CN109691183B - 无线网状网络中控制节点的方法、节点、可读存储介质 - Google Patents

Abstract

在无线网状网络中，电池供电的节点可以选择父节点，消息通过父节点路由至另外的节点。父节点可以基于信号强度而初始地选择。如果消息到达，则节点接收到针对所发送的消息的确认。节点基于已接收到确认的消息的数量来计算父节点的可靠性指标。如果可靠性指标超过预定阈值，则节点基于第二选择标准选择新的父节点。例如，具有下一个最大信号强度的节点。

Description

无线网状网络中控制节点的方法、节点、可读存储介质

技术领域

本发明总体涉及一种用于提高无线网状网络中的从一节点通过父节点至另一节点的报告的可靠性的方法。本发明进一步涉及实现该方法的这样的节点和用于执行该方法的计算机程序产品。

背景技术

US 8275313 B1公开了一种节点，该节点在网络中基于以下各项的组合选择父节点：到达公共目的地的跳数、接收信号强度、相关联的子节点数量和潜在父节点的剩余电池电量。

WO 2009/057863 A1公开了一种节点，该节点在网络中基于相邻传感器节点中的每一个的剩余能量信息选择父节点。

在无线网状网络中，节点在数据分布中协作。在设计用于例如智能家居的系统中，这样的无线网状网络相对于传统无线网路可用于以更高可靠性来操作。

在无线网状网络中的节点可作为端节点（非路由节点）或路由节点工作。作为一个示例，在基于无线网状网络的照明系统中，因为照明设备是持续供电的并且可用于路由消息，其可以作为路由节点工作。然而，在相同网络中作为路由节点工作的电池供电的墙壁开关会过快消耗电池。因此，这样的电池供电的墙壁开关将通常作为端节点工作并且将在无线网状网络中通过父节点（路由节点中的一个）通信。该电池供电的墙壁开关然后将通过该父节点接收和发送消息。此父节点将接收和存储从另外的节点发往此端节点的消息，允许该端节点周期性轮询其父节点以检查这样的消息。同样地，该端节点可以通过其父节点发送发往另外的节点的消息。这样的方法的一个好处是限制该端节点通过父节点通信的耗电量。

在无线网状网络中，诸如在ZigBee网络中，端节点例如基于信号强度来执行对父节点的选择。父节点代表端节点路由从该端节点接收的和/或发往该端节点的消息。对于执行报告的端节点而言，这潜在地是次优解决方案，因为最为优选的路由可能未被使用，并且无法保证重要报告事实上将传送至另外的节点。需要提高来自这样的端节点的报告的可靠性。

发明内容

一个目的是提供一种用于控制无线网状网络中的节点的方法和设备，以及用于执行该方法的计算机程序产品，该计算机程序产品提高了从具有父节点的节点至另外的节点的消息传输的可靠性。词语“父节点”应当作广义理解并且覆盖用于转发消息之目的的任意类型的路由节点。

在第一方面，提供了一种控制无线网状网络中节点的方法。该方法包括：节点选择父节点，消息通过该父节点被发送至另外的节点，并且节点基于接收的确认计算可靠性指标。当可靠性指标达到阈值时，该节点选择新的父节点。这是有益的，因为当该父节点不可靠时（或更具体地，从该端节点通过该父节点至另外的节点的传输是不可靠的），选择新的父节点以缓解不可靠父节点对从该节点至另外的节点的消息流的影响。

父节点的选择基于第一选择标准，节点将在无线网状网络中通过该父节点与一个或多个另外的节点通信。作为一个示例，第一选择标准可以是由该节点测量的从该父节点接收的信号的信号强度。该方法进一步包括：该节点在无线网状网络中通过父节点向一个或多个另外的节点中的至少一个节点发送一个或多个消息。因此该父节点将从该节点接收消息，并且例如通过无线网状网络中的其他节点传递该消息至该消息要发往的另外的节点。当消息到达时，接收来自该另外的节点的所有、某些或若干消息的确认。可以在发送至该另外的节点的消息中明确要求确认，或无线网状网络可被配置为默认发送确认；例如对于所有消息、某些消息类型、每N分钟和/或每第N个消息。

该节点通过轮询该父节点以确定已经从消息被发往的另外的（多个）节点接收到确认的消息的数量，来执行对该父节点的可靠性指标的计算。通常，该节点将从该父节点接收确认消息并且执行相关计算。期望的消息（例如基于所发送消息的数量）与接收到的确认的数量的比例是这样的可靠性指标的一个示例。当对每个所发送的消息都期望确认并且十个消息后仅接收到三个确认时，可以确定可靠性指标为例如30%、低或<50%。作为另外的示例，丢失确认的总数量、相继丢失的确认的数量等等可以是用于计算可靠性指标的基础。

该方法在该节点基于第二选择标准选择新的父节点后结束。这只在当可靠性指标超过预定阈值（例如低于、大于或达到一个特定数量，诸如“针对期望得到确认的消息的90%或更少，接收到确认”或“连续丢失三个确认”）时执行。因此，只要该父节点具有足够的可靠性，则该节点利用该父节点。当可靠性指标表示该父节点不可靠时，该节点搜索另一个节点来充当父节点。作为一个示例，第二选择标准可以和第一选择标准相同，但从待选节点中排除了不可靠的父节点。具有第二强的信号强度的路由节点随后将被选作新的父节点。

在根据第一方面的方法的实施例中，该节点选择新的父节点的步骤是有条件的。条件是基于以下各项中的一个或多个：自上一次选择新的父节点后经过的时间（例如至少10分钟），在预定时间段内已选择新的父节点的次数（如一天不超过三次），以及可以从中选择新的父节点的、能够作为父节点运转的节点的数量（例如，如果仅存在一个待选节点，则不选择新的父节点）。这是有益的，因为这防止了节点重复选择新的父节点、从而增加了节点的耗电量，因为搜索和选择父节点的过程会强加相当多的耗电量。

在根据第一方面的方法的另一个实施例中，该节点是发送发往收集器节点的消息的传感器节点。在照明系统中，例如，存在传感器、环境光水平传感器和其他传感器将报告其传感器读数至收集器节点，该收集器节点可以进一步处理接收的传感器读数。该收集器节点可以传递所收集的传感器读数至例如建筑管理系统，或诸如通过用户接口为用户可视化自接收的数据提取的信息（例如基于温度传感器读数示出温度图表）。

在根据第一方面的方法的又一个实施例中，该方法进一步包括：基于可靠性指标，该节点为重传未收到确认的消息选择重传策略。作为一个示例，重传策略包括重发第一类型的消息（由单一事件和/或周期性更新而触发的消息）而不重发第二类型的消息（突发事件）。单一事件的示例是：传感器检测存在、用户按压开关等。周期性更新的示例是：传感器报告环境光水平、传感器报告持续的存在等。突发事件的示例是：用户控制调光器（于是，旋转的每一部分可以是一个消息，从而单一用户转动可以包括一连串消息）、用户使用色轮等。继续该示例，如果在照明系统中用户操作（其他的旋转式）调光器，然后随着用户调亮或调暗，在短时间段内发送若干消息。重发这样的消息不一定是有益的，如在下面两个示例中所解释的。作为第一个示例，如果每个消息包括调亮命令并且照明设备基于接收到这样的命令而受控调亮，那么用户将不断调亮直到达到适当的光照水平。当消息（例如第三个调亮消息）丢失时，下一个消息（第四个消息）无论如何也将是调亮消息，因为用户尚未达到需要的光照水平从而继续调亮。作为第二个示例，如果每个消息包括该照明设备应该调至的绝对水平，那么重发该消息对调亮序列会是不利的。第一个消息调亮至10%、第二个至20%，以此类推，直到第八个消息调亮至80%，此时用户因为达到了需要的光照水平而松开调亮按钮时。假设第七个消息未被确认，那么节点重发此消息可导致照明设备从60%调亮至80%（跳过丢失的70%）并且然后返回至70%（当该消息被重发时；因为考虑到确认的接收，重发只能在一些超时后完成，在重发该70%消息的时刻前，80%消息已经被发送）。这导致不理想的用户体验。

将被重发的消息的示例包括单一事件和周期性报告。单一事件可以包括，例如，用户打开或关闭照明设备、用户设置场景以及存在传感器发送信号以表示检测到存在。如果这样的消息未达到其目的地，那么系统不会如用户期望的那样响应（例如尽管用户按压打开按钮或尽管存在传感器已经检测到存在，但照明设备并未打开）。因此，如果未接收到确认，重发这样的消息是有益的。周期性报告可以在无线网状网络中实施，使得传感器（例如环境光水平传感器或温度传感器）每五分钟进行报告。所报告的信息可以用在另一个系统（诸如建筑管理系统）中，或可以显示在用户接口（诸如墙壁面板）中用于用户观看。当包括周期性报告数据的消息未被例如收集器节点接收到时，那么数据不是最新的。同样地，重发此消息是有益的。然而，作为另一个选择，节点可以配置为，如果下一个报告将在预定时间段内（如在一分钟内）出现，则不重发周期性报告消息。

重传策略可以包括：当未收到确认时通过父节点将消息作为单播消息来重发，通过父节点将其作为广播消息来重发，直接重发消息至该另外的节点或另一个节点（作为单播、广播或组播消息）等等。虽然广播消息使用更多网络资源，但是广播消息增加了消息到达例如收集器节点的机率。绕开不可靠父节点是又一个重发消息的方式，这在正常工作环境下可能是不需要的，然而当父节点不可靠时，这会增加消息到达其目的地的机率。当可靠性指标较高并且消息未被确认时，该节点可以基本上使用与未被确认的消息的消息传输路径相同的消息传输路径、通过父节点作为单播消息重发。然而，当可靠性指标较低时，该节点可选择相对于使用具有低可靠性的该父节点而言具有更高成功机率的重传策略。进一步地，可以把消息类型考虑在内，使得不太关键的消息（例如没有表示自从传感器的上一次报告起变化了的传感器读数）将被通过比更为关键的消息（例如用户按压打开按钮以打开照明设备或存在传感器检测到存在）更节约功率的重传来发送。

在第二方面，提供了一种计算机程序产品，用于当在计算机设备上运行时执行根据第一方面的方法。该计算机设备可以是网络节点，诸如传感器设备。

在第三方面，提供了布置为在无线网状网络中作为节点工作的设备。这样的设备的示例是无线网状网络传感器设备。该设备包括接口和处理器。该接口被布置为在无线网状网络中与节点通信。该处理器被布置为通过该接口发送和接收消息，并且被进一步布置为：选择父节点，通过该父节点发送消息，计算该父节点的可靠性指标，以及当该可靠性指标超过预定阈值时选择新的父节点。该处理器基于第一选择标准选择父节点，该设备在无线网状网络中将通过该父节点与一个或多个另外的节点通信。该处理器在无线网状网络中通过所选择的父节点发送一个或多个发往一个或多个另外的节点中的至少一个节点的消息。该处理器通过轮询该父节点（或以其他方式从该父节点接收）以确定已经从所述消息被发往的一个或多个另外的节点接收到确认的消息的数量，来计算该父节点的可靠性指标。例如，该节点从该父节点接收确认并基于此确定确认丢失的数量。当可靠性指标超过预定阈值时，该处理器基于第二选择标准选择新的父节点。

尽管该设备可以基于根据第一方面的方法的任一实施例来实施，但在此仅明确重述了一个实施例。在根据第三方面的设备的实施例中，处理器被进一步布置为基于可靠性指标为重传未接收到确认的消息选择重传策略。

附图说明

通过参考在下文描述中以示例方式描述的实施例以及通过参考附图，本发明的这些和其他方面将是显而易见的并且得以进一步阐释，在附图中：

图1示意性且示例性示出了无线网状网络；

图2示意性且示例性示出了在图1的无线网状网络中的消息流；以及

图3示意性且示例性示出了在无线网状网络中控制节点的方法。

具体实施方式

在图1中示出了无线网状网络100。该无线网状网络100包括节点110，诸如传感器节点，该节点通过父节点120与另外的节点130（诸如收集器节点）通信。例如，节点110可以发送传感器数据至收集此数据用于进一步处理的另外的节点130。节点110可以是例如电池供电节点、能量采集节点或由于另一个原因而管理其电力资源以实现电力高效的节点。使用父节点120减轻了节点110的负担而不必在无线网状网络100中时刻可用。节点110可以，例如，仅当其需要发送消息或当其需要检查父节点120是否为其持有消息时，才打开其无线网状网络接口，而在剩余的时间处于省电模式。

由节点110发送的消息（诸如传感器读数）将通过父节点120到达另外的节点130。因此，消息从节点110经第一无线路由段122传递至父节点120，并且从父节点120经第二无线路由段124至另外的节点130。在这个简化的示例中，存在两个其他可以用作父节点的节点140，150。父节点120由节点110基于信号强度而选择。可以替代地选择第一替代父节点140和第二替代父节点150中的一个来代替父节点120作为父节点。如果第一替代父节点140由节点110选择为父节点，那么消息从节点110经第三路由段142路由至第一替代父节点140，并继续经过第四路由段144至另外的节点130。如果第二替代父节点150由节点110选择为父节点，那么消息从节点110经第五路由段152路由至第二替代父节点150，并继续经第六路由段154至另外的节点130。

节点120与节点140间的路由和节点120与节点150间的路由未在该示例中示出。这是为了简化给定示例。在网状网络中这些路由通常确实是存在的。

作为第一个示例，节点110已经选择父节点120来转发其消息至另外的节点130。节点110可以计算可靠性指标，该可靠性指标表示在网络中经过父节点至另一个节点（在该示例中至另外的节点130）路由消息的可靠性。当另外的节点130确认消息的接收，那么节点110将针对每个、某些或若干通过父节点120发送的消息接收回复确认消息。基于这些确认消息，可以计算可靠性指标。例如，如果针对每个发送的消息都期望收到确认消息，可以计算由节点110发送的消息中被另外的节点130证实接收到的消息的百分比。当这个百分比降至低于例如90%、或者当这个百分比与平均值相比开始下降（例如，平均而言其可以是80%，然而其降至60%）、或者当未确认的消息的数量超过阈值（例如当连续五个消息、或最近一百个消息中的十个消息未被确认）时，节点110可以选择除其父节点120以外的另一个节点来作为新的父节点工作。在这个示例中，节点110可以选择第一替代父节点140或者第二替代父节点150来作为新的父节点。

用于选择新的父节点的选择标准可以与节点110首次使用于选择父节点120的选择标准相同，诸如信号强度。用于选择新的父节点的选择标准可以从新的父节点的待选节点中排除父节点120。这可以是有条件的，例如如果不存在其他可以选择的节点或如果可以选择的其他节点的信号强度非常低，则保留父节点120可能是有益的。可以存储可靠性数据，使得当新节点将被选择为父节点时，在确定选择哪个节点作为新的父节点时可以将可靠性数据考虑在内。例如，当可以选择作为父节点的具有高于预定阈值的信号强度的所有节点都已经被使用，以及这些节点中的每一个都具有低可靠性时，那么这个信号强度阈值可以降低。

在图2中，解释了在图1的无线网状网络中消息流是如何指向的。节点110通过父节点120发送发往另外的节点130的消息222。父节点120可以确认223消息222的接收，然而这样的确认不表示另外的节点130已经接收到该消息。节点仍然可以针对未被父节点120确认的消息可选地应用独立的重传策略。进一步地，节点110可以不将未被父节点120确认的消息包括在可靠性指标的计算内，或者将其考虑在内。

消息222通过父节点120传递224至另外的节点130。当另外的节点130因为已经接收到所述传递的消息224而发送确认225时，确认225由父节点持有以供节点110获取226。

如所提及的，这是无线网状网络的简化图。通常，在无线网状网络中会存在更多的节点并且可以利用这些其他节点来路由消息。在描述这些图时使用了通用术语，因为该方法可以应用于各种无线网状网络。然而，特别地，该方法适合于无线网状网络，诸如用于例如无线照明系统的Thread、ZigBee（光链路（Light Link））无线网状或任何其他无线网状网络。

图3示出了在无线网状网络中控制节点的方法300的实施例。该方法包括：选择310父节点，发送320消息至另外的节点，计算330可靠性指标，以及选择340新的父节点。父节点的选择310是基于第一选择标准，诸如由未来父节点发射的信号的信号强度。节点将在无线网状网络中通过所选择的父节点与一个或多个另外的节点通信。通常，在无线网状网络中，节点将发送消息至父节点，该父节点转而将转发该消息至其发往的节点。还有，节点将周期地轮询父节点以检查是否存在由父节点持有以供节点获取的任何消息。

由节点在无线网状网络中通过所选择的父节点发往一个或多个另外的节点中的至少一个的消息的发送320将触发确认消息被一个或多个另外的节点中的至少一个节点发送至该节点（即消息发往的节点确认已经接收到消息）。然后，通过为了已经从所述消息发往的一个或多个另外的节点接收到确认的消息的数量而轮询父节点（或以其他方式从父节点接收），可以由该节点执行对父节点的可靠性指标的计算330。通常，这是通过该节点接收每个单独的确认来执行的，该确认是父节点针对被发送的、要求这样的确认的消息而已经接收到的确认。节点然后可以执行例如确认丢失的消息的数量的计算。当可靠性指标超过预定阈值时，诸如当其降至低于被确认消息比上期望确认的所发送的消息的百分比时，该节点将启动选择340新的父节点的过程。这个选择是基于第二选择标准完成的。这些第二选择标准的示例是选择具有（依照节点测量的）最大信号强度的能够充当父节点的节点，然而从待选节点列表中排除具有低可靠性指标的父节点。在一个实施例中，第一和第二选择标准是不同的标准。虽然使用了第一选择标准和第二选择标准的措辞，但这并不排除第一和/或第二选择标准包括唯一标准。

虽然已经在附图和前述说明书中详细解释和描述本发明，但是这样的解释和描述应被认为是释意性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限定于所公开的实施例。本领域技术人员根据附图、公开内容、所附权利要求书的研究，在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变化形式。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实不表示这些措施的结合不能用于获益。对第一、第二、第三等的提及不表示任何的顺序和关系。权利要求书中的任何附图标记不得解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种在无线网状网络中控制节点的方法，所述方法包括：

所述节点基于第一选择标准选择（310）父节点，所述节点在所述无线网状网络中将通过所述父节点与一个或多个另外的节点通信，其中，所述第一选择标准包括信号强度，随后

所述节点在所述无线网状网络中通过所选择的父节点发送（320）一个或多个消息，所述消息为发往所述一个或多个另外的节点中的至少一个节点的消息，随后

所述节点通过从所述父节点接收从所述消息发往的所述一个或多个另外的节点接收的确认来计算（330）所述父节点的可靠性指标，以及随后

当所述可靠性指标超过预定阈值时，所述节点基于第二选择标准选择（340）新的父节点，其中，所述第二选择标准包括信号强度；

其中，所述节点选择（340）新的父节点的步骤是有条件的，基于以下各项中的一个或多个：自上一次选择新的父节点后经过的时间，在预定时间段内已选择新的父节点的次数，以及可以从中选择新的父节点的、能够作为父节点工作的节点的数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述节点选择能够作为父节点运转的、具有依照所述节点测量的最大信号强度的节点作为父节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，虽然所述第二选择标准是信号强度，优先选择除当前父节点以外的节点作为父节点。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述节点是发送发往作为收集器节点工作的另外的节点的消息的传感器节点。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

所述节点基于所述可靠性指标为重传未接收到确认的消息选择重传策略，以及

当消息未被所述消息发往的所述另外的节点确认时，所述节点执行所述重传策略。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述重传策略包括重发第一类型的消息而不重发第二类型的消息。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一类型的消息是由单一事件和/或周期性更新触发的消息，和/或其中，所述第二类型的消息是由突发事件触发的消息。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述重传策略包括当未接收到确认时通过所述父节点将消息作为单播消息重发。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，当未接收到确认时，将所述消息作为广播消息重发。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，当未接收到确认时，所述消息经由非所述父节点的另外的节点和/或直接从所述节点作为单播或广播消息重发。

11.根据权利要求5-10中任一项所述的方法，其中，消息重发不超过预定最大次数。

12.一种计算机可读存储介质，具有存储于其上的指令，所述指令当在处理器上执行时，使所述处理器执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的所有步骤。

13.一种设备（110），被布置为在无线网状网络中作为节点工作，所述设备包括：

接口，被布置为与所述无线网状网络通信，

处理器，被布置为通过所述接口发送和接收消息，

其中，所述处理器被进一步布置为：

基于第一选择标准选择父节点，所述设备在无线网状网络中将通过所述父节点与一个或多个另外的节点通信，其中所述第一选择标准包括信号强度，随后

在无线网状网络中通过所选择的父节点发送一个或多个消息，所述消息为发往所述一个或多个另外的节点中的至少一个节点的消息，随后

通过从所述父节点接收确认来计算所述父节点的可靠性指标，所述确认是从所述消息发往的所述一个或多个另外的节点处接收的确认，以及随后

当所述可靠性指标超过预定阈值时，基于第二选择标准选择新的父节点，其中，所述第二选择标准包括信号强度；

其中，所述处理器选择新的父节点是进一步有条件的，基于以下各项中的一个或多个：自上一次选择新的父节点后经过的时间，在预定时间段内已选择新的父节点的次数，以及可以从中选择新的父节点的、能够作为父节点工作的节点的数量。

14.根据权利要求13所述的设备（110），其中，所述处理器被进一步布置为基于所述可靠性指标为重传未接收到确认的消息选择重传策略，并且其中，所述处理器被布置为当消息未被所述消息发往的所述另外的节点确认时，执行所选择的重传策略。

Images