函数和一组路由度量以及所述第二子网络的一组目标函数和一组路由度量、K跳相邻节点的一组路由偏好、所述节点的一组路由条目和所述节点的一组子节点-父节点条目。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一MOP或所述第二MOP是叶MOP、向上MOP、非存储MOP、存储MOP或多播存储MOP，其中，根据所述叶MOP操作的节点不对分组进行路由，其中，根据所述向上MOP操作的节点仅对向上分组进行路由，其中，根据所述非存储MOP操作的节点对所述分组进行路由但不存储路由条目，其中，根据所述存储MOP操作的节点对所述分组进行路由并存储路由条目，并且其中，根据所述多播存储MOP操作的节点对所述分组进行路由并存储路由条目且对信息进行多播。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络中的节点基于所述节点的MOP、一组异构目标函数以及一组异构路由度量，被组织成面向分层目的地的有向无环图(H-DODAG)拓扑，其中，所述节点的所述MOP、所述目标函数以及路由度量在网络的不同部分是不同的，其中，所述目标函数和路由度量被分组成目标函数与对应路由度量之间的多组一对多映射，其中，第一组目标函数和路由度量被所述汇节点和存储节点用于构建H-DODAG拓扑的第一层，其中，其它组的目标函数和路由度量被存储节点、非存储节点、向上节点以及叶节点用于构建H-DODAG拓扑的其它层，其中，非存储节点、向上节点以及叶节点利用第二组目标函数和路由度量加入H-DODAG拓扑。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述控制分组包括：H-DODAG信息对象(H-DIO)分组、分层目的地通告对象(H-DAO)分组，以及H-DODAG信息请求(H-DIS)分组，其中，H-DIO分组包含用于构建从所述数据节点到所述汇节点的向上路由的信息和发送该H-DIO分组的所述节点的MOP，其中，H-DAO分组包含用于构建从所述汇节点到所述数据节点的向下路由的信息和所述目的地节点的MOP，其中，H-DAO包括非存储H-DAO(N-H-DAO)和存储H-DAO(S-H-DAO)，其中，N-H-DAO包括子节点-父节点条目，并且S-H-DAO生成路由条目。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述节点根据下式，基于所述ARM和所述节点的必要路由存储器(RRM)来确定MOP
其中，及是正的阈值。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述节点根据下式，基于所述节点的预期路由寿命(ERL)来确定MOP
其中，以及是正的阈值。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述节点根据下式，基于所述节点的所述ARM、所述节点的必要路由存储器(RRM)，以及所述节点的预期路由寿命(ERL)的组合来确定MOP
其中，及是正的阈值。
13.一种多跳无线网络，所述多跳无线网络包括具有不同计算和能量资源的多个节点，其中，所述网络被划分成具有目标函数和路由度量的唯一组合的多个子网络，其中，至少一个节点加入多个子网络，并且根据规定了不同子网络的不同路由类型的不同操作模式(MOP)来操作。
14.根据权利要求13所述的网络，其中，所述网络中的所述节点响应于该节点的操作参数变化来修改该节点的所述MOP。
15.根据权利要求13所述的网络，其中，所述节点被配置用于
根据所述节点中的被分配的路由存储器(ARM)和所述节点的剩余预期路由寿命(ERL)来确定所述节点的可用路由资源；
根据由所述节点用于子网的路由协议、所述节点在所述子网络中的逻辑位置，以及所述子网络中经由所述节点的数据业务，确定所述节点的至少一个必要路由资源，其中，所述必要路由资源的确定包括：确定所述节点用于所述第一子网络的第一必要路由资源并且确定所述节点用于所述第二子网络的第二必要路由资源，其中，所述第一必要路由资源不同于所述第二必要路由资源；
利用所述可用路由资源和所述第一必要路由资源，确定第一操作模式(MOP)，所述第一MOP规定了所述节点在所述第一子网络中的路由类型；
利用所述可用路由资源和所述第二必要路由资源，确定第二MOP，所述第二MOP规定了所述节点在所述第二子网络中的路由类型，其中，所述第一MOP不同于所述第二MOP；以及
根据所述第一MOP在所述第一子网络中对分组进行路由，并且根据所述第二MOP在所述第二子网络中对分组进行路由。
16.根据权利要求13所述的网络，其中，所述MOP是叶MOP、向上MOP、非存储MOP、存储MOP或多播存储MOP，其中，根据所述叶MOP操作的节点不对分组进行路由，其中，根据所述向上MOP操作的节点仅对向上分组进行路由，其中，根据所述非存储MOP操作的节点对所述分组进行路由但不存储路由条目，其中，根据所述存储MOP操作的节点对所述分组进行路由并存储路由条目，并且其中，根据所述多播存储MOP操作的节点对所述分组进行路由且存储路由条目并对信息进行多播。
17.一种在异构无线网络中对分组进行路由的节点，所述节点包括：
收发器，所述收发器发送和接收分组；
存储器，所述存储器存储所述分组的至少一部分、路由条目、子节点-父节点条目、K跳邻居路由偏好；以及
处理器，所述处理器基于多个子网络的目标函数和路由度量的组合来加入多个子网络，并且确定规定了不同子网络的不同路由类型的不同操作模式(MOP)。
18.根据权利要求17所述的节点，其中，所述处理器被配置用于：
根据所述节点中的被分配的路由存储器(ARM)和所述节点的剩余预期路由寿命(ERL)，确定所述节点的可用路由资源；
根据由所述节点用于子网的路由协议、所述节点在所述子网络中的逻辑位置，以及所述子网络中经由所述节点的数据业务，确定所述节点的至少一个必要路由资源，其中，所述必要路由资源的确定包括：确定所述节点用于所述第一子网络的第一必要路由资源并且确定所述节点用于所述第二子网络的第二必要路由资源，其中，所述第一必要路由资源不同于所述第二必要路由资源；
利用所述可用路由资源和所述第一必要路由资源，确定第一操作模式(MOP)，所述第一MOP规定了所述节点在所述第一子网络中的路由类型；
利用所述可用路由资源和所述第二必要路由资源，确定第二MOP，所述第二MOP规定了所述节点在所述第二子网络中的路由类型，其中，所述第一MOP不同于所述第二MOP；以及
根据所述第一MOP在所述第一子网络中对分组进行路由，并且根据所述第二MOP在所述第二子网络中对分组进行路由。
19.根据权利要求18所述的节点，其中，所述处理器被配置用于：
检测所述可用路由资源、所述第一必要路由资源以及所述第二必要路由资源中的至少一方的变化；以及
响应于检测到所述变化，更新所述第一MOP和所述第二MOP中的一方或组合。
20.根据权利要求17所述的节点，其中，所述MOP是叶MOP、向上MOP、非存储MOP、存储MOP或多播存储MOP，其中，根据所述叶MOP操作的节点不对分组进行路由，其中，根据所述向上MOP操作的节点仅对向上分组进行路由，其中，根据所述非存储MOP操作的节点对所述分组进行路由但不存储路由条目，其中，根据所述存储MOP操作的节点对所述分组进行路由并存储路由条目，并且其中，根据所述多播存储MOP操作的节点对所述分组进行路由，并且存储路由条目并对信息进行多播。
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