CN110944323B - 用于管理切换漫游的方法 - Google Patents

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Abstract

在管理切换漫游的情景中，一种通信系统包括第一运营商的第一LPWAN网络和第二运营商的第二LPWAN网络。第一网络包括实施不同的相应传输协议的子网络(100、101、102)。子网络包括至少一个汇聚节点和集成有采集网关的通信节点。第一网络包括互连到第二网络的服务器(140)的服务器(131、134)，服务器与应用服务器(150)和认证服务器(160)对接。通过服务器的连续中继将应用数据的上行链路帧从第二运营商的终端装置(110)发送到应用服务器(150)。然而，当第二运营商的终端装置(110)请求加入通信系统以便受益于应用服务器(150)的服务时，采集网关通过短接其他服务器以及采集网关分别所附接到的汇聚节点来与认证服务器(160)直接通信。

Description

用于管理切换漫游的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在包括第一网络和第二网络的通信系统的情景中管理切换漫游的方法，每个网络基于低功率广域网(LPWAN)通信技术，且其中第一网络包括实施不同传输协议的子网络。
背景技术
物联网正在崛起。物联网代表了互联网对物质世界中事物和地点的延伸。虽然互联网通常不会延伸到电子世界之外，但是物联网代表了从现实世界中存在的设备到互联网的信息和数据的交换，例如用于收集电耗或水耗读数。物联网被认为是互联网的第三次进化，被称为网络3.0。物联网是当前发送和存储的数据量增加的部分原因，因此产生了所谓的“大数据”。物联网具有通用的特性，用于指定针对物体实现通信以用于各种用途，例如在工业、食品、电子卫生和家庭自动化领域。
为了使通信对象(也称为终端设备)能够在物联网环境中通信，通过一组位于地理高点并由运营商部署的收集网关来建立通信系统。除了维护操作之外，这些收集网关通常是固定的和永久的，并且通过无线电与终端设备通信。例如，可以举出SigFox(注册商标)或ThingPark(注册商标)网络的这种模型。这些收集网关根据LPWAN通信技术，诸如例如LoRaWAN(远程广域网)技术，通过中远程无线电通信与终端设备通信，LoRaWAN(远程广域网)技术也称为缩写LoRa(远程)，取自推广LoRaWAN技术的联盟的名称。因此，这些收集网关充当终端设备和通信系统的核心网络(通常由一组服务器组成)之间的中继器。
终端设备通常是由电池供电的设备，因此希望尽可能保持待机状态，以延长电池寿命。为此，这些终端设备在其与核心网络的间接通信中(通过一个或多个收集网关)，应用在LoRaWAN协议中被称为A类的通信机制。该机制包括确定性地为所讨论的终端设备和充当该核心网络的中继器的收集网关定义一个或多个接收窗口，在该接收窗口期间，所讨论的终端设备监听必须进行下行链路通信的通信介质。根据所讨论的终端设备发送上行链路帧的时刻，一个或多个接收窗口开始于预定持续时间的周期末尾，并且也具有预定持续时间。因此，在2017年10月11日的规范1.1版中定义的LoRaWAN协议的情况下，定义了两个接收窗口。然后，在所述接收窗口中的一个或另一个(如果适用)中实现必须寻址到所述终端设备的下行链路帧，特别是为了确认所述上行链路帧。事实上，所讨论的终端设备通常需要知道核心网络实际上已经接收到由所述终端设备发送的上行链路帧。这种方法使得接收窗口在确定终端设备的瞬间开始，并充当服务器的中继的收集网关使该终端设备在此期间处于待机状态，从而节省其电力提供。应该注意的是，这种接收窗口机制有所发展，在LoRaWAN协议中被称为B类，它定义了在由收集网关发送的信标中通知的接收窗口。而且，对于具有更持久的电力提供的终端设备，可以使用在LoRaWAN协议中被称为C类的第三种机制，其中终端设备应该永久监听通信介质。
应当注意，当帧或通信从终端设备传送到核心网络时，是在说上行链路帧或通信，而在相反方向上是在说下行链路帧或通信。
然而，不能确定收集网关和核心网络之间的往返时间是否能够例行遵守预期的接收截止时间，尤其是对于下行链路通信机会很少的A类终端设备。这在终端设备加入通信系统的时刻尤其如此，尤其是在切换漫游的情况下。这种情形通过基于图1中示意性示出的系统架构的、图2中示意性示出的消息交换来说明，在该系统架构中两个运营商的两个网络相互作用以形成通信系统。这与被动漫游情形不同，在被动漫游情形中，MAC(媒体接入控制)层由已与之签约服务订购的运营商的核心网络进行远程管理。切换漫游的主要优点是，MAC层的控制平面由接受核心网络管理，这可以使得终端设备的参数设置(载波频率、扩频因子等)与接受核心网络的实际通信条件更好地匹配，该接受核心网络向中继器提供已取得服务订购的运营商的核心网络。与被动漫游相比，这提高了非常有效地确保服务连续性的能力。
因此，图1示意性地示出了适于切换漫游的物联网通信系统。该通信系统包括与第二运营商的第二LPWAN网络互连的第一运营商的第一LPWAN网络。第一网络包括至少一个收集网关120、121、122(图中表示为GW，代表网关)。收集网关120、121、122相对于第一运营商的第一网络的核心网络具有可用的相应通信链路。图1中示出了第一网络的三个收集网关，但是通信系统可以包括不同数量的收集网关。第二网络也包括这样的收集网关，但是为了简化起见，没有示出这些网关。
在通信系统中，消息必须以帧的形式从一组终端设备(图中表示为ED，代表终端设备)传送到核心网络。虽然通信系统包括两个网络且因此包括两个核心网络，但是终端设备将这两个核心网络视为单个核心网络。换句话说，切换漫游对于终端设备是透明的。出于简化的原因，图1中仅示出了一个终端设备110，但是通信系统通常包括大量终端设备。
每个核心网络都具有监视和收集可从终端设备获得的信息的作用，并且收集网关120、121、122具有终端设备和核心网络之间的中继器的作用。为了实现中继器的这一作用，每个收集网关120、121、122具有至少一个无线电接口，使得所述收集网关能够通过依赖于无线通信介质，并且优选地根据LPWAN通信技术，与至少一个终端设备通信。所述无线电接口例如是LoRa类型的，因此使得在通信系统中实现LoRaWAN数据发送协议成为可能。所述无线电接口使得终端设备可以在多个收集网关的无线电范围内，这取决于所述终端设备相对于收集网关120、121、122的地理位置以及所述终端设备和收集网关120、121、122的环境中的无线电条件。例如，图1中的终端设备110就是这种情况，其在收集网关120、121和122的无线电范围内。此外，每个收集网关120、121、122具有至少一个其他接口，使得所述收集网关能够与核心网络通信。例如，这另一个接口是有线接口，使得通过互联网或GPRS(通用分组无线业务)类型的无线电接口与核心网络通信成为可能。
第一运营商的核心网络适合于与第二网络的核心网络协作执行切换漫游。因此，第一运营商的核心网络包括第一服务器FNS(前向网络服务器)130，其负责代表所述核心网络管理采集网关120、121、122，并尤其确保通过所述采集网关120、121、122从终端装置接收到的上行链路帧的去重。第一运营商的核心网络还包括联接到第一服务器FNS 130的第二服务器SNS(服务网络服务器)134。第二服务器SNS 134负责针对通过由第一服务器FNS 130管理的采集网关120、121、122进行通信的终端装置而控制MAC层。可以在相同的硬件实体中实施第一服务器FNS 130与第二服务器SNS 134。
第二运营商的核心网络包括第三服务器HNS(家庭网络服务器)140，所述HNS是协调第二运营商的核心网络的服务器。此第三服务器HNS130在第二网络中等效于第一网络中的第二服务器SNS 134。此外，第二网络通常还包括与服务器FNS 130等效的服务器，所述服务器联接到第三服务器HNS 140，并管理第二网络的采集网关。
第二运营商的核心网络还包括第四服务器AS 150，所述第四服务器AS实施终端装置110在服务订阅的情景中与之通信，即交换应用数据，的应用。第二运营商的核心网络可以包括多个此类第四服务器AS 150。最后，第二运营商的核心网络还包括第五服务器JS160，所述第五服务器JS负责管理终端装置的订购以便进行必要的订阅检查，以使所述终端装置能够在所述终端装置寻求加入通信系统时受益于第四服务器AS 150的服务。
第四服务器AS 150和第五服务器JS 160被宣告给第三服务器HNS140，并因此连接到第三服务器HNS 140。在与终端装置110的通信的情景中，第二服务器SNS 134与用作第四服务器AS 150和第五服务器JS160的中继的第三服务器HNS 140通信。换句话说，第三服务器HNS 140负责将第四服务器AS 150和第五服务器JS 160与第一网络对接，更具体地说，与第二服务器SNS 134对接。
然而，在存在第一运营商的第二服务器SNS 134与第二运营商的第五服务器JS160直接通信的情况，特别是在第二服务器SNS 134在终端装置110借助于第一服务器FNS130加入网络漫游时还不知道第三服务器HNS 140的身份时。在此情况下，第二服务器SNS134使用在LoRaWAN 1.1规范中被称作JoinEUI的标识符，所述标识符唯一地标识第五服务器JS 160，且终端装置110在所述终端装置110传输的消息中包括所述标识符以便加入网络。接着，第二服务器SNS 134与负责实现域名解析的第六服务器DNS(域名服务器)联系。接着，此第六服务器DNS(未示出)根据所讨论的唯一标识符向第二服务器SNS 134提供用于与第五服务器JS 160联系的地址。接着，第二服务器SNS 134向第五服务器JS 160提供在LoRaWAN 1.1规范中被称作DevEUI的另一标识符，所述标识符唯一地标识终端装置110，使得第五服务器JS 160作为回报相应地提供第三服务器HNS 140的标识，这是因为同一服务器JS 160可以与等同于第三服务器HNS 140的至少一个其他服务器交互。
应注意，服务器之间的其他通信链路(为简化起见未说明)可存在于第一和第二网络中的每一个中，具体地说存在于第四服务器AS 150与第五服务器JS 150之间。
当终端装置110在切换漫游中加入通信系统时，进行消息的交换，如图2中示意性地说明。
在步骤201中，终端装置110通过其无线电接口传输消息JOIN-REQ。此消息在LoRaWAN 1.1规范中被称作Join-request。如前所述，此JOIN-REQ消息包括终端装置110的唯一标识符和第五服务器JS 160的唯一标识符。此消息JOIN-REQ由至少一个采集网关120、121、122捕获。将考虑采集网关121捕获此JOIN-REQ消息。接着，在步骤202中，采集网关将JOIN-REQ消息中继到所述采集网关121所附接到的第一服务器FNS 130。接着，在步骤203中，第一服务器FNS 130将JOIN-REQ消息中继到第二服务器SNS 131。第二服务器SNS 134检测到JOIN-REQ消息与漫游终端装置有关。接着，在步骤204中，第二服务器SNS 134以消息HRS-REQ的形式将JOIN-REQ消息中继到第三服务器HNS 140。此消息在LoRaWAN后端接口1.0规范中称为HRStartReq，其处理LoRaWAN 1.1规范情景中的漫游。此消息HRS-REQ通常含有关于第二服务器SNS 134的MAC层管理的补充信息。接下来，在步骤205中，第三服务器HNS140以消息JREQ的形式将JOIN-REQ消息中继到第五服务器JS 160。此消息在LoRaWAN 1.1规范中称为JoinReq。此JREQ消息通常含有HRS-REQ消息中含有的关于MAC层管理的一些补充信息。接着，第五服务器JS 160执行终端装置110的认证，并在成功认证的情况下，管理终端装置110在通信系统中通信并受益于第四服务器AS 150的服务所需的安全密钥。
接着，将反馈提供给漫游终端装置110。为此，第五服务器JS 160在步骤206中响应于消息JREQ而向第三服务器HNS 140传输消息JANS。此消息在LoRaWAN 1.1规范中称为JoinAns。消息JANS包括待中继到终端装置110的消息JOIN-ACC，且在终端装置110实际上由第五服务器JS 160认证的情况下，消息JANS包括用于确保与终端装置110的安全交换的安全密钥，包括呈由终端装置110已知的密钥加密的形式的待用于与第四服务器AS 150通信的安全密钥。消息JOIN-ACC在LoRaWAN 1.1规范中称为Join-accept。消息JANS重复安全密钥，从而使终端装置110能够在通信系统中进行通信，以使得终端装置110的通信可以由第一运营商的核心网络管理(因此例外在于使终端装置110能够与第四服务器AS 150通信的安全密钥)。在步骤207中，第三服务器HNS 140响应于消息HRS-REQ而向第二服务器SNS 134传输消息HRS-ANS，所述消息HRS-REQ包括消息JANS的内容以及与漫游终端装置110有关的服务简档信息。此消息在LoRaWAN后端接口1.0规范中称为HRStartAns。在步骤208中，第二服务器SNS 134将由第五服务器JS 160创建的消息JOIN-ACC中继到第一服务器FNS 130。接着，在步骤209中，第一服务器FNS 130选择负责将JOIN-ACC消息中继到终端装置110的采集网关，并使所述采集网关跟踪消息JOIN-ACC。将考虑为此第一服务器FNS 130选择采集网关121。接着，在步骤210中，采集网关121通过无线电中继所述消息JOIN-ACC以引起终端装置110的注意。
在上文中，显然管理切换漫游涉及许多消息中继，特别是在各种所涉及服务器之间的中继。这些中继涉及执行中的延迟，这增加了服务器方面的显著处理延迟，特别是关于第五服务器JS 160的处理延迟。这些消息中继有时与要遵守的延迟期限不太兼容，特别是在前述接收窗口的情况下，这意味着终端装置可能必须在加入网络时面对很大困难，因为终端装置未在规定时间内从核心网络接收到任何响应。
希望克服现有技术的这些缺点。在切换漫游的情况下，且更具体地说在实施不同传输协议的子网络用于将终端装置与核心网络互连的情况下，特别希望增加终端装置成功加入网络的机会。这是因为使用实施不同传输协议的子网络会导致传播延迟的差异，从而加大前述的难度。还希望增加终端装置在使用这些子网络实施不同传输协议的情景中分配的时间内进行通信的机会。还希望能够依赖于LoRaWAN 1.1规范中的现有消息格式。
发明内容
为此目的，提议一种用于在通信系统中管理切换漫游的方法，通信系统包括第一运营商的第一LPWAN网络和第二运营商的第二LPWAN网络。第一网络包括：子网络，每个子网络包括至少一个汇聚节点和集成采集网关的通信节点，子网络实施不同的相应传输协议；第一服务器，其用于每个子网络，第一服务器负责管理包括于子网络中的采集网关，每个采集网关通过与相关联单个第一服务器相关联的单个汇聚节点进行通信；以及第二服务器，其联接到任何第一服务器，第二服务器负责针对经由第一网络的采集网关通信的终端装置而控制MAC层。第二网络包括：第三服务器，其负责将第四服务器和第五服务器与第一网络的第二服务器对接，第四服务器，其实施应用，第二运营商的至少一个终端装置在与第二运营商限定的服务订购的情景中与该应用交换应用数据；以及第五服务器，其负责认证寻求加入通信系统的任何终端装置，以便受益于第四服务器的服务。方法使得通信系统在第二运营商的至少一个终端装置通过认证时通过第一服务器、第二服务器和第三服务器的连续中继将包括来自第二运营商的至少一个终端装置的应用数据的上行链路帧发送到第四服务器，并且此外使得上行链路帧被第一网络的至少一个采集网关捕获。方法还使得第一网络的至少一个子网络的已检测到第二运营商的终端装置请求加入通信系统以便受益于第四服务器的服务的每个采集网关与第五服务器通信，以便认证第二运营商的被检测到的终端装置，从而借助于通信接口短接与采集网关相关联的第一服务器、第二服务器和第三服务器，通信接口也短接与采集网关相关联的汇聚节点。因此，尽管存在实施不同传输协议的各种子网络并因此在切换漫游的情况下产生各种传播延迟，但通过短接第一、第二和第三服务器以及与有关采集网关相关联的汇聚节点来显著地缩减延迟，增加了第二运营商的终端装置成功加入通信系统的机会。
根据特定实施例，第一网络具有通过第一网络的采集网关接入通信系统的所有终端装置的地址范围，第五服务器管理第一网络的地址范围中的预定地址子集，并将预定地址子集当中的一个地址分配给第二运营商的任何终端装置，终端装置通过第一网络进行切换漫游并由第五服务器认证。因此，第一网络中的终端装置的寻址保持一致，但短接第一、第二和第三服务器，以便认证第二运营商的终端装置。
根据特定实施例，在与第二运营商的每个认证终端装置的通信被加密的情况下，第五服务器提供经加密的通信所需的安全密钥，且当第一网络的采集网关从第五服务器接收指示第二运营商的终端装置已被成功认证并包括安全密钥的消息时，第一网络的采集网关将安全密钥中继到与采集网关相关联的第一服务器。因此，可将通信的加密和解密委托给除第一网络的已受第五服务器响应的采集网关之外的实体。
根据特定实施例，第一服务器将安全密钥中继到第二服务器。因此，可在第二服务器处建立通信的加密和解密，但短接第一、第二和第三服务器来认证第二运营商的终端装置。另外，第二服务器可借助于另一第一服务器将通信的加密和解密委托给第一网络的另一子网络的实体。
根据特定实施例，为了请求加入通信系统以便受益于第四服务器的服务，第二运营商的每个终端装置发送包括唯一标识第五服务器的标识符的消息，且第一网络的捕获消息的每个采集网关通过先前存储于存储器中的、标识符与用于联系第五服务器的地址之间的关联确定将以哪个地址联系第五服务器。因此，第一网络的每个采集网关可简单地确定必须直接联系第五服务器以及如何联系第五服务器。
根据特定实施例，在以唯一标识第五服务器的标识符对第一网络的每个采集网关进行配置后，第一网络的采集网关即刻请求负责进行域名解析的第六服务器通过唯一标识第五服务器的标识符提供用于联系第五服务器的地址。因此，第一网络的每个采集网关已预期需要联系第五服务器以便在切换漫游中管理第二运营商的终端装置，这通过切换漫游在第二运营商的终端装置希望加入通信系统时相应地缩减处理延迟。
根据特定实施例，在以唯一标识第五服务器的标识符对每个第一服务器进行配置后，每个第一服务器即刻请求负责进行域名解析的第六服务器通过唯一标识第五服务器的标识符提供用于联系第五服务器的地址，且每个第一服务器将标识符与地址的关联传播到与第一服务器相关联的每个采集网关。因此，在切换漫游的情景中，初始化第一网络的采集网关的过程是简单且有效的。
根据特定实施例，当第五服务器接收到从第二运营商的终端装置发出并请求加入通信系统中的相同消息的多个副本时，第五服务器实现数据的去重并按消息的顺序对第一个副本作出响应。因此，尽管短接了第一、第二和第三服务器，以便认证第二运营商的终端装置，但通过第一网络的各种采集网关管理消息副本的并行传送是简单的。
根据特定实施例，当第一网络的采集网关从第五服务器接收指示第二运营商的终端装置已成功通过认证的消息时，采集网关激活委托并对应地通知与采集网关相关联的第一服务器，委托包括以下步骤：为第二运营商的终端装置分配缓冲器，并在其中存储随后通过第一服务器异步接收的有用数据，以引起第二运营商的终端装置的注意；确认随后从第二运营商的终端装置接收到的任何上行链路帧，同时代表第二服务器构建并传输下行链路帧，下行链路帧包括对上行链路帧的相应确认，并且在适用的情况下，包括存储于被分配给第二运营商的终端装置的缓冲器中的有用数据；以及将上行链路帧中继到第一服务器。另外，在接收到下行链路帧来引起第二运营商的终端装置的注意后，采集网关即刻将在下行链路帧中提供的有用数据放置于被分配给第二运营商的终端装置的缓冲器中。因此，增加了第二运营商的终端装置在分配的时间内在通信系统中进行通信的机会。
根据特定实施例，第一网络的每个采集网关接收来自与采集网关相关联的第一服务器的去激活针对第二运营商的终端装置的委托的指令，采集网关执行以下步骤：如果被分配给第二运营商的终端装置的缓冲器是空的，那么与第一服务器确认采集网关已去激活针对第二运营商的终端装置的委托；以及如果被分配给第二运营商的终端装置的缓冲器不是空的，那么维持委托，直到采集网关通过构建并传输下行链路帧来清空缓冲器为止。因此，委托的去激活简单且连贯地进行。
根据特定实施例，第一网络的已相对于第二网络的终端装置激活委托的每个采集网关在构建下行链路帧来引起第二运营商的终端装置的注意时递增下行链路帧计数器的值，并且在下行链路帧中包括下行链路帧计数器的递增后的值，且当采集网关去激活委托时，采集网关向与第一服务器通知下行链路帧计数器的最新值。因此，下行链路帧的计数对于所讨论的第二运营商的终端装置透明地发生。
本发明的另一主题是一种包括第一运营商的第一LPWAN网络和第二运营商的第二LPWAN网络的通信系统。第一网络包括：子网络，每个子网络包括至少一个汇聚节点和集成有采集网关的通信节点，子网络实施不同的相应传输协议；用于每个子网络的第一服务器，第一服务器负责管理包括在子网络中的采集网关，每个采集网关通过与相关联单个第一服务器相关联的单个汇聚节点进行通信；以及第二服务器，其联接到任何第一服务器，第二服务器负责针对经由第一网络的采集网关通信的终端装置而控制MAC层。第二网络包括：第三服务器，其负责将第四服务器和第五服务器与第一网络的第二服务器对接；第四服务器，其实施应用，第二运营商的至少一个终端装置在与第二运营商限定的服务订购的情景中与该应用交换应用数据；以及第五服务器，其负责认证寻求加入通信系统以便受益于第四服务器的服务的任何终端装置。在管理第一网络与第二网络之间的切换漫游的情景中，通信系统被布置为：用于在第二运营商的至少一个终端装置通过认证时通过第一服务器、第二服务器和第三服务器的连续中继将包括来自第二运营商的至少一个终端装置的应用数据的上行链路帧发送到第四服务器，此外使上行链路帧被第一网络的至少一个采集网关捕获。通信系统还使得：第一网络的至少一个子网络的已检测到第二运营商的终端装置请求加入通信系统以便受益于第四服务器的服务的每个采集网关与第五服务器通信，以便认证第二运营商的被检测到的终端装置，从而借助于通信接口短接与采集网关相关联的第一服务器、第二服务器和第三服务器，通信接口也短接与采集网关相关联的汇聚节点。
根据特定实施例，第一网络的子网络是电力线通信网络，其中通信节点是智能电表，且其中每个汇聚装置是数据集中器，且第一网络的另一子网络是提供对因特网的接入的网络，其中通信节点是住宅网关且其中每个汇聚装置是数字用户线接入多路复用器(DSLAM)。
附图说明
通过阅读下文对至少一个示例实施例的描述，上文提到的本发明的特征以及其它特征将会更加清楚，所述描述是相对于附图给出的，在附图中：
图1示意性地说明根据现有技术的物联网的通信系统；
图2示意性地说明在图1的物联网的通信系统中发生的消息交换；
图3A示意性地说明可实施本发明的物联网的通信系统；
图3B示意性地说明图3A的物联网的通信系统的子网络；
图3C示意性地说明图3A的物联网的通信系统的子网络；
图4示意性地说明图3A的物联网的通信系统的子网络的通信节点；
图5示意性地说明图3A的物联网的通信系统中的通信装置的硬件架构；
图6示意性地说明在图3A的物联网的通信系统中发生的消息交换；
图7A示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第一消息封装；
图7B示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第二消息封装；
图7C示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第三消息封装；
图7D示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第四消息封装；
图8A示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第五消息封装；
图8B示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第六消息封装；
图8C示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第七消息封装；
图8D示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第八消息封装；
图9A示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第九消息封装；
图9B示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第十消息封装；
图9C示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第十一消息封装；
图9D示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第十二消息封装；
图10A示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第十三消息封装；
图10B示意性地说明图3A的物联网的通信系统的中使用的第十四消息封装；
图11示意性地说明委托激活算法；
图12示意性地说明上行链路帧处理算法；以及
图13示意性地说明下行链路帧处理算法。
具体实施方式
图3A示意性地说明可实施本发明的物联网的通信系统。图3A的物联网通信系统部分地重复图1的物联网的通信系统。然而，第一网络包括多个子网络100、101、102，每个子网络包括至少一个汇聚节点装置和将采集网关集成到LPWAN技术的通信节点。下文关于图3B和图3C详细描述此方面。子网络100、101、102实施不同的相应传输协议。在第一网络中可以存在实施相同传输协议的多个子网络，前提是第一网络还包括不同的传输协议子网络。每个子网络100、101、102都有第一服务器FNS 131、132、133。第一网络的每个采集网关与通过单个相关联的采集节点相关联的单个第一服务器FNS 131、132、133通信。
出于纯粹说明的目的，图3A示出另一切换漫游终端装置111。这旨在示出可通过采集第一网络的属于不同子网络的网关来捕获由每个终端装置110、111传输的上行链路帧。
与图1的物联网的通信系统不同，图3A的物联网的通信系统包括一方面第一网络的至少一个子网络100、101、102的采集网关与另一方面第二网络的第五服务器JS 160之间的连接。下文结合图4对此进行详细描述。应注意，一或多个子网络或所有子网络100、101、102的采集网关可以包括与第五服务器JS 160的这些连接。如果一或多个子网络及其与其相应第一服务器FNS 131、132、133的连接在延迟方面具有优于第一网络的其他子网络的连接的性能，那么所述采集网关可以避免与第五服务器JS 160建立直接连接。为了简化起见，在下文中考虑第一子网络的每个采集网关与第五服务器JS 160直接连接。
第五服务器JS 160被宣告给第一网络的每个采集网关，所述采集网关因此连接到第五服务器JS 160。在第一运营商与第二运营商之间签订的漫游协议之后完成第五服务器JS 160对第一网络的每个采集网关的此宣告。如在所述采集网关与第一服务器FNS 131、132、133之间，可在第一网络的采集网关和第五服务器JS 160之间使用相同类型的通信介质，所述第一服务器分别与所述采集网关相关联。然而，可以使用另一种类型的通信介质。
如下文详述，第一网络的采集网关与第五服务器JS 160之间的此直接关系使得有可能通过短接第一FNS 131、132、133、第二SNS 134以及第三HNS 140服务器来简化消息交换，并因此在终端装置110、111通过切换漫游加入通信系统时减少产生的延迟。第一网络的每个采集网关还包括用于与第五服务器JS 160通信的通信接口，该通信接口还短接汇聚节点，所述采集网关通过所述汇聚节点和与其相关联的第一服务器FNS 131、132、133进行通信。下文关于图4详细描述此方面。
第五服务器JS 160对第一网络的每个采集网关的宣告包括提供在LoRaWAN 1.1规范中被称作JoinEUI的标识符，所述标识符唯一地标识第五服务器JS 160。作为提醒，终端装置110、111将此标识符包括在所述终端装置110、111发送以便加入通信系统的消息JOIN-REQ中，且因此第一网络的每个采集网关都需要预先知晓所述标识符以在漫游终端装置110、111与第五服务器JS 160之间建立连接。
在特定实施例中，在此宣告之后，第一网络的每个采集网关接着联系第六服务器DNS，所述第六服务器DNS根据所讨论的唯一标识符向所述采集网关提供用于联系第五服务器JS 160的地址。
在变型的特定实施例中，宣告时使得与用于联系第五服务器JS 160的地址相关联地提供所讨论的唯一标识符。
在特定实施例中，首先在第一运营商与第二运营商之间签订的漫游协议之后对每个第一服务器FNS 131、132、133进行宣告，且每个第一服务器FNS 131、132、133将所讨论的宣告跟踪到与所述第一服务器FNS131、132、133相关联的每个采集网关。这简化了第五服务器JS 160的宣告。应注意，一种可能性是每个第一服务器FNS 131、132、133联系第六服务器DNS，所述第六服务器DNS根据所讨论的唯一标识符向其提供用于联系第五服务器JS 160的地址，并且每个第一服务器FNS 131、132、133与用于联系第五服务器JS 160的地址相关联地将所讨论的唯一标识符发送到与其相关联的每个采集网关。
应注意，采集网关与任何服务器之间以及服务器本身之间的通信优选地基于因特网协议(IP协议)，如规范文档RFC 791中所定义。下文关于图7A至图7D、图8A至图8D、图9A至图9D、图10A和图10B描述此方面。
图3B示意性地说明图3A的物联网的通信系统的子网络100。子网络100包括连接到子网络100的汇聚节点174的通信网络170、171、172、173。通信节点170、171、172、173分别集成采集网关GW 123、124、125、126。一些通信节点172可履行其他通信节点170、171与汇聚节点174之间的中继的角色。子网络100可能包括附接有另外其他的通信节点(为了简化起见未示出)的一或多个其他汇聚节点175。子网络100的每个汇聚节点174、175附接到第一服务器FNS 131。子网络100优选地是电力线通信网络，通信节点170、171、172、173是负责监视相关电气设施的分配和电力消耗的智能仪表SM，且汇聚节点174、175是数据集中器DC，其负责将所述智能仪表SM与负责配置所述智能仪表SM并收获由所述智能仪表SM提供的计量读数的服务器(未示出)对接。举例来说，通信节点170、171、172、173与汇聚节点174之间的通信由G3-PLC协议或PRIME协议支持。
图3C示意性地说明图3A的物联网的通信系统的子网络101、102。子网络101、102包括连接到子网络101、102的汇聚节点190的通信节点180、181、182。通信节点180、181、182分别集成有采集网关GW 127、128、129。子网络100可能包括附接有另外其他的通信节点(为了简化起见未示出)的一或多个其他汇聚节点191。子网络101的每个汇聚节点190、191附接到第一服务器FNS 132。子网络102的每个汇聚节点190、191附接到第一服务器FNS 133。子网络101、102优选地是提供对因特网的接入的网络，通信节点180、181、182是呈住宅网关RGW形式的路由器，且汇聚节点190、191是数字用户线接入多路复用器DSLAM。举例来说，通信节点180、181、182与子网络101中的汇聚节点190之间的通信由非对称数字用户线协议ADSL、ADSL2或ADSL2+支持。举例来说，通信节点180、181、182与子网络102中的汇聚节点190之间的通信由特高位速率的数字用户线路协议VDSL或VDSL2支持。
图4示意性地说明图3A的物联网的通信系统的子网络的通信节点COM 200，如例如图3B和图3C中介绍。通信节点COM 200集成有执行采集网关GW 440的功能的一或多个电子部件。通信网络COM 200还集成执行主要功能性MFC 430的一或多个电子部件，所述功能性涉及在关于图3B描述的子网络100的示例中消耗的电量的计量，并涉及提供关于图3C描述的子网络101、102的示例中的因特网接入的路由。通信网络COM 200还可以在执行主要功能性MFC 430的电子部件中集成辅助功能性。
执行主要功能性MFC 430的电子部件连接到第一通信接口IF1 410，所述第一通信接口IF1 410使得有可能与附接有所述通信节点COM 200的汇聚节点通信，并可以连接到至少一个第二通信接口IF2 411，以使得有可能在主要功能性MFC 430和可选的前述辅助功能性的环境中进行通信。
执行采集网关GW 440的功能的电子部件连接到第一通信接口IF1410，这使得有可能通过附接有所述通信节点COM 200的汇聚节点与第一服务器FNS 131、132、133通信。执行采集网关GW 440的功能的电子部件还连接到第三通信接口IF1 412，以使得有可能通过无线电与终端装置110、111通信。执行采集网关GW 440的功能的电子部件还连接到第四通信接口IF4 413，以使得有可能通过短接第一服务器FNS 131、132、133、第二服务器SNS 134和第三服务器HNS 140以及所述通信节点COM200所附接到的汇聚节点来与第五服务器JS 160通信。
图5示意性地说明图3A的通信系统的通信装置的硬件架构的示例。可基于此类硬件架构来构建集成采集网关的每个终端装置和/或每个通信节点和/或每个汇聚节点和/或每个核心网络服务器。
通信装置包括通过通信总线510连接的以下各项：处理器或中央处理单元(CPU)501；随机存取存储器RAM 502；只读存储器ROM 503；存储单元或存储媒体读取器，例如安全数字(SD)卡读取器504或硬盘驱动器HDD；一或多个通信接口505。
处理器501能够执行从ROM存储器503、从外部存储器、从存储媒体、或从通信网络加载于RAM存储器502中的指令。当对所讨论的通信装置加电时，处理器501能够从RAM存储器502读取指令并执行所述指令。这些指令形成计算机程序，所述计算机程序致使通过处理器501实施此处关于所讨论的通信装置所描述的算法和步骤中的全部或一些。
因此，通过由例如数字信号处理器(DSP)或微控制器等可编程机器执行一组指令，可以软件实施此处所描述的算法和步骤中的全部或一些。也可通过机器或专用部件以硬件实施此处所描述的算法和步骤中的全部或一些，所述机器或专用部件例如使现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。一般来说，所讨论的通信装置包括适合且被配置为用于实施此处关于所讨论的通信装置描述的算法和步骤的电子电路系统。
图6示意性地说明终端装置110(例如)通过漫游加入通信系统时在图3的物联网的通信系统中发生的消息交。在相应帧中交换这些消息。
在步骤601中，终端装置110通过其无线电接口传输消息JOIN-REQ。此步骤与关于图2描述的步骤201相同。因此，此JOIN-REQ消息包括终端装置110的在LoRaWAN 1.1规范中被称作DevEUI唯一标识符，以及第五服务器JS 160的唯一标识符。
此JOIN-REQ消息由第一网络的至少一个采集网关捕获。将考虑采集网关128捕获此JOIN-REQ消息。在步骤602中，采集网关128以如前所述的消息JREQ的形式将JOIN-REQ消息直接中继到第五服务器JS160。因此，短接采集网关128相关联的第一服务器FNS 132、第二服务器SNS 134和第三服务器HNS 140。这同样适用于汇聚节点DSLAM 190。借助于含于JOIN-REQ消息中并唯一地标识第五服务器JS 160的标识符，采集网关128检测到终端装置110正在漫游且第二运营商的核心网络负责检查终端装置110具有合适的订阅，且优选地负责认证终端装置110，也就是说，确认传输JOIN-REQ消息的终端装置实际上是对应于所提供唯一标识符的终端装置110。
在LoRaWAN 1.1规范中定义的消息格式的特定情况下，消息JREQ采用消息JoinReq的形式。采集网关128在专用于JoinReq消息的字段中复制漫游终端装置110在步骤601处传输的加入请求消息中键入的称为DevEUI的唯一终端装置标识符，此外，MACversion、DLSettings和RxDelay字段的值固定为默认值。应注意，随后可运用终端装置110通过来自第二服务器SNS 134的MAC命令修改DLSettings和RxDelay值，以便将所述值调整成第一运营商的核心网络的实际要求。
在接收到JREQ消息后，第五服务器JS 160即刻检查终端装置110是否具有用于在切换漫游中接入第四服务器AS 150的服务的合适订阅。优选地，第五服务器JS 160实现对终端装置110的认证。在特定实施例中，在成功认证的情况下，第五服务器JS 160获得(例如，生成)终端装置110在通信系统中以加密方式进行通信并受益于第四服务器AS 150所需的安全密钥。
第五服务器JS 160构建包括待中继到终端装置110的消息JOIN-ACC的消息JANS。当必须加密与终端装置110的后续通信且终端装置110实际上由第五服务器JS 160认证时，消息JOIN-ACC还包括使终端装置110能够获得用于保护与终端装置110的交换的安全密钥的信息。以对终端装置110也已知的密钥加密的形式，消息JOIN-ACC优选地还包括用于与第四服务器AS 150通信的安全密钥。后一安全密钥是加密的，因为其不必为第一网络的采集网关所知，也不必为第一运营商的核心网络所知。除了JOIN-ACC消息之外，消息JANS还可以包括用于保护与终端装置110的交换的安全密钥(因此例外在于使终端装置110能够与第四服务器AS 150通信的安全密钥)。这简化了JANS消息将被寻址的采集网关对这些安全密钥的恢复。
当使用LoRaWan 1.1规范中定义的消息格式时，第五服务器JS 160可修改由采集网关128传输的JREQ消息的MACversion、DLSettings和RxDelay字段中提议的默认值。当第一运营商与第二运营商之间签约的漫游协议定义待使用的默认值且这些默认值被键入到第二运营商的第五服务器JS 160的存储器中而不需要将所述值写在入第一运营商的采集网关的存储器中时，情况尤其如此。如已指示，随后可运用终端装置110通过来自第二服务器SNS 134的MAC命令修改DLSettings和RxDelay值，以便将所述值调整成第一运营商的核心网络的实际要求。
在特定实施例中，为了能够在通信系统中进行通信，终端装置110必须动态地归属于LoRaWan 1.1规范中被称作DevAddr的地址。在根据图1中的架构漫游的情景中，此地址由第二服务器SNS 134归属。在此处，由于第二服务器SNS 134不参与JOIN-REQ消息的中继，因此第五服务器JS 160将归属此地址。为此，在漫游协议的情景中，将第一运营商的地址范围的预定子集的管理单独委托给第二运营商的第五服务器JS160。谈到地址的提供。当所述第五服务器JS 160成功认证漫游终端装置时，第五服务器JS 160接着归属第一运营商的地址范围的所述预定子集的地址，并在JOIN-ACC消息中指示哪个地址已因此被归属。可以在漫游协议之后利用第二服务器SNS 134和第五服务器JS 160来对地址的提供进行配置。在变型中，通过第二服务器SNS 134与第五服务器JS 160之间的消息交换来协商其管理被委托给第二运营商的第五服务器JS 160的第一运营商的地址范围。
接着，第五服务器JS 160必须区分所述第一服务器JS 160必须归属地址的情况(漫游终端装置)与所述第五服务器JS 160必须不归属地址的情况(非漫游终端装置)。为此，由采集网关发送的JREQ消息的格式可与第三服务器HNS 140发送的JREQ消息的格式分开，即具有不同格式。在变型中，JREQ消息字段的具体值可被保留用于采集网关并且被禁止到第三服务器HNS 140。在另一变型中，第五服务器JS 160知晓第三服务器HNS 140的地址，第五服务器JS 160能够检测所接收到的JREQ消息来自除第三服务器HNS 140之外的装置的项目并决定在何处适用于从所提供地址当中归属地址。
接下来，在步骤603中，第五服务器JS 160响应于在步骤602处接收到的JREQ消息而传输JANS消息。因此，第五服务器JS 160直接对采集网关128作出响应。
接着，在步骤604中，采集网关128通过无线电中继JOIN-ACC消息以引起终端装置110的注意。采集网关128在JOIN-ACC消息中恢复由第五服务器DNS 160归属于终端装置110的地址。在适用的情况下，采集网关128还在JANS消息中恢复对第一核心网络有用的安全密钥。在步骤605中，采集网关128通知第一运营商的核心网络JOIN-ACC消息已被发送到终端装置110。为此，采集网关121向第一服务器FNS 132传输包括终端装置110的唯一标识符的通知消息JOIN-NOT，以及由第五服务器JS 160分配给终端装置110的地址。因此，向第一网络的核心网络通知漫游终端装置110的存在。
在必须加密与终端装置110的后续通信的情况下，通知消息JOIN-NOT包括由采集网关128恢复的安全密钥。这使得第一网络的核心网络能够在切换漫游的情景中代表第二运营商认证并解密来自终端装置110的通信。第一服务器FNS 132负责跟踪到第二服务器SNS 134的适当信息(图6中未示出)。在建立委托(如下所述)的情况下，这还使得第一网络的核心网络能够将委托委托给另一采集网关。
在JOIN-REQ消息由第一网络的至少一个其他采集网关捕获的情况下，每个所述其他采集网关还以与上文相对于采集网关128所描述相同的方式将JOIN-REQ消息中继到第五服务器JS 160。在根据LoRaWAN 1.1规范的Join-request消息的情况下，例如第五服务器JS160将检测到所述情况，同时注意到字段“Nonce”在因此接收到的各种JOIN-REQ消息中具有相同值。接着，第五服务器JS 160负责对如此接收到的JOIN-REQ消息进行去重，并决定在中继JOIN-REQ消息的采集网关当中对哪个采集网关作出响应。在特定实施例中，第五服务器JS 160对向其中继JOIN-REQ消息的第一个采集网关作出响应。在变型中，第五服务器JS160对从中继JOIN-REQ消息的采集网关当中随机选择的采集网关作出响应。在另一变型中，中继JOIN-REQ消息的每个采集网关关联地指示来自终端装置110的接收到的信号强度指示符RSSI，且第五服务器JS 160对提供来自终端装置110的最佳接收到的信号强度指示符的采集网关作出响应。
因此，通过在第一运营商的采集网关与第二运营商的第五服务器JS160之间直接提供通信，漫游终端装置110传输JOIN-REQ消息与所述终端装置110接收到JOIN-ACC消息之间的延迟减少。
当终端装置110已经接收到确认认证成功的JOIN-ACC消息时，终端装置110已加入通信系统。接着，终端装置110能够与第四服务器AS150进行上行链路通信，并从核心网络接收下行链路通信。是通过从DSLAM汇聚节点190和第一服务器FNS 132、第二服务器SNS 134和第三服务器HNS 140到第四服务器AS 150的连续中继执行终端装置110与第四服务器AS150之间的通信。
当通信被加密时，借助于由第五服务器JS 160，通常由第二服务器SNS 134在第一服务器FNS 132进行中继之后提供的安全密钥，第五网络的核心网络认证上行链路通信。接着，第二服务器SNS 134将上行链路通信的内容中继到第三服务器HNS 140，所述第三服务器HNS接着将所述内容中继到第四服务器AS 150以进行应用处理。因负责管理MAC层，第二服务器SNS 134确认来自漫游终端装置110的上行链路帧并向所述终端装置110中继从第四服务器AS 150接收到的数据以引起所述漫游终端装置110的注意，并在适用的情况下对下行链路帧进行加密。
在处理所述上行链路帧的情况下，延迟的问题不那么重要，这是因为第五服务器JS 160没有干预，所述第五服务器JS的处理操作，特别是对于认证并获得安全密钥，在终端装置加入通信系统时具有重大影响。然而，特定实施例还使得有可能还在上行链路帧的处理和下行链路帧的管理的情景中改善延迟。接着，特别地将上行链路帧的确认的管理委托给采集网关。接着谈到“委托”。在通信介质上且主要在根据其上行链路帧的传输时刻而定义的接收窗口期间监听的终端装置的情况下，也就是说在LoRaWAN 1.1规范中的“A类”和“B类”下终端装置的情况下，此委托方法尤其有利。下文关于图11至图13详细描述此方面。
图7A示意性地说明在子网络100是根据G3-PLC协议的电力线网络的示例中使用的第一消息封装。底协议层是G3-PLC协议的底协议层，其上覆盖有IPv6低功耗无线个人局域网(6LowPAN)类型的协议层，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有用户数据报协议(UDP)类型的协议层。应注意，可以使用传输控制协议(TCP协议)代替UDP协议。这些层形成协议栈，其封装从集成于智能仪表SM中的采集网关GW中继到所述智能仪表SM所附接到的汇聚节点DC的LoRaWAN消息。LoRaWAN消息伴随有指定分别相关的采集网关GW的IP地址和其他信息M的容器，所述其他信息例如是接收到的信号强度指示符RSSI和表示来自分别相关的终端装置的所述LoRaWAN消息的相应接收时刻的信息。
图7B示意性地说明在子网络100是根据例如G3-PLC协议的电力线网络的示例中使用的第二消息封装。底协议层是用于移动接入互联网的协议(例如2G、3G或4G类型)，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有TCP类型的协议层，其上覆盖有超文本传输协议安全(HTTPS)类型的协议层。这些层形成协议栈，其封装从所讨论的汇聚节点DC中继到第一服务器FNS 131的LoRaWAN消息。LoRaWAN消息分别伴随有与图7A中相同的容器。
图7C示意性地说明在子网络100是根据例如G3-PLC协议的电力线网络的示例中使用的第三消息封装。底协议层是图7B的用于移动接入互联网的协议的底协议层，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有TCP类型的协议层，其上覆盖有HTTPS类型的协议层。这些层形成协议栈，其封装从第一服务器FNS 131中继到所讨论的汇聚节点DC的LoRaWAN消息。LoRaWAN消息伴随有相应容器，所述容器指定分别相关的采集网关GW的IP地址以及表示所述LoRaWAN消息应被发送到相关终端装置的相应时刻的信息TxD。
图7D示意性地说明在子网络100是根据G3-PLC协议的电力线网络的示例中使用的第四消息封装。底协议层是G3-PLC协议的底协议层，其上覆盖有6LowPAN类型的协议层，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有UDP类型的协议层，如同图7A。这些层形成协议栈，其封装从有关汇聚节点DC中继到集成有关的集成采集网关GW的智能仪表SM的LoRaWAN消息。LoRaWAN消息伴随有指定信息TxD的容器，所述信息TxD表示所述LoRaWAN消息应被发送到相关终端装置的相应时刻。
图8A示意性地说明在子网络101是提供对ADSL、ADSL2或ADSL2+类型互联网的接入的示例中使用的第五消息封装。底协议层是ADSL、ADSL2或ADSL2+协议的底协议层，其上覆盖有异步传输模式适配层5(AAL5)类型的协议层，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有TCP类型的协议层。这些层形成封装LoRaWAN消息的协议栈，所述LoRaWAN消息从集成于住宅网关RGW中的集合网关中继到所述住宅网关RGW附接到的汇聚节点DSLAM。LoRaWAN消息伴随有指定分别相关的采集网关的IP地址和其他信息M的容器，所述其他信息例如是接收到的信号强度指示符RSSI和表示来自分别相关的终端装置的所述LoRaWAN消息的相应接收时刻的信息。
图8B示意性地说明在子网络101是提供对ADSL、ADSL2或ADSL2+类型互联网的接入的示例中使用的第六消息封装。形成协议栈的第六封装与图7B的封装相同，所述协议栈封装从有关的汇聚节点DSLAM中继到第一服务器FNS 132的LoRaWAN消息。
图8C示意性地说明在子网络101是提供对ADSL、ADSL2或ADSL2+类型互联网的接入的示例中使用的第七消息封装。形成协议栈的第七封装与图7C的封装相同，所述协议栈封装从第一服务器FNS 132中继到有关的汇聚节点DSLAM的LoRaWAN消息。
图8D示意性地说明在子网络101是提供对ADSL、ADSL2或ADSL2+类型互联网的接入的示例中使用的第八消息封装。底协议层是ADSL、ADSL2或ADSL2+协议的底协议层，其上覆盖有AAL5类型的协议层，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有TCP类型的协议层，如同图8A。这些层形成协议栈，其封装从有关的汇聚节点DSLAM中继到集成有关的集成采集网关GW的住宅网关RGW的LoRaWAN消息。LoRaWAN消息伴随有指定信息TxD的容器，所述信息TxD表示所述LoRaWAN消息应被发送到相关终端装置的相应时刻。
图9A示意性地说明在子网络102是提供对VDSL或VDSL2类型互联网的接入的示例中使用的第九消息封装。底协议层是VDSL或VDSL2类型的底协议层，其上覆盖有以太网类型的协议层，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有TCP类型的协议层。这些层形成封装LoRaWAN消息的协议栈，所述LoRaWAN消息从集成于住宅网关RGW中的集合网关中继到所述住宅网关RGW附接到的汇聚节点DSLAM。LoRaWAN消息伴随有指定分别相关的采集网关的IP地址和其他信息M的容器，所述其他信息例如是接收到的信号强度指示符RSSI和表示来自相关终端装置的所述LoRaWAN消息的相应接收时刻的信息。
图9B示意性地说明在子网络102是提供对VDSL或VDSL2类型互联网的接入的示例中使用的第十消息封装。形成协议栈的第十封装与图7B的封装相同，所述协议栈封装从所讨论的汇聚节点DSLAM中继到第一服务器FNS 133的LoRaWAN消息。
图9C示意性地说明在子网络102是提供对VDSL或VDSL2类型互联网的接入的示例中使用的第十一消息封装。形成协议栈的十一封装与图7的封装相同，所述协议栈封装从第一服务器FNS 133中继到有关的汇聚节点DSLAM的LoRaWAN消息。
图9D示意性地说明在子网络102是提供对VDSL或VDSL2类型互联网的接入的示例中使用的第十二消息封装。底协议层是VDSL或VDSL2协议的底协议层，其上覆盖有以太网类型的协议层，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有TCP类型的协议层。如同图9A。这些层形成协议栈，其封装从有关的汇聚节点DSLAM中继到集成有关的集成采集网关GW的宅网关RGW的LoRaWAN消息。LoRaWAN消息伴随有指定信息TxD的容器，所述信息TxD表示所述LoRaWAN消息应被发送到相关终端装置的相应时刻。
图10A示意性地说明采集网关GW与第五服务器JS 160直接通信时图3A的物联网的通信系统的中使用的第十三消息封装。底协议层是用于移动接入互联网的协议(例如2G、3G或4G类型)，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有TCP类型的协议层，其上覆盖有HTTPS类型的协议层。这些层形成封装从分别相关的采集网关GW发送到第五服务器JS 160的JREQ消息的协议栈，如关于图6所描述。JREQ消息伴随有相应容器，所述容器指定分别相关的采集网关GW的IP地址。
图10B示意性地说明第五服务器JS 160与采集网关GW直接通信时图3A的物联网的通信系统的中使用的第十三消息封装。底协议层是图10A的用于移动接入互联网的协议的底协议层，其上覆盖有IPv6类型的协议层，其上覆盖有TCP类型的协议层，其上覆盖有HTTPS类型的协议层。这些层形成协议栈，其封装从第五服务器JS 160发送到分别相关的采集网关GW的JANS消息。这些JANS消息伴随有相应容器，所述容器指定分别相关的采集网关GW的IP地址以及表示对应JOIN-ACC消息应被发送到相关终端装置的相应时刻的信息TxD。
应注意，在变型中，除了仅包括IPv6协议的图7A和图7D以外，有可能针对关于图7A至图10B的所有协议封装使用IPv4协议以代替IPv6协议。
图11示意性地说明特定实施例中的用于相对于切换漫游终端装置进行委托激活的算法。图11中的算法由第一网络的每个采集网关实施。将借助于说明考虑图11中的算法由采集网关128实施。
在步骤1101中，采集网关128检测待管理的漫游终端装置。此时，采集网关128已经将JREQ消息发送到用于所述漫游终端装置的第五服务器JS 160并已反过来从第五服务器JS 160接收到JANS消息。接着可以谈到“选定采集网关”，因为在此处其已由第五服务器JS160选择来建立委托。第一服务器FNS 132或第二服务器SNS 134随后决定将委托授予另一采集网关GW时经出现另一种情况，在此情况下，第一服务器FNS132通知直到当时被授予委托的采集网关GW并等待确认。接下来，通过有关的第一服务器FNS 131、133的第一服务器FNS 132或第二服务器SNS 134向此另一采集网关GW发送激活所述切换漫游终端装置的委托的指令。这是因为关于终端装置的委托一次仅可被授予单个采集网关GW，以避免上行链路帧确认的任何冲突。
在步骤1102中，采集网关128在内部激活对所讨论的漫游终端装置的委托。因此，采集网关128跟踪必须代表第一网络的核心网络确认从所述漫游终端装置接收到的上行链路帧。
在激活委托的情景中，采集网关128初始化被委托给用于所讨论的终端装置的下行链路传输的缓冲器。因此，此缓冲器被分配给所述漫游终端装置，并从核心网络的视角，使得有可能使针对所述漫游终端装置的下行链路传输相对于来自所述漫游终端装置的上行链路传输呈异步。在第一服务器FNS 132试图将委托授予另一采集网关GW的情况下，采集网关128检查与所述委托相关联的缓冲器是否是空的。换句话说，采集网关128检查用于引起所讨论的漫游终端装置的注意的有用数据是否仍在等待传输。如果缓冲器是空的，那么启用采集网关128以去激活委托并向第一服务器FNS 130发送确认；否则，采集网关128必须继续以确认来自所述漫游终端装置的上行链路帧直到缓冲器变空为止。一旦缓冲器是空的，那么采集网关128停止确认来自所述漫游终端装置的上行链路帧，将确认发送到第一服务器FNS 132，并释放针对所讨论的委托而分配的缓冲器。在一些实施例中，上行链路帧计数器由终端装置维护，且下行链路帧计数器由核心网络维护。分别在上行链路帧和下行链路帧的专用字段中指示这些计数器的当前值。在委托的情况下，与授权所适用的漫游终端装置相关联的下行链路帧计数器由选定采集网关GW维护。接着，在被发送到第一服务器FNS132的确认中，采集网关128包括下行链路帧计数器的值。第一服务器FNS 132或在适用的情况下服务器SNS 134通知被授予委托的其他采集网关GW，以使得此另一采集网关GW可以确保下行链路帧的计数的连续性。这使得有可能确保委托对于所述漫游终端装置保持透明。
图12示意性地说明上行链路帧处理算法。在特定实施例中，图12中的算法由第一网络的每个采集网关实施。将借助于说明考虑图12中的算法由采集网关128实施。
在步骤1201中，采集网关128接收来自终端装置的上行链路帧。上行链路帧指定所述上行链路帧发出的终端装置的地址。
在步骤1202中，采集网关128检查终端装置是否是已利用采集网关128激活了委托的漫游终端装置。如果情况如此，那么执行步骤1204；否则，执行步骤1203。
在步骤1203中，采集网关128将上行链路帧跟踪到核心网络，即跟踪到第一服务器FNS 132，以使得所述上行链路帧可到达第四服务器AS150以便处理其应用内容。采集网关128在此处简单地用作中继，并临时跟踪相对于所述上行链路帧从核心网络预期反馈的事实，至少以确认所述上行链路帧并可选地提供额外有用数据。
采集网关128跟踪所述上行链路帧的接收和接收到所述上行链路帧的时刻，以便能够随后确定应在什么时刻作为响应而发送至少包括所述上行链路帧的确认的下行链路帧。当采集网关128随后从核心网络接收待响应于所述上行链路帧而被跟踪到所讨论的终端装置的下行链路帧时，核心网络提供表示持续时间的时间信息，且采集网关128将所述持续时间添加到接收到所述上行链路帧的时刻，以便确定应在什么时刻发送所述下行链路帧。
在变型中，采集网关128为所述终端装置调度至少一个接收窗口，其中采集网关128应当中继随后将由核心网络提供的下行链路帧。采集网关128接着监视其在适当的时间内响应于所述上行链路帧而接收待跟踪到所讨论的终端装置的下行链路帧，以遵守如此编程的所述接收窗口。
在步骤1204中，采集网关128必须代表核心网络确认在步骤1201处接收到的上行链路帧。这意味着相关终端装置正在漫游，且采集网关128具有用于预期针对所述终端装置的确认的委托。当必须在根据所述上行链路帧的传输时刻定义的所述接收窗口中进行确认时，采集网关128确保所述终端装置正在监听通信介质。采集网关128检查与所述终端装置相关联的缓冲器是否含有由核心网络提供的有用数据以引起所述终端装置的注意。如果缓冲器不含有此有用数据，那么采集网关128构建包括前述确认的下行链路帧，并在适当的时刻将如此构建的下行链路帧发送到所述终端装置。否则，采集网关128构建包括前述确认并且还包括存储于缓冲器中的数据的下行链路帧。接着从缓冲器中删除这些数据，且采集网关128在适当的时刻将如此构建的下行链路帧发送到所述终端装置，且接下来执行步骤1205。
在与所讨论的终端装置的通信被加密的特定实施例中，借助于与所述终端装置相关联的安全密钥，采集网关128通过对在步骤1201处接收到的上行链路帧中包括的完整性代码进行解码来认证终端装置。此完整性代码在LoRaWAN 1.1规范中被称作消息完整性代码(MIC)。如果认证失败，那么采集网关128丢弃上行链路帧并中断图12中的算法的执行。另外，当采集网关128必须加密所构建下行链路帧时，采集网关128使用与所述漫游终端装置相关联的安全密钥，以便在以加密形式传输所述下行链路帧之前加密所述下行链路帧。呈加密形式的下行链路帧还包括集合网关128所代表工作的核心网络的完整性代码。
在步骤1205中，采集网关128向核心网络跟踪上行链路帧或含于在上行链路帧中的数据，以使得所述上行链路帧可以到达第四服务器AS150以便处理其内容。采集网关128还可以单独中继数据而无需委托。不具有委托的数据意味着与委托给采集网关128的功能性无关的数据。因此，采集网关128可例如不传播含于从所述漫游终端装置接收到的上行链路帧中的完整性代码。例如使用安全隧道，这些数据可以由采集网关128借助于第一服务器FNS 132也已知的安全密钥加密。
应注意，根据图12中的算法，包含在上行链路帧中的数据可由将捕获所讨论的上行链路帧的多个采集网关中继。第一服务器FNS 132接着负责实现任何适当的数据去重。
图13示意性地说明下行链路帧处理算法。图13中的算法由第一网络的每个采集网关实施。将根据图示考虑图13中的算法由采集网关128实施。
在步骤1301中，采集网关128接收来自核心网络的下行链路帧。下行链路帧指定所述下行链路帧所针对的终端装置的地址。
在步骤1302中，采集网关128检查是否已经相对于所述终端装置激活了委托(在此情况下，所讨论的终端装置正在漫游)。如果情况如此，那么执行步骤1303；否则，执行步骤1304。
在步骤1303中，采集网关128将包含于在步骤1301处接收到的下行链路帧中的数据放入所述数据所针对的漫游终端装置相关联的缓冲器中。接着可谈到“有用数据”，以引起所述漫游终端装置的注意。当委托机制未被激活时，在步骤1301处接收到的下行链路帧则通常具有与第一服务器FNS 132传输的下行链路帧不同的格式，因为当委托机制被激活时，核心网络至少不管理确认。在被接收窗口启用且更具体地说响应于所述漫游终端装置的部分的未来上行链路传输，采集网关128将随后发送从核心网络接收到的有用数据以便引起所述终端装置的注意。
在步骤1204中，采集网关128必须提供在步骤1201处接收到的下行链路帧的中继。鉴于委托未被激活，只有当根据触发核心网络发送所述下行链路帧的上行链路帧仍然存在至少一个接收窗口时，采集网关128才进行中继到所讨论的终端装置。换句话说，采集网关128检查所述采集网关128是否已跟踪了相对于先前从所述终端装置接收的上行链路帧从核心网络预期反馈的事实。如果情况如此，那么执行步骤1205；否则，执行步骤1206。
在步骤1205中，在根据触发核心网络发送所述下行链路帧的上行链路帧的传输时刻定义的所述接收窗口中，采集网关128跟踪在步骤1201处接收到的下行链路帧。
在步骤1206中，采集网关128没有时间能够将下行链路帧中继到所讨论的终端装置。因此，采集网关128丢弃下行链路帧。接着，核心网络负责随后重新传输含于所述下行链路帧中的有用数据。
从上文还可看出，在不同传输协议用于形成有助于激活切换漫游的LPWAN通信网络的情景中，将MAC层的一些控制功能性从服务器SNS134转移到第一网络的采集网关在切换漫游的情况下就延迟来说构成显著改善。
从上文还可看出，虽然没有必要为了受益于本发明的优点而必须实施LoRaWAN协议中定义的消息格式，但所描述装置和方法与LoRaWAN1.1规范广泛兼容，并就延迟来说对其构成显著改善。

Claims (14)

1.一种用于在通信系统中管理切换漫游的方法，所述通信系统包括第一运营商的LPWAN第一网络和第二运营商的LPWAN第二网络，所述第一网络包括：
-子网络(100、101、102)，每个子网络包括至少一个汇聚节点(174、175；190、191)和集成有采集网关(123、124、125；127、128、129)的通信节点(170、171、172；180、181、182)，所述子网络(100、101、102)实施不同的相应传输协议；
-用于每个子网络(100、101、102)的第一服务器(131、132、133)，所述第一服务器负责管理包括在所述子网络(100、101、102)中的所述采集网关(123、124、125；127、128、129)，每个采集网关通过与相关联单个第一服务器相关联的单个汇聚节点进行通信；以及
-第二服务器(134)，其联接到任何第一服务器(131、132、133)，所述第二服务器负责针对通过第一网络的所述采集网关(123、124、125；127、128、129)通信的终端装置(110、111)控制MAC层；
所述第二网络包括：
-第三服务器(140)，其负责将第四服务器(150)和第五服务器(160)与第一网络的第二服务器(134)对接，
-第四服务器(150)，其实施应用，第二运营商的至少一个终端装置(110、111)在与第二运营商限定的服务订购的情景中与所述应用交换应用数据；以及
-第五服务器(160)，其负责认证寻求加入所述通信系统以便受益于第四服务器(150)的服务的任何终端装置(110、111)；
所述方法使得：在第二运营商的所述至少一个终端装置(110、111)通过认证时，所述通信系统通过所述第一服务器(131、132、133)、第二服务器(134)和第三服务器(140)的连续中继将上行链路帧发送到第四服务器(150)，所述上行链路帧包括来自第二运营商的所述至少一个终端装置(110、111)的应用数据；以及还使得：所述上行链路帧被第一网络的至少一个采集网关(123、124、125；127、128、129)捕获，
通过借助于通信接口将与所述采集网关(123、124、125；127、128、129)相关联的第一服务器(131、132、133)、第二服务器(134)和第三服务器(140)短接，并且还将与所述采集网关(123、124、125；127、128、129)相关联的汇聚节点短接，所述方法还使得：如果第一网络的至少一个子网络的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)已检测到请求加入所述通信系统以便受益于第四服务器(150)的服务的第二运营商的终端装置(110、111)，则所述第一网络的至少一个子网络的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)与第五服务器(160)通信，以便认证第二运营商的被检测到的所述终端装置(110、111)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一网络具有针对通过第一网络的采集网关(123、124、125；127、128、129)接入所述通信系统的所有终端装置(110、111)的地址范围，第五服务器(160)管理第一网络的所述地址范围中的预定地址子集，并将所述预定地址子集当中的一个地址分配给经由第一网络进行切换漫游并由第五服务器(160)认证的第二运营商的任何终端装置(110、111)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在与第二运营商的每个认证的终端装置(110、111)的通信被加密的情况下，第五服务器(160)提供经加密的所述通信所需的安全密钥，并且当第一网络的采集网关(123、124、125；127、128、129)从第五服务器(160)接收(603)指示第二运营商的终端装置(110、111)已被成功认证并包括所述安全密钥的消息时，第一网络的采集网关(123、124、125；127、128、129)将所述安全密钥中继(605)到与所述采集网关(123、124、125；127、128、129)相关联的第一服务器(131、132、133)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一服务器(131、132、133)将所述安全密钥中继到第二服务器(134)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了请求加入所述通信系统以便受益于第四服务器(150)的服务，第二运营商的每个终端装置(110、111)发送(601)包括唯一标识第五服务器(160)的标识符的消息，且捕获所述消息的第一网络的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)通过先前存储于存储器中的、所述标识符与用于联系第五服务器(160)的地址之间的关联来确定以哪个地址联系第五服务器(160)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在用唯一标识第五服务器(160)的所述标识符对第一网络的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)进行配置之后，第一网络的所述采集网关(123、124、125；127、128、129)即请求负责进行域名解析的第六服务器通过唯一标识第五服务器(160)的所述标识符提供用于联系第五服务器(160)的地址。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在用唯一标识第五服务器(160)的所述标识符对每个第一服务器(131、132、133)进行配置之后，每个第一服务器(131、132、133)即请求负责进行域名解析的第六服务器通过唯一标识第五服务器(160)的所述标识符提供用于联系第五服务器(160)的地址，且每个第一服务器(131、132、133)将所述标识符与所述地址的关联传播到与所述第一服务器(131、132、133)相关联的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当第五服务器(160)接收到从第二运营商的终端装置(110、111)发出并请求加入所述通信系统中的相同消息的多个副本时，第五服务器(160)实现数据的去重并按所述消息的顺序对第一个副本作出响应。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当第一网络的采集网关(123、124、125；127、128、129)从第五服务器(160)接收到指示第二运营商的终端装置(110、111)已成功通过认证的消息时，所述采集网关(123、124、125；127、128、129)激活委托(1102)并相应地通知与所述采集网关(123、124、125；127、128、129)相关联的第一服务器(131、132、133)，所述委托包括以下步骤：
-向第二运营商的所述终端装置(110、111)分配缓冲器，并在其中存储随后通过所述第一服务器(131、132、133)异步接收的、用于引起第二运营商的所述终端装置(110、111)的注意的有用数据；以及
-确认随后从第二运营商的所述终端装置(110、111)接收(1201)到的任何上行链路帧，同时代表第二服务器(134)构建并发送(1204)下行链路帧，所述下行链路帧包括对所述上行链路帧的相应确认，并且在适用的情况下，包括存储在被分配给第二运营商的所述终端装置(110、111)的缓冲器中的有用数据；以及
-将所述上行链路帧中继(1205)到所述第一服务器(131、132、133)；以及
在接收到(1301)用于引起第二运营商的所述终端装置(110、111)的注意的下行链路帧后：
-将在下行链路帧中提供的所述有用数据放置(1303)到被分配给第二运营商的所述终端装置(110、111)的缓冲器中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第一网络的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)接收来自与所述采集网关(123、124、125；127、128、129)相关联的第一服务器(131、132、133)的、去激活针对第二运营商的终端装置(110、111)的委托的指令，所述采集网关(123、124、125；127、128、129)执行以下步骤：
-如果被分配给第二运营商的所述终端装置(110、111)的缓冲器是空的，则与所述第一服务器(131、132、133)确认所述采集网关(123、124、125；127、128、129)已去激活针对第二运营商的所述终端装置(110、111)的委托；
-如果被分配给第二运营商的所述终端装置(110、111)的缓冲器不是空的，则保持所述委托，直到所述采集网关(123、124、125；127、128、129)通过构建并发送所述下行链路帧来清空所述缓冲器。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述下行链路帧被构建以引起第二运营商的所述终端装置(110、111)的注意时，第一网络的已激活针对第二网络的终端装置(110、111)的委托的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)将下行链路帧计数器的值递增，并且在所述下行链路帧中包括所述下行链路帧计数器的递增后的值，以及
当所述采集网关(123、124、125；127、128、129)去激活所述委托时，所述采集网关(123、124、125；127、128、129)向与所述采集网关(123、124、125；127、128、129)相关联的第一服务器(131、132、133)通知(605)所述下行链路帧计数器的最新值。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一网络的子网络是电力线通信网络，其中所述通信节点是智能电表(170、171、172)，以及其中每个汇聚装置是数据集中器(174、175)，且第一网络的另一子网络是提供对因特网的接入的网络，其中所述通信节点是住宅网关(180、181、182)，以及其中每个汇聚装置是DSLAM类型的多路复用器(190、191)。
13.一种包括第一运营商的LPWAN第一网络和第二运营商的LPWAN第二网络的通信系统，所述第一网络包括：
-子网络(100、101、102)，每个子网络包括至少一个汇聚节点(174、175；190、191)和集成有采集网关(123、124、125；127、128、129)的通信节点(170、171、172；180、181、182)，所述子网络(100、101、102)实施不同的相应传输协议；
-用于每个子网络(100、101、102)的第一服务器(131、132、133)，所述第一服务器负责管理包括在子网络(100、101、102)中的所述采集网关(123、124、125；127、128、129)，每个采集网关通过与相关联单个第一服务器相关联的单个汇聚节点进行通信；以及
-第二服务器(134)，其联接到任何第一服务器(131、132、133)，所述第二服务器负责针对经由第一网络的所述采集网关(123、124、125；127、128、129)通信的终端装置(110、111)控制MAC层；
所述第二网络包括：
-第三服务器(140)，其负责将第四服务器(150)和第五服务器(160)与第一网络的第二服务器(134)对接；
-第四服务器(150)，其实施应用，第二运营商的至少一个终端装置(110、111)在与第二运营商限定的服务订购的情景中与所述应用交换应用数据；以及
-第五服务器(160)，其负责认证寻求加入所述通信系统以便受益于第四服务器(150)的服务的任何终端装置(110、111)；
在管理第一网络与第二网络之间的切换漫游的情景中，所述通信系统被布置为：在第二运营商的所述至少一个终端装置(110、111)通过认证时，通过所述第一服务器(131、132、133)、第二服务器(134)和第三服务器(140)的连续中继，将包括来自第二运营商的所述至少一个终端装置(110、111)的应用数据的上行链路帧发送到第四服务器(150)，且此外使得所述上行链路帧被第一网络的至少一个采集网关(123、124、125；127、128、129)捕获，
通过借助于通信接口将与所述采集网关(123、124、125；127、128、129)相关联的第一服务器(131、132、133)、第二服务器(134)和第三服务器(140)短接，并且还将与所述采集网关(123、124、125；127、128、129)相关联的汇聚节点(174、175；190、191)短接，所述通信系统还使得：如果第一网络的至少一个子网络的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)已检测到请求加入所述通信系统以便受益于第四服务器(150)的服务的第二运营商的终端装置(110、111)，则所述第一网络的至少一个子网络的每个采集网关(123、124、125；127、128、129)与第五服务器(160)通信，以便认证第二运营商的被检测到的所述终端装置(110、111)。
14.根据权利要求13所述的通信系统，其特征在于，第一网络的子网络是电力线通信网络，其中所述通信节点是智能电表(170、171、172)，且其中每个汇聚装置是数据集中器(174、175)，且第一网络的另一子网络是提供对因特网的接入的网络，其中所述通信节点是住宅网关(180、181、182)且其中每个汇聚装置是DSLAM多路复用器(190、191)。
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