CN114189942A - Tsch无线通信网络中的自适应时隙分配 - Google Patents

Tsch无线通信网络中的自适应时隙分配 Download PDF

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CN114189942A CN202210076482.3A CN202210076482A CN114189942A CN 114189942 A CN114189942 A CN 114189942A CN 202210076482 A CN202210076482 A CN 202210076482A CN 114189942 A CN114189942 A CN 114189942A
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Abstract

本申请公开了TSCH无线通信网络中的自适应时隙分配。在所描述的示例中，当大量叶节点(LN)同时竞争加入分时隙信道跳频无线通信网络时，避免了过度的延迟和功耗，其中该分时隙信道跳频无线通信网络具有通过一个或多个中间节点(IN)接口连接到LN的根节点(RN)。为至少一个IN分配第一多个(B个)共享发射/接收间隙(STRS)，并且通告第二多个(C个)STRS以供竞争LN使用(27)，其中第一多个大于第二多个。当LN加入时，重新定义其STRS(29)，使得大多数变成共享仅发射间隙(STOS)并且不保留STRS。分配给IN的STRS的数量可以与其相距RN的跳数相反地变化。响应于预定网络条件(25)，可以为一个或多个IN中的每一个添加一个或多个STOS(26)。

Description

TSCH无线通信网络中的自适应时隙分配
本申请是国际申请日为2016年06月02日、进入国家阶段日为2017年12月01日的名称为“TSCH无线通信网络中的自适应时隙分配”的中国专利申请201680032007.9(PCT/US2016/035572)的分案申请。
技术领域
本发明总体涉及采用分时隙信道跳频的无线通信网络，并且更具体地涉及用于以减少的延迟和功耗来适应加入网络的节点数量的增加的技术。
背景技术
以下文件通过引用并入本文：IEEE STD 802.15.4；和IEEE STD 802.15.4e。
图1示出了遵循IEEE 802.15.4e操作的常规无线通信网络的简化拓扑结构，该IEEE 802.15.4e是对IEEE STD 802.15.4无线电通信协议规范的修正。此修正专门针把MAC协议层修改作为目标，以便增强使用IEEE 802.15.4无线电的装置的性能。特定的IEEE802.15.4e MAC操作被称为分时隙信道跳频(TSCH)，其实现鲁棒和低功率的通信。信道跳频提供了抗干扰的鲁棒性。该协议的分时隙和时间同步的性质允许时间调度通(time-scheduled communication)信。调度通信意味着装置仅在被要求时才需要被激活，否则处于“睡眠”模式。这提供低功率的操作。
如图所示，图1的拓扑结构具有带多个层级等级的层级结构。图1的网络包括在11处的中央根节点(RN)，该中央根节点(RN)控制网络并且用作到更高带宽网络的网关。在12处的等级1中间节点(IN)在RN与在13处的多个等级2IN之间接口连接，该多个等级2IN中的每个进而在等级1IN 12与在14处的一个或多个叶节点(LN)之间接口连接。在图1的各种节点之间示出的无线通信链路在本文中也被称为通信跳(communication hop)(或简称为跳)，使得例如RN 11与14处的每个LN相距三跳。
TSCH使用每个均被划分成多个时间间隙(时隙)的时间帧的序列。在IEEE892.15.4e调度方案中，在每个时间帧中，每个节点被分配共享间隙和至少一个信标间隙。RN 11使用信标间隙以便在网络中发射包含节点的发射/接收调度的信标分组。信标间隙也用于时间同步。共享间隙是共享的发射/接收间隙(STRS)，在该间隙中节点可以发射或接收。尝试关联(加入)网络的新节点竞争对STRS的接入，并且成功竞争的节点在STRS中发射网络关联请求。对于图1的每个节点来说，STRS是相同的绝对时间间隔。STRS也用于传送网络维护信息和流量路由信息。
作为对从成功竞争的节点接收到的关联请求的答复，RN 11使用STRS来发射关联响应。当新节点加入网络时，它们分别接收对应的关联响应，该关联响应以序列方式将相应的专用间隙对分配给该新节点。每个专用间隙对由发射间隙和接收间隙组成，该发射间隙和接收间隙两者都被保留仅供它们被分配给的节点使用。如果加入节点是IN，则关联响应还将附加的信标间隙分配给IN，以便支持从RN到LN跨越多跳的信标分组的转播。
在每个时隙，在网络中操作的节点从睡眠模式唤醒并且检查要执行什么功能。如果没有，则其返回到睡眠状态。节点在信标间隙、STRS和专用接收间隙期间以主动接收状态进行侦听，以便确保没有错过通信。在专用发射间隙中，节点根据需要进行发射，或者如果其没有什么要发射，则返回到睡眠。
发明内容
所描述的实例包括在分时隙信道跳频(TSCH)无线通信网络中分配时隙的方法，该TSCH无线通信网络包括在根节点(RN)与多个叶节点(LN)之间接口连接的至少一个中间节点(IN)。该方法包括：当IN与网络相关联时，将第一多个共享发射/接收间隙(STRS)分配给IN；以及通告被分配作为竞争间隙的第二多个STRS，在该竞争间隙中LN可以竞争与网络的关联。第一多个STRS大于第二多个STRS。
附图说明
图1示出常规无线通信网络的简化拓扑结构。
图2A和图2B示出了根据示例实施例的可以在诸如图1所示的网络中执行的操作。
图3和图4示出了根据示例实施例的共享间隙的分配。
图5示出了根据示例实施例的用作诸如图1所示的网络中的根节点的设备。
具体实施方式
当许多LN同时尝试加入图1的网络时，它们都将在单个STRS期间竞争，并且IN使用STRS来转播关联请求和响应。由于对STRS的竞争并且因为所有节点在STRS期间消耗功率，所以这些因素可能不利地导致关联期间的高延迟和高功耗。每个节点针对STRS而唤醒，如果需要发射则主动竞争对STRS的接入，并且然后如果竞争成功则进行发射。此外，如果不期望发射，或者如果竞争不成功，则节点仍以主动接收状态进行侦听。通过用于传送网络维护信息和流量路由信息的STRS的上述使用，延迟和功耗问题将被进一步恶化。
上述延迟和功耗问题可以通过提供附加的STRS来解决。然而，简单地增加STRS的数量将显著地增加功耗，因为如上所指示的，所有节点都需要在每个STRS中唤醒。
示例实施例对在TSCH网络经历尝试加入网络的节点的需求增加时遇到的延迟和功耗问题应用策略性解决方案。这些解决方案利用诸如以下因素：IN(其具有相对大的电池或功率收集能力)与LN(其具有相对小的电池)相比通常不那么功率受限的；在层级的较高等级处的IN与在较低等级处的IN相比经历更多的流量；LN的操作配置文件(operationprofile)在其与变得网络相关联之后改变；以及LN的关联后操作配置文件与下行链路通信(从RN)相比通常需要更多的上行链路通信(到RN)。如以下详细描述的，RN使用诸如信标分组和关联响应等消息来实现根据示例实施例的解决方案。
为了减轻延迟和功耗问题，根据示例实施例的RN为LN关联竞争分配大小被适当地设置的多个STRS，以便帮助适应大型LN关联竞争负载。RN发射信标消息(信标分组)，该信标消息通告为LN分配的多个STRS以用于对关联的竞争。期望网络关联的所有节点然后可以在每个通告的STRS中竞争关联。
在一些实施例中，当RN响应于成功的关联请求时，其(在STRS中跨越网络跳发射的)关联响应重新定义对于新关联的LN可用的共享间隙，使得共享间隙与LN的关联后操作配置文件一致并且提供减少的LN功耗。例如，在传感器应用中的LN通常广泛地使用上行链路进行数据转移。因此，一些实施例重新定义STRS，使得：至少一个STRS被变化成其中LN只能接收通信的共享仅接收间隙(SROS)；并且其余(大多数)的STRS被变化成其中LN只能发射通信的共享仅发射间隙(STOS)。SROS总是需要功耗来以主动接收状态进行侦听，而STOS仅在节点具有要发射的信息时才需要功耗，在这种情况下节点竞争STOS，并且如果竞争成功则发射信息。因为STRS的重新定义导致将大部分STOS分配给LN，所以它与LN的关联后操作配置文件(主要是上行链路发射)一致。因为重新定义是完整的，即它不保留任何STRS，所以它避免了不必要的LN功耗。在一些实施例中，重新定义仅将一个STRS变化为SROS，并将其余的STRS变化成STOS。在一些实施例中，重新定义添加一个或多个另外的STOS，使得LN实际上被分配比最初可用于LN以便竞争加入网络的STRS的总数量更大的SROS和STOS的总数量。
因为在大量LN尝试加入网络时，IN也经历增加的流量，所以在一些实施例中，RN将相对大量的STRS分配给IN。在一些实施例中，使用RN对加入IN的关联响应来传送STRS的这种分配。在一些实施例中，分配给IN的STRS的数量超过被通告被LN用于竞争网络关联的STRS的数量。因为IN与LN相比通常不是那么功率受限的，所以分配给IN的相对大量的STRS所需的增加的功耗将通常是可接受的。此外，因为较高等级IN(例如，图1的等级1IN)比关联的较低等级IN(例如，图1的等级2IN)处理更多的流量，所以与关联的较低等级IN相比，可以为较高等级IN分配更多的STRS。RN通过检查通常在从IN接收的关联请求中提供的跳数来知晓加入IN的层级等级。跳数在由关联请求遍历的每个跳处递增。
随着网络条件改变，向一个或多个IN提供更多的网络通信容量可能是有帮助的。例如，随着网络中的LN的数量增加，一个或多个IN可能需要更多的上行链路容量以适应来自LN的增加的上行链路流量。在一些实施例中，当RN检测到网络中的LN的数量超过预定阈值时，它发射信标消息以将一个或多个STOS(和/或一个或多个SROS)添加到一个或多个IN中的每一个的共享间隙分配。一些实施例限制为IN添加的STOS/SROS的数量，使得其产生的STOS和SROS以及STRS的总分配不超过在层级拓扑结构的下一个较高等级处分配给任何关联的IN的STRS的数量。
在一些实施例中，上述消息(即，信标消息和关联响应)采用这些消息中常规可用的有效负载信息元素(IE)。有效负载IE被适当地格式化以便指示共享间隙的位置、多少共享间隙是STOS、多少共享间隙是SROS、以及多少个共享间隙是STRS。在信标消息通告用于关联竞争的STRS的情况下，有效负载IE包含预定的广播标识符，使得通知所有可能加入的节点。在共享间隙重新定义和共享间隙分配的其他上述实例中，有效负载IE(无论是在信标消息中还是在关联请求中)包含识别有效负载IE所针对的节点的信息。
图2A和图2B示出了根据示例实施例的可以在诸如图1所示的网络中执行的上述操作。所示的操作由RN执行。当在图2A中的21处从IN接收关联请求时，在22处检查请求中的跳数。如果跳数＝1，则IN在等级1处加入(也见图1)，因此在23处将总共A个STRS分配给IN。如果跳数＝2，则IN在等级2处加入，因此在24处分配总共B(B<A)个STRS。
在25和26处，图2B示出了响应于网络中的预定条件的检测而将一个或多个STOS(和/或一个或多个SROS)分配给一个或多个IN中的每一个。在图2B的实例中，如在25处所示，预定条件是网络中的LN的数量超过阈值TH。如果满足25处的条件，则如在26处所示的，发生上述将一个或多个STOS(和/或一个或多个SROS)分配给一个或多个IN中的每一个。
在27处，图2B示出供LN用于竞争网络关联的C(C<B)个STRS的通告。如果在28处接收LN关联请求，则在29处针对新的LN将在27处通告的C个STRS变成D个SROS和E个STOS，其中D+E＝C并且D<E。如上所指出的，在29处的重新定义还可以包括添加一个或多个另外的STOS(在图2B中未明确示出)。在29处的重新定义之后，操作可以行进到25处的检查网络条件，除非已经检测到该条件，在这种情况下如图2B中的虚线所示，操作进行到27。
在一些实施例中，响应于图2B中的25处的“是”决定，更新(增加)阈值TH的值，从而随着网络的增长提供另外的STOS/SROS的可能分配(在26处)。在这种情况下，将省略图2B中的从29至27的虚线路径。
图3和图4示出了条形图，该条形图示出根据示例实施例的到等级1IN、等级2IN和LN的共享间隙的示例分配。图3示出在LN加入网络之前存在的分配，并且图4示出在LN加入之后的分配。图3示出被分配以便分别供等级1IN、等级2IN和LN使用的A个、B个和C个STRS，其中A>B>C。图4示出LN的关联后共享间隙重新定义，使得先前分配给LN(参见图3)以用于关联竞争的STRS被变化成D个SROS和E个STOS，其中D<E并且D+E＝C。图4还以虚线示出响应于网络中的预定条件的检测而添加到IN(在该示例中为等级2IN)的共享间隙分配的F个STOS。作为一个特定的示意性示例，一些实施例具有A＝10、B＝6、C＝4、D＝1、E＝3和F＝4。作为另一个特定示例，在一些实施例中，LN的共享间隙重新定义(图4中未示出)为LN添加两个另外的STOS，从而导致用于LN的总共E+2(例如，3+2＝5)个STOS和总共C+2个共享间隙，其中C+2<B<A。
图5示出了根据示例实施例的用作诸如图1所示的TSCH无线通信网络中的RN的设备。可以省略对于理解示例实施例来说不必要的各种常规结构和功能。图5的设备能够执行以上描述并且在图2-4中示出的操作。间隙分配器51被联接以用于与节点关联接口53和信标产生器55进行通信。在一些实施例中，间隙分配器51、节点关联接口53和信标产生器55由适当编程的数据处理器共同实现。如由57处的虚线所指示的，节点关联接口53从与网络关联的节点接收输入的关联请求，并且输出对应的关联响应以用于通过网络发射到关联节点。在一些实施例中，节点关联接口53使用常规技术来分析每个输入的关联请求，并且然后将来自关联请求的相关信息转发给间隙分配器51。例如，在一些实施例中，节点关联接口53将信息转发到间隙分配器51，该信息诸如发送输入的关联请求的节点的类型(LN或IN)，和包含在关联请求中的跳数。间隙分配器51基于从节点关联接口53接收的关联请求信息，确定用于关联节点的共享间隙分配，并且将所确定的共享间隙分配转发到节点关联接口53。节点关联接口53为关联节点准备包含所确定的共享间隙分配的关联响应，并且然后在57处输出关联响应以用于通过网络发射到关联节点。
信标产生器55从间隙分配器51接收共享间隙分配信息，准备包含所接收的共享间隙分配信息的信标消息，并且在59处输出信标消息以用于通过网络发射。如上所述，信标消息被用于通告由间隙分配器51分配的STRS，以供竞争与网络关联的节点使用。同样如上所述，信标消息被用于向IN通知(由间隙分配器51分配的)STOS和/或SROS被添加到其共享间隙分配。在一些实施例中，间隙分配器51维持网络中的LN的数量的计数，并且将该计数与阈值进行比较，以确定何时将STOS/SROS添加到IN的共享间隙分配(同样参见图2中的25和26)。
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他实施例是可能的。

Claims (40)

1.一种方法，包括：
由根节点即RN通告被分配作为竞争间隙的第一共享发射/接收间隙即第一STRS，其中叶节点即LN可以在所述第一STRS期间竞争与分时隙信道跳频无线通信网络即TSCH无线通信网络的关联；以及
在所述LN与所述TSCH无线通信网络关联之后，由所述RN为所述LN中的LN设置第二STRS，其中所述.第二STRS中的至少一个STRS是共享仅接收间隙即SROS，并且所述第二STRS中的至少一些是共享仅发射间隙即STOS，并且其中所述STOS是所述第二STRS的大部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中仅一个STRS是SROS。
3.根据权利要求1所述的方法，其还包括：在所述IN与所述TSCH无线通信网络相关联之后，将第三STRS分配给中间节点即IN。
4.根据权利要求3所述的方法，其还包括：响应于在所述TSCH无线通信网络中检测到预定条件而将至少一个STOS和至少一个SROS分配给所述IN。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预定条件为所述LN的数量大于阈值。
6.根据权利要求5所述的方法，其还包括：响应于确定所述LN的所述数量大于所述阈值而调整所述阈值。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述IN是第一IN，所述方法还包括：在所述第二IN与所述TSCH无线通信网络相关联之后，将第四STRS分配给第二IN，其中所述第四STRS是比所述第二STRS多的STRS，其中所述第四STRS是比所述第二STRS少的STRS，并且其中所述第一IN在所述第二IN和所述RN之间接口连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其还包括：其中，响应于在所述TSCH无线通信网络中检测到预定条件：
分配所述第三STRS包括：将至少一个STOS和至少一个SROS分配给所述第三STRS；并且
分配所述第四STRS包括：将至少一个STOS和至少一个SROS分配给所述第四STRS。
9.一种根节点即RN，包括：
间隙分配器，其被配置成分配时隙；
信标产生器，其联接到所述间隙分配器，所述信标产生器被配置成广播信标消息，所述信标消息通告被分配作为竞争间隙的第一共享发射/接收间隙即第一STRS，在所述竞争间隙中叶节点即LN可以竞争与分时隙信道跳频无线通信网络即TSCH无线通信网络的关联；以及
节点关联接口，其联接到所述间隙分配器，所述节点关联接口被配置成将消息发送到所述LN的LN，所述消息指示针对所述LN的第二STRS，其中所述第二STRS中的至少一个是共享仅接收间隙即SROS，并且所述第二STRS中的至少一些是共享仅发射间隙即STOS，其中所述STOS是所述第二STRS的大部分。
10.根据权利要求9所述的RN，其中所述第二STRS中仅一个是SROS。
11.根据权利要求9所述的RN，其中所述节点关联接口还被配置成将消息发射到中间节点即IN，其中所述消息指示在所述IN与所述TSCH无线通信网络关联之后，将第三STRS分配给所述IN，其中所述信标产生器还被配置成在分配所述第三STRS之后通过所述TSCH无线通信网络发射的另外的信标消息，所述另外的信标消息指示所述第三STRS，其中所述第三STRS包括被分配给所述IN的至少一个STOS和被分配给所述IN的至少一个SROS，并且其中所述间隙分配器被配置成响应于在所述TSCH无线通信网络中检测到预定条件，将所述至少一个STOS和所述至少一个SROS分配给所述IN。
12.根据权利要求9所述的RN，其中所述节点关联接口还被配置成：
将消息发射到所述第一IN，其中所述消息指示在第一IN与所述TSCH无线通信网络关联之后，将第三STRS分配给所述第一IN；以及
将消息发射到所述第二IN，其中所述消息指示在第二IN与所述TSCH无线通信网络关联之后，将第四STRS分配给所述第二IN，其中所述第四STRS是比所述第二STRS多的STRS，其中所述第四STRS是比所述第三STRS少的STRS，并且其中所述第一IN在所述第二IN和所述RN之间接口连接。
13.根据权利要求12所述的RN，其中所述信标产生器还被配置成在分配所述第三STRS和所述第四STRS之后，通过所述TSCH无线通信网络发射指示所述第三STRS和所述第四STRS的另外的信标消息，其中所述第三STRS包括被分配给所述第一IN的至少一个STOS和被分配给所述第一IN的至少一个SROS，其中所述第四STRS包括被分配给所述第二IN的至少一个STOS和被分配给所述第二IN的至少一个SROS，并且其中所述间隙分配器还被配置成响应于在所述TSCH无线通信网络中检测到预定条件而分配所述第三STRS和所述第四STRS。
14.一种根节点即RN，包括：
信标产生器，其被配置成通告被分配作为竞争间隙的第一共享发射/接收间隙即第一STRS，其中叶节点即LN可以在所述第一STRS期间竞争与分时隙信道跳频无线通信网络即TSCH无线通信网络的关联；以及
间隙分配器，其联接到所述信标产生器，所述间隙分配器被配置成在所述LN与所述TSCH无线通信网络关联之后，为所述LN中的LN设置第二STRS，其中所述第二STRS中的至少一个STRS是共享仅接收间隙即SROS，并且所述第二STRS中的至少一些是共享仅发射间隙即STOS，并且其中所述STOS是所述第二STRS的大部分。
15.根据权利要求14所述的RN，其中仅一个STRS是SROS。
16.根据权利要求14所述的RN，其中所述间隙分配器还被配置成：在所述IN与所述TSCH无线通信网络相关联之后，将第三STRS分配给中间节点即IN。
17.根据权利要求16所述的RN，其中所述间隙分配器还被配置成：响应于在所述TSCH无线通信网络中检测到预定条件而将至少一个STOS和至少一个SROS分配给所述IN。
18.根据权利要求17所述的RN，其中所述预定条件为所述LN的数量大于阈值。
19.根据权利要求18所述的RN，其中所述间隙分配器还被配置成：响应于确定所述LN的所述数量大于所述阈值而调整所述阈值。
20.根据权利要求16所述的RN，其中所述IN是第一IN，并且所述间隙分配器还被配置成：在所述第二IN与所述TSCH无线通信网络相关联之后，将第四STRS分配给第二IN，其中所述第四STRS是比所述第二STRS多的STRS，其中所述第四STRS是比所述第二STRS少的STRS，并且其中所述第一IN在所述第二IN和所述RN之间接口连接。
21.一种方法，包括：
由网络的第一节点接收来自第二节点的关联请求；
基于所述关联请求，确定所述第一节点和所述第二节点之间的跳数；以及
基于所述第一节点和所述第二节点之间的所述跳数，将多个共享间隙分配给所述第二节点。
22.根据权利要求21所述的方法，其中分配的共享间隙的数量与所述跳数成反比。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一节点是所述网络的根节点并且所述第二节点是中间节点。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述共享间隙是发射/接收间隙。
25.根据权利要求21所述的方法，其中：
所述关联请求为第一关联请求；
所述共享间隙为第一组共享间隙；并且
所述方法还包括：基于与所述网络相关联的叶节点的数量，将第二组共享间隙分配给所述第二节点。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一组共享间隙是发射/接收间隙，并且所述第二组共享间隙包括仅发射间隙。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第二组共享间隙包括仅接收间隙。
28.根据权利要求25所述的方法，其中：
将所述第二组共享间隙分配给所述第二节点是基于超过阈值的叶节点的所述数量；并且
所述方法还包括基于超过所述阈值的叶节点的所述数量增加所述阈值。
29.一种方法，包括：
由网络的根节点接收来自中间节点的关联请求；
基于所述关联请求，将第一组时隙分配给所述中间节点；以及
基于与所述网络关联的叶节点的数量，将第二组时隙分配给所述中间节点。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一组时隙的计数基于所述根节点和所述中间节点之间的跳数。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述第一组时隙的所述计数与所述跳数成反比。
32.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一组时隙是发射/接收间隙，并且所述第二组时隙包括仅发射间隙。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述第二组时隙还包括仅接收间隙。
34.根据权利要求32所述的方法，其中：
将所述第二组时隙分配给所述中间节点是基于超过阈值的叶子节点的数量；并且
所述方法还包括基于超过所述阈值的叶节点的所述数量增加所述阈值。
35.一种网络节点，包括：
节点关联接口，其被配置成：
联接到网络
经由所述网络接收来自中间节点的关联请求；以及
提供所述中间节点的跳数；
间隙分配器，其联接到所述节点关联接口并被配置成基于所述跳数将多个共享发射/接收间隙即STRS分配给所述中间节点；以及
信标产生器，其联接到所述间隙分配器并被配置成使所述节点关联接口通过所述网络提供指示被分配给所述中间节点的所述STRS的信标。
36.根据权利要求35所述的网络节点，其中分配的共享间隙的数量与所述跳数成反比。
37.根据权利要求35所述的网络节点，其中所述间隙分配器还被配置成基于叶节点的数量将一组共享仅发射间隙即STOS分配给所述中间节点。
38.根据权利要求37所述的网络节点，其中：
所述信标是第一信标；并且
所述信标产生器还被配置成使所述节点关联接口通过所述网络提供第二信标，所述第二信标指示被分配给所述中间节点的所述一组STOS。
39.根据权利要求35所述的网络节点，其中所述间隙分配器还被配置成基于叶节点的数量将一组共享仅接收间隙即SROS分配给所述中间节点。
40.根据权利要求35所述的网络节点，其中所述网络节点被配置成作为根节点操作。
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