CN114556976A - 由服务器与互连节点设备网络的节点设备进行通信的方法和布置 - Google Patents

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Abstract

一种由服务器与操作性互连节点设备的网络中的目标节点设备通信的方法（50）和布置，其中网络的每个节点设备包括用于与服务器直接无线通信的第一通信接口，以及用于节点设备间通信的第二通信接口。在发起与目标节点设备的消息交换之前，服务器基于目标节点设备的最后接收的上行链路消息来确定（51）目标节点设备的当前通信状态。然后，服务器可以经由第一通信接口与目标节点设备直接通信（52），或者经由服务器选择的网络的至少一个其他或委托节点设备与目标节点设备通信（53）。

Description

由服务器与互连节点设备网络的节点设备进行通信的方法和 布置
技术领域
本公开总体上涉及互连节点设备或终端设备的网络中的通信，特别地，涉及由服务器与互连节点设备网络中的节点设备进行通信的方法和布置。
背景技术
诸如照明设备、物联网（IoT）设备、和支持增强型机器类型通信eMTC的设备之类的客户端设备——所有这些设备都包括通信能力——经常部署在由多个互连设备组成的通信网络中。一般被称为节点设备或终端设备的这些设备可以包括利用无线网络连接操作的可移动或移动设备，和/或具有有线和/或无线网络连接之一或两者的固定设备。
有线或无线网络节点设备通常基于第一通信接口（诸如网络适配器或收发器模块）进行操作，以用于经由许可频带中的移动通信系统（诸如2G/3G/4G/5G蜂窝通信）和其他远程无线通信技术（例如，如远程广域网（LoRaWAN）和窄带IoT（NB-IoT））与远程设备（诸如后端服务器）进行数据交换。
由通信互连的节点设备组成的无线网络也被称为免许可频带中的网络，诸如无线网状网络WMN、无线个人区域网WPAN和专有无线网络。节点设备可以使用上述第一通信接口向远程后端服务器传送数据和消息。第二通信接口可以仅用于节点设备之间的通信，也称为节点设备间通信。
用于由联网设备或节点交换数据的网络协议可以包括用于无线网络的ZigBeeTM、蓝牙TM以及基于WiFi的协议，以及有线总线网络，例如诸如DALITM（数字可寻址照明接口）、DSI（数字串行接口）、DMX（数字多路复用）、KNX（以及基于KNX的系统）和其他专有网络。
远程后端服务器与节点设备的通信一般是为了控制和管理的目的而执行的，这通常涉及经由第一通信接口从后端服务器发送到一个或多个节点设备的下行链路消息，用于控制节点设备的操作。然而，由于各种原因，有时节点设备可能看起来对后端服务器不可到达，使得来自服务器的下行链路消息不可能到达节点设备。
例如，当使用网络地址转换NAT时，为了节约互联网协议IP地址空间的目的，节点设备的IP地址可能被改变，使得该设备对于不知道该节点设备的IP地址改变的后端服务器不可到达。
另一方面，像许多IoT设备一样，一些节点设备也具有资源约束，诸如有限的电池能量、低吞吐量链路等。这些节点设备通常可以进入睡眠或非激活模式，这一般指代低功率状态，其中节点设备的一些功能组件或模块被关闭。作为示例，切换到低功率模式的移动电话经常将仅维持其电话功能和短消息服务SMS功能激活，而所有其他功能（如4G数据连接）将被关闭。在这种情况下，当移动电话的数据通信接口关闭时，移动电话不能接收从后端服务器传送的下行链路数据消息，诸如用于控制移动电话的指令或命令。因此，移动电话将显现得对服务器不可到达。
提出了各种方法来克服上述问题。在一种解决方案中，节点设备周期性地创建并向后端服务器发送特定类型的上行链路消息（诸如心跳消息），以维持下行链路数据或消息信道激活。例如，在另一种解决方案中，系统可以使用蜂窝短消息服务SMS来唤醒节点设备的蜂窝数据通信接口，以用于接收下行链路消息。
然而，随着心跳消息的传输，由于这种心跳消息的频繁传输，大量的数据分组被传输，这将导致额外的资费成本，并且增加了网络当中的信令负载。维持下行链路可到达的典型心跳消息间隔例如是3分钟，而这样的网络可以包括30000个甚至更多的节点设备。至于SMS方式，一些运营商可能不提供这样的服务，尤其是对于NB-IoT和eMTC通信。
美国专利No. 8,515,500 B2公开了一种用于使用代理设备在无线系统中的客户终端设备中节约功率的系统。客户终端包括用于与通信网络的无线接入节点通信的远程主通信接口，以及用于与代理设备通信的短程辅助通信接口。客户终端可以在不给予接入节点通知的情况下使其主通信接口断电。在使其主通信接口断电之前，客户终端可以指派代理设备充当其代理，用于监视接入节点的信令/控制信道。在检测到针对相应客户终端的消息时，代理设备经由辅助通信接口将该消息转发到客户终端。
利用这种已知的系统，当客户终端设备已经使其主通信接口断电时，代理设备必须保持连续激活，以避免错过从接入节点传送到终端设备的下行链路消息。此外，通过分配代理设备，在网络中引起附加信令。
本公开的一个目的是改进在操作性地和通信地互连节点设备的网络中操作的节点设备与远程设备（诸如后端服务器设备）之间的通信。
发明内容
在本公开的第一方面中，通过一种在服务器和操作性互连节点设备网络中操作的目标节点设备之间进行通信的方法来实现上述和其他目的，每个节点设备包括第一通信接口和第二通信接口，其中第一通信接口被布置用于经由服务器和节点设备之间的无线通信系统进行直接上行链路UL和下行链路DL无线消息交换， 并且第二通信接口被布置用于网络中节点设备之间的节点设备间通信，其中服务器被布置用于保存与每个节点设备的最后交换的消息的记录，该方法包括以下步骤：
- 在与目标节点设备通信之前，由服务器基于与目标节点设备交换的最后消息，确定目标节点设备的当前通信状态；
- 如果所确定的目标节点设备的通信状态指示可用于经由第一通信接口进行数据交换，则由服务器经由目标节点设备的第一通信接口与目标节点设备进行通信，以及
- 如果所确定的目标节点设备的通信状态指示不可用于经由第一通信接口进行数据交换，则由服务器经由由服务器选择的网络的至少一个其他节点设备与目标节点设备进行通信。
本公开提供了一种高效的通信解决方案，其使得远程服务器能够每当网络中的节点设备经由服务器和节点设备之间用于交换数据消息的优选直接（即第一）通信接口不可到达时到达该节点设备。如果不可到达，则服务器分别选择能够经由其第一通信接口与服务器通信并且能够经由启用节点间设备的第二通信接口与目标节点设备通信的另一个节点设备。以这种方式，服务器可以到达目标节点设备。
所公开的解决方案基于以下认识：在经由第一通信接口发起与目标节点设备的通信之前，远程服务器可以基于与目标节点设备的最后交换的消息来确定目标节点设备的当前通信状态。这是由服务器传输到目标节点设备的最后消息或由服务器从目标节点设备接收的最后消息中的一个或两个。
利用所提出的解决方案，通过分析从与目标节点设备最后交换的消息中可用的信息（诸如时间戳），服务器可以确定目标节点设备的当前通信状态，即目标节点设备是否潜在地可用于通过目标节点设备的第一通信接口与服务器通信，从而例如知道节点设备将在一定时间的非激活之后使其第一通信接口断电。
在服务器确定目标节点设备是潜在可到达的情况下，服务器和目标节点设备之间的消息（诸如控制命令）通过第一通信接口直接传递，这是与目标节点设备通信的最高效和最有利的方式。
另一方面，当目标节点设备显现得对服务器不可到达时，例如因为目标节点设备为了节省功率和/或成本目的已经将其第一通信接口切换到非激活或静止操作模式，服务器经由网络中的另一个或委托节点设备和节点间通信来建立与目标节点设备的通信。
与上述现有技术不同，利用本解决方案，例如，当使第一通信接口断电时，节点设备不需要指定代理或其他中间设备以用于监视来自服务器的消息。利用本解决方案，节点设备可以在任何时间自由选择以同样认为适当的通信模式操作，而不用担心错过来自远程服务器的任何消息，这对于节点设备的正确操作是至关重要的。
由此，本公开允许以资源高效、及时和可靠的方式执行远程服务器和目标节点设备之间的通信，即使在解决第一通信接口的问题的情况下目标节点设备对于服务器不可到达时亦如此。例如当服务器已知的目标节点设备的第一通信接口的互联网协议IP地址或另一通信地址已经改变时。在这种情况下，由服务器传输到目标节点设备的最后消息将因不可递送而被退回，和/或服务器将不从目标节点设备接收到确认消息或其他回复消息。因此，根据该交换的最后消息的传输状态，服务器可以决定网络节点设备的通信状态。
利用本解决方案，服务器本身极大地避免了经由第一通信接口直接向实际上不可到达的节点设备发送消息，从而显著减少了诸如控制命令或指令的未成功传输消息的数量，这有助于节省传输信道资源，尤其是在具有大量节点设备的网络内。
至于节点设备，同样可以作为目标节点设备或者作为由服务器选择用于重新建立到目标节点设备的连接的另一个或委托节点设备来操作。这取决于相应节点设备的第一通信接口的通信状态，前提是用于网络中节点间通信的第二通信接口保持可用，即处于操作中。实际上，经由（短程）第二通信接口进行数据交换所需的功率远小于操作（远程）第一通信接口所需的功率。此外，经由（短程）第二通信接口进行数据交换的通信成本一般远小于操作（远程）第一通信接口的通信成本。
所提出的解决方案还使节点设备免于发送频繁的心跳消息来用于给后端服务器更新它们的通信可用性，即保持第一通信接口始终打开。与现有技术系统相比，节点设备可以选择仅在必要时与服务器通信，或者节点设备可以选择较不频繁地发送心跳消息。例如，代替每三分钟发送心跳消息，利用本解决方案，心跳消息可以每五小时发送一次等等。例如，用于发送心跳消息的传输间隔可以取决于相应节点设备和后端服务器之间的常规消息交换速率。
也就是说，在服务器和节点设备之间频繁交换消息的情况下，服务器一般将已经存储了用于确定该节点设备的通信状态的容易实际的最后交换的消息，使得发送心跳消息可能完全过时。将领会的是，以这种方式，所提出的解决方案显著地有助于减少与服务器的（一个或多个）通信信道上的数据流量，例如，特别是在具有超过30000个节点设备的大型网络中。
对于包括合理数量的节点设备的（网状）网络，可以设想总是有至少一个节点设备具有激活的第一通信接口，即可用于与服务器通信的第一通信接口。也就是说，从统计上来说，总有节点设备可以充当由服务器选择的另一个或委托节点设备，用于促进或重置与不可经由其第一通信接口到达的目标节点设备的通信。实际上，多个节点设备将总是可用于服务器，以便与服务器暂时不可直接到达的目标设备进行通信。因此，利用本解决方案，不特别需要指定始终保持其第一通信接口激活或存活的特定节点设备，诸如代理。
在本公开的实施例中，与每个节点设备最后交换的消息的记录包括最后交换的消息的时间戳以及节点设备的标识、节点设备的地址、节点设备的地理位置、消息的递送状态和消息的类型中的至少一个。
特别地，其中当在从服务器确定通信状态起的预定时间段之前的时间点与目标节点设备交换最后交换的消息时，目标节点设备的通信状态被服务器确定为不可用于经由第一通信接口进行数据交换。
假设节点设备被设置为在第一通信接口上10分钟没有数据交换激活之后使其第一通信接口断电。根据指示最后消息何时与相应节点设备交换的时间戳，即传输到节点设备或从节点设备接收的消息，服务器可以容易地确定节点设备的第一通信接口的当前通信状态。也就是说，目标节点设备是否潜在地经由第一通信接口可到达。
即使当服务器不知道非激活时间间隔的确切持续时间——此后节点设备使其第一通信接口断电——时，服务器也可以有效地假设，如果在最后消息交换之后已经经过了相对长的时间段（例如几小时、几天或者甚至几周），则目标节点设备的第一通信接口最有可能将不可接入或者不可到达。因此，基于在最后消息交换之后经过的时间，服务器可以可靠地确定目标节点设备的通信状态。
如提及的，消息的递送状态和/或缺少与服务器的确认消息也可以指示节点设备的通信状态。注意到，根据本解决方案的术语“保持最后交换的消息的记录”可以涉及最后消息本身的存储和仅伴随该消息的元数据的存储之一或两者。
在本公开的实施例中，由服务器经由至少一个其他节点设备与目标节点设备进行通信包括由服务器经由至少一个其他节点设备的第一通信接口向至少一个其他节点设备传输下行链路消息的步骤，其中下行链路消息是要由至少一个其他节点设备经由第二通信接口向目标节点设备转发的类型。
在该实施例中，由服务器选择的至少一个其他或委托节点设备作为中继设备操作，用于将消息从服务器转发到目标节点设备。也就是说，去往目标节点设备的消息被从服务器传输到至少一个其他节点设备，并且然后经由用于节点设备间通信的第二通信接口从至少一个其他节点设备转发到目标节点设备。
要转发的消息可以包括用于操作目标节点设备的控制命令，例如，在节点设备包括照明器具的情况下，打开或关闭照明模块。在本公开的实施例中，下行链路消息包括用于激活目标节点设备的激活命令或唤醒消息。也就是说，激活目标节点设备，使得其第一通信接口被设置在用于与服务器重新建立消息交换的操作模式中。
在本公开的替代实施例中，由服务器经由至少一个其他节点设备与目标节点设备通信包括由服务器经由至少一个其他节点设备的第一通信接口向至少一个其他节点设备传输下行链路消息的步骤，其中下行链路消息包括请求其他节点设备经由第二通信接口向目标节点设备传输激活命令的指令。
与其中委托节点设备充当用于向目标节点设备转发从服务器接收的一个或多个消息的中继设备的先前实施例不同，在该替代实施例中，委托节点设备从服务器接收指令以向目标节点设备发送激活命令，从而激活目标节点设备，使得其第一通信接口被设置在用于与服务器交换消息的操作模式中。
利用该实施例，可以高效地利用在网络中节点设备之间的节点设备间通信中应用的特定通信协议。
对于上述任一实施例，目标节点设备可以切换到激活模式。也就是说，使目标节点设备的第一通信接口可用于通信目的，并且作为响应，可以经由第一通信接口向服务器传输消息，从而报告其激活状态。因此，当由服务器经由第一通信接口接收从目标节点设备传输的上行链路响应消息时，响应于接收到激活命令，可选地，服务器可以经由目标节点设备的第一通信接口启用与目标节点设备的通信。诸如通过第一通信接口从服务器向目标节点设备传输控制消息，这是服务器和目标节点设备之间最高效的通信方式。
在本公开的另一个实施例中，服务器经由至少一个其他节点设备与目标节点设备的通信是根据单跳或多跳协议来执行的。也就是说，另一个或委托节点设备可以经由第二通信接口直接与目标节点设备通信，即单跳，或者在目标节点设备与所选择的另一个节点设备不够接近而不允许经由第二通信接口直接通信的情况下，另一个节点设备与目标节点设备之间的通信可以经由几个中间节点设备来完成，即多跳。可以限制中间节点设备的数量，例如不超过五跳，以避免网络中的信令溢出。本解决方案中用于多跳传输的有利协议是已知的简单洪泛路由算法。
为了确保经由另一个或委托节点设备与服务器和目标节点设备的消息交换安全传输的目的，在本公开的实施例中，服务器经由至少一个其他节点设备与目标节点设备的通信是根据包括数据加密、源验证和完整性检查中的至少一个的安全算法来执行的。
将领会的是，服务器可以操作多个委托节点设备来到达特定的目标节点设备。在本公开的实施例中，至少一个其他或委托节点设备的数量是有限的。在示例中，服务器最多可以操作五个委托节点。这再次避免了在第二通信接口级别的网络中的数据风暴，并且节省了在第一通信接口级别的稀缺通信资源。
服务器可以基于不同的标准选择一个或多个其他节点设备。在本公开的实施例中，服务器基于至少一个其他节点设备和目标节点设备之间的地理距离来选择至少一个其他节点设备。较短的距离允许相对更快和更高效的消息传输。替代地，服务器也可以基于至少一个其他节点设备和目标节点设备在网络中的地理网络位置来选择至少一个其他节点设备。举例来说，至少一个其他节点设备可以位于无线网络的相同小区中，这也有助于确保消息的更高效传输。
可以设想，服务器也可以选择向一组目标节点设备传输消息。在这种情况下，在本公开的实施例中，确定步骤包括确定该组目标节点设备的当前通信状态，并且在该组目标节点设备的每个目标节点设备上执行通信步骤。例如，这允许服务器同时控制多个目标节点设备。
在本公开的示例性实施例中，节点设备包括照明器具，并且通信包括交换用于控制照明器具的照明的控制命令。控制目标节点设备组可以包括例如路灯系统中的一组照明器具的切换，这些照明器具通常每天开关一次或两次。
在本公开的第二方面中，提供了一种通信布置，其包括服务器和操作性互连节点设备的网络，该网络的每个节点设备包括第一通信接口和第二通信接口，其中第一通信接口被布置用于经由服务器和节点设备之间的无线通信系统进行直接上行链路和下行链路无线消息交换，并且第二通信接口被布置用于网络中节点设备之间的节点设备间通信，其中服务器被布置用于保存与每个节点设备交换的最后消息的记录，
其中服务器被布置用于：
- 在与目标节点设备通信之前，基于与目标节点设备交换的最后消息，确定目标节点设备的当前通信状态；
- 如果所确定的目标节点设备的通信状态指示可用于经由第一通信接口进行数据交换，则经由目标节点设备的第一通信接口与目标节点设备进行通信，以及
- 如果所确定的目标节点设备的通信状态指示不可用于经由第一通信接口进行数据交换，则经由服务器选择的网络的至少一个其他节点设备与目标节点设备进行通信；
其中所述至少一个其他节点设备被布置用于：
- 经由第一通信接口从服务器接收以下各项中的至少一个：
- 要转发到目标节点设备的消息，和
- 用于请求向目标节点设备传输激活命令的指令，以及
- 经由第二通信接口向目标节点设备传输以下各项中的至少一个：
- 从服务器接收的要转发到目标节点设备的消息，和
- 对目标节点设备的激活命令。
上述布置享有与结合本公开的第一方面中的方法描述的相同的益处和优点。
在本公开的第三方面中，提供了一种包括存储在计算机可读介质上的程序代码的计算机程序产品，该计算机可读介质被布置用于当程序代码由至少一个处理器执行时，执行本公开的第一方面中描述的方法。
参考下文描述的（一个或多个）非限制性示例实施例，本公开的上述和其他方面将是清楚的并得到阐述。
附图说明
图1示意性地图示了根据本公开的被布置用于在操作性互连节点设备的网络中操作的节点设备或终端设备的实施例的图。
图2示意性地图示了根据本公开实施例的布置，该布置包括如图1中所图示的互连节点设备网络和经由无线通信系统连接到节点设备的后端服务器。
图3在流程图中图示了根据本公开的由服务器与节点设备通信的方法的详细步骤的示例。
图4示意性地图示了适用于根据本公开的通信方法的安全传输协议。
具体实施方式
下面参考包括照明器具或照明设备的操作性互连节点设备的网络中的通信来详述本公开。本领域技术人员将领会的是，本公开不限于包括照明器具的节点设备之间的通信，而是同样适用于与启用有数据通信能力的各种各样节点设备的通信。
遍及本说明书，当用于与服务器直接通信的节点设备的第一通信接口处于非激活、睡眠或节省功率模式或者甚至被关闭时——即至少不在从服务器接收直接（即下行链路DL）通信的操作中时——节点设备的通信状态被称为对于远程或后端服务器不可到达。此外，当由节点设备的不正确或改变的下行链路数据通信地址等引起服务器不能到达节点设备时，节点设备的通信状态也被称为不可到达。
图1示意性地图示了根据本公开的节点设备10的实施例的框图，该节点设备10被布置用于在操作性互连节点设备的网络中操作。
节点设备10包括控制部分或控制设备11和照明器具或照明设备12，照明器具或照明设备12包括照明模块13，优选地是发光二极管（LED）照明模块或多个LED照明模块，其操作例如可以由控制设备11从远程控制设备或通过远程控制设备来控制，该远程控制设备诸如是远程或后端服务器（未示出）。
控制设备11进一步包括第一通信接口14（诸如网络适配器或收发器Tx/Rx 1模块），其被布置用于与这样的远程控制设备或后端服务器进行直接无线消息交换或数据分组15。第一通信接口14通常根据例如许可频带中的移动通信系统技术（诸如2G/3G/4G/5G蜂窝通信）以及其他远程无线通信技术（诸如已知的远程广域网（LoRaWAN）和窄带IoT（NB-IoT）通信）操作。然而，第一通信接口14也可以根据专有的无线通信协议或技术进行操作。
表述“直接无线消息交换”指代通过无线通信信道经由第一通信接口14从远程服务器到节点设备10的下行链路DL数据交换，以及经由第一通信接口14从节点设备10到远程服务器的上行链路UL数据交换等。
第一通信接口14可以被布置用于有线消息交换16，诸如用于通过以太网连接等的数据交换。
控制设备11进一步包括第二通信接口17，诸如网络适配器或收发器Tx/Rx 2模块，其被布置用于与网络中的另一个节点设备进行短程无线18或有线19消息或数据分组交换，即所谓的节点设备间通信。用于由联网设备或节点交换数据的网络协议可以包括用于无线网络的ZigBeeTM、蓝牙TM以及基于WiFi的协议，和有线总线网络，诸如DALITM（数字可寻址照明接口）、DSI（数字串行接口）、DMX（数字多路复用）和KNX（或基于KNX的系统）以及其他专有协议。
除了用于存储用于操作根据本公开的节点设备的计算机程序代码指令、节点设备本身和其他节点设备的地址信息（诸如节点设备的标识符（ID）、媒体接入控制（MAC）、地址和订户信息）的其他事物之外，控制设备11进一步包括至少一个微处理器（μP）或控制器20，以及至少一个数据储存库或存储装置或存储器21。代替储存库21，可以提供至少一个处理器或控制器20可接入的单独的存储器或存储装置。
至少一个微处理器或控制器20经由控制设备11的内部数据通信和控制总线23与第一通信接口14、第二通信接口17和至少一个储存库或存储装置21通信地交互并控制它们。第一和第二通信接口14、17可以被布置用于将节点设备10经由第一通信接口14接收的消息和数据经由第二通信接口17传递/转发到另一个节点设备。
照明器具或照明设备12连接24到数据通信和控制总线23，并且由至少一个微处理器或控制器20从数据通信和控制总线23进行控制。
第二通信接口17被布置用于始终是激活的，即，即使当节点设备10切换到节省功率或非激活模式时，也持续保持接收和传输节点间通信消息的操作，其中节点设备10的一些功能组件或模块被关闭，例如，这当中的第一通信接口14，作为其结果，节点设备10和远程或后端服务器之间的直接通信是不可能的，即，节点设备10对于远程或后端服务器是不可到达的。因此，经由第二通信接口17，节点设备间通信仍然是可能的。
图2示意性地图示了混合通信布置，其包括多个操作性地和通信地连接的节点设备10的网络30，这些节点设备10分别被称为101、102、103和104。网络30的每个节点设备10采用参考图1所描述的双通信接口结构。也就是说，每个节点设备10被布置用于通过其第一通信接口14与后端服务器40和无线通信系统45进行直接消息交换44，无线通信系统45诸如是蜂窝通信系统或使用其他远程无线通信技术的网络，如上面所公开的。附图标记43指代服务器40的通信接口，其被布置用于通过无线通信系统45进行通信，与如上所阐述的节点设备10的第一通信接口相当。
节点设备10被布置和连接用于通过它们的第二通信接口17进行节点设备间通信，由点划线31所图示。为了简单起见，图2中仅示出了四个节点设备10。然而，实际上，网络30可以包括大量（诸如30000个或更多）的节点设备10，它们可能占用相对大的地理区域，诸如安装在横跨城市或城镇的照明杆上的照明器具12。
例如，在操作中，每个节点设备10以随机的方式和/或时间向服务器40传输UL消息，诸如状态数据消息、接收确认消息和心跳消息。服务器40（在操作中的服务器40）向节点设备10传输DL控制数据消息。
服务器40在可从服务器40接入的数据库或存储装置或存储器41中保存最后从/向相应节点设备101、102、103、104接收/传输的UL和/或DL消息的记录42。
在本公开的实施例中，与节点设备10最后交换的消息的记录42包括最后交换的消息的时间戳以及节点设备10的标识、节点设备的地址、和节点设备的地理位置中的至少一个。
表1说明了由服务器40维护的、经由无线通信系统45从几个节点设备10最后接收的UL消息的示例性记录42。
设备ID 设备地址 设备位置 最后接收的上行链路消息的时间
0001-2345-6789-0123 192.168.1.25 31.163868, 121.389519 1546999809077
0001-2345-6789-0124 192.168.1.26 31.163999, 121.389920 1546999999022
… … … …
0001-2345-6789-9999 192.168.1.45 31.164791, 121.392503 1547002002345
表1：从节点设备最后接收的UL消息的示例性记录。
对于每个节点设备10，表1包括：节点设备的标识——设备ID，其可以是任意数字；设备MAC地址、国际移动订户身份IMSI等、节点设备的第一通信接口14的通信地址——设备 地址（诸如互联网协议IP号IPv4、IPv6）、移动订户号；节点设备的地理位置——设备位置，例如以地理坐标系的纬度和经度坐标表述；从节点设备10最后接收的上行链路消息的时间戳——最后的上行链路消息的时间，其以一毫秒（msec）为单位或任何其他时钟时间相关的参考或单位。
除了参考最后接收的上行链路消息的时间戳之外或者作为其替代，记录42还可以包括参考从服务器40传输到相应节点设备10的最后DL消息的时间戳。此外，例如，记录41可以包括传输到节点设备的最后消息的递送状态或类型。
在上面的表1中，记录42包括参考最后交换的消息的元数据。根据本公开，保存最后交换的消息的记录还可以包括存储最后消息的内容。
图3在流程图中图示了服务器40根据上表1中所示的示例性记录42与节点设备10进行通信的方法50的详细步骤的示例。假设服务器40意图与图2中的节点设备102交换一个或多个消息，节点设备102也称为目标节点设备，具有设备ID 0001-2345-6789-0123。用表1的符号表述的当前时间被假设为由1547002509077表示。此外，在10分钟的非激活之后，节点设备10的第一通信接口14变得不可用于通信，即进入睡眠模式中，或者改变IP地址等。
在服务器40经由无线通信系统45发起与目标节点设备102的消息交换之前，服务器40基于当前时间和从目标节点设备102最后接收UL消息的时间来确定目标节点设备102的当前通信状态，即步骤51“基于最后交换的消息确定目标节点设备的当前通信状态”。
对于表1中所图示的节点设备，来自目标设备0001-2545-6789-0123的UL消息最后被服务器2700000单位或毫秒接收，即45分钟前。知道目标节点设备102的睡眠模式周期，服务器40决定目标节点设备很可能不可经由通信系统45到达。也就是说，设备0001-2545-6789-0123显现得对服务器40不可到达。
接下来，服务器40确定网络30的至少一个其他节点设备10是否显现得可用于通过通信系统45进行通信。通过检查如表1中所示的记录42，显现出的是来自节点设备0001-2345-6789-9999（即假设网络30中的节点设备103）的最后UL消息在506732 毫秒前（即不到10分钟前）被接收。因此，节点设备103最有可能经由通信系统45可用且可到达。
因此，服务器40确定目标节点设备102由另一个节点设备103经由网络30中的节点设备间通信可用。
因此，服务器40选择另一个节点设备103作为委托节点设备，用于经由通信系统45和该另一个节点设备103的第一通信接口14与该另一或委托节点设备103交换DL消息。也就是说，步骤53“如果通信状态指示不可用于经由第一通信接口进行数据交换，则经由至少一个其他节点设备与目标节点设备通信”。
由服务器40与委托节点设备103交换的DL消息可以包括向委托节点设备103指示消息将被传输到哪个目标节点设备的信息，并且可选地指示消息应当如何被传输的信息。作为示例，DL消息可以包括指定特定目标节点设备101的节点设备标识、用于将一组节点设备指定为目标节点设备的组标识、要由另一个节点设备传输到目标节点设备的消息的类型（诸如用于指示广播消息的广播消息标识）等中的一个。
取决于从服务器40接收的DL消息的类型，所选择的其他节点设备103可以经由网络30的节点设备间通信（即第二通信接口17）传输或中继从服务器40接收的DL消息，或者诸如激活命令的单独消息，用于唤醒一个或多个目标节点设备。
当由委托节点设备103接收的DL消息包括用于唤醒或重新连接到目标节点设备102的激活命令时，目标节点设备102可以激活其第一传输接口14，并且可选地经由通信系统45向服务器40传输响应UL消息（诸如确认消息、心跳消息或任何其他消息），以向服务器40指示其可用于经由其第一通信接口14进行直接通信。
在服务器40从目标节点设备102接收到这样的可选消息时，即可选步骤54“从目标节点设备接收响应”，服务器40在步骤55“经由第一通信接口与目标节点设备通信”中可以开始服务器40和目标节点设备102之间的直接消息交换。在这种情况下，服务器40和目标节点设备102之间的直接通信是最高效的通信方式。
注意到，由目标节点设备102传输到服务器40的响应消息可以包括用于通过第一通信接口14通信的目标节点设备102的实际设备地址，使得服务器40总是知道目标节点设备102的实际通信地址。以这种方式，例如，如果服务器40在步骤52中根据最后交换的消息（即从服务器40传输到目标节点设备102的最后消息）的递送状态确定该最后消息尚未被目标节点设备102接收，则根据本公开的方法也适合于建立与目标节点设备的通信。
本领域技术人员将领会的是，服务器40不一定必须被告知节点设备10的节省功率或睡眠模式周期。例如，服务器40可以维持默认的节省功率或睡眠模式周期，用于确定目标节点设备的通信状态。
因此，利用本公开的方法，防止服务器40和睡眠节点设备或以其他方式不可到达节点设备之间的无效通信，使得通信系统45中的可用通信资源不被无效地占用。
要从委托或其他节点设备103传输到目标节点设备102或一组目标节点设备的激活命令可以包含在来自服务器40的指令中，或者由委托节点设备103基于从服务器40接收的指令来创建、编译或生成。通过在节点设备之间传输相对简单和直接的指令，可以减少通过网络30的流量负载。
如上所述，委托节点设备103可以通过节点间通信接口17直接中继经由其第一通信接口14从服务器40接收的消息，诸如例如关闭或打开由目标节点设备102控制的照明器具12的照明模块13的命令。
然而，在一些状况或场景中，可以设想目标节点设备102通过第二通信接口17和中间或委托节点设备103与服务器40通信，例如在目标节点设备102的第一通信接口14发生故障的情况下。
可以设想，如果委托节点设备103和目标节点设备102的物理或地理距离或网络位置指示节点设备在彼此的通信范围内，则它们可以分别经由它们的第二通信接口17进行无线通信18。也就是说，服务器40不仅可以基于通信系统45上的消息交换的可用性，还可以在其地理位置或到目标节点设备102的距离的基础上，基于记录42中包括的设备位置信息（参见表1），来选择委托节点设备。
另一方面，在一些场景中，由于目标设备的节点间无线通信的有限范围，目标设备不能被所有选择的委托设备接入。作为示例，从图2可以看到，在节点设备104和节点设备102之间，节点设备间通信是不可能的。当节点设备104被服务器40例如根据用于通信的地址和/或目标节点设备102的地理位置中的一个或多个而选择作为用于到达目标节点设备102的委托节点设备时，委托节点设备104可以确定从服务器40接收的用于转发到或指示目标节点设备102的DL消息可能需要至少一个中间节点设备。使得来自服务器的DL消息或相应指令的传输必须基于网络30中的多跳或网状协议来执行。
实际上，可以使用任何可用的多跳协议，诸如ZigBee、蓝牙等。实际上，已知的洪泛路由算法足以用于将DL消息从服务器中继或委托给目标节点设备的目的。
为了避免节点设备的网络30中的广播风暴，对于DL消息，只能执行预定义的有限跳数，例如5跳。跳数也可以基于例如其他节点设备和目标节点设备之间的距离来动态调整。
此外，其他节点设备中的每一个可以仅转发DL消息一次，以避免相同的DL消息从不同的其他节点设备到目标节点设备的多次递送。
将领会的是，服务器40可以同时操作多个委托节点设备，以到达特定的目标节点设备。为了高效使用通信系统45中的稀缺传输资源的目的。在示例中，服务器40最多操作五个委托节点。这也是为了避免网络30中的数据风暴。
另一方面，如果在步骤51中确定目标节点设备处于通过第一通信接口14进行直接通信的通信状态，则可以直接交换服务器40与目标节点设备102之间的消息，即步骤52“如果通信状态指示可用于经由第一通信接口进行数据交换，则经由第一通信接口与目标节点设备通信”。
本领域技术人员将领会的是，步骤51可以由服务器40在到节点设备的消息系列的开始或发起时执行一次，使得该步骤51不是每次对于特定序列中的消息都执行。步骤51也可以由服务器40仅在从特定节点设备的最后一次状态检查起经过了某个时间间隔（诸如在其之后节点设备进入其睡眠模式或节省功率模式的时间间隔）之后，或者在默认时间段之后执行，如上所述。
UL消息的示例是心跳消息。心跳消息通常从发起者的启动直到发起者的关闭被周期性地不间断地发送到目的地。当目的地标识出在预期到达时段期间缺少心跳消息时，目的地可以确定发起者已经失败、关闭或者一般不再可用。另一方面，心跳消息可以维持网络地址转换NAT的映射一致。因此，向服务器发送心跳消息的节点设备使得服务器能够确定节点设备何时通信失败或不再可用。当节点可用时，根据心跳消息，服务器知道要经由第一通信接口直接通信的节点设备的地址。
举例来说，在现有技术的应用中，移动运营商的蜂窝网络中的典型心跳消息间隔可以高达三分钟。三分钟之后，节点设备不能接受下行链路消息，例如因为节点设备的地址由于NAT映射超时而不再有效，或者节点设备进入睡眠模式。
假设根据本公开的网络30是包括36000个节点设备的路灯系统，并且节点设备具有5小时（其是18000秒）的上行链路消息间隔。简单的计算示出，服务器40将大致每0.5秒从节点设备得到一个上行链路消息，例如诸如心跳消息。如果如上所述超时时段是三分钟，这意味着平均来说总是有大约360个节点设备具有激活通信状态，并且它们可以在任何时间从服务器40接收下行链路消息。这些激活节点设备可以充当用于作为将由服务器40选择的委托节点设备操作的候选。
在具有较少节点设备的网络中，小于5小时的心跳消息速率可能是必要的。无论如何，与现有技术的系统相比，利用本发明，心跳速率可以小得多或者甚至完全没有，这取决于布置的性质。
本领域技术人员将领会的是，UL消息可以是任何消息，只要它可以便于服务器确定发送UL消息的节点设备10的当前状态即可。
为了具有合理的系统效率的目的，服务器40没有必要询问网络的所有节点设备来作为委托节点设备进行操作。服务器40可以仅选择满足设置的传输和容量以及处理标准的这样的节点设备，诸如以便具有平衡且足够高效的系统性能。
作为示例，服务器可以选择与目标节点设备相距小于阈值的距离的节点设备。作为另一个示例，例如，所选节点设备和目标节点设备在移动网络的同一小区中。
注意到，目标节点设备和服务器之间的直接通信可以基于诸如蜂窝通信网络的商业网络，其一般比节点设备之间的网络中的节点间通信更安全和鲁棒。在此背景下，可以认为第二通信接口仅用于传输或转发激活命令，而不用于中继来自或去往服务器的消息。
另一方面，对于从服务器40到委托节点设备103的DL消息和从委托节点设备103到目标节点设备102的（激活）消息，可以实现安全传输。
图4示意性地图示了适用于根据本公开的通信方法的安全传输协议60的步骤序列。在图4中，时间从附图的顶部延伸到其底部。
所提出的安全传输包括两个关键部分，即，用于验证DL消息是否源自后端服务器40的源验证，以及针对DL消息的完整性检查。注意到，如图4中所图示的示例涉及传输协议，其中一个或多个其他或委托节点设备103将从服务器40接收的唤醒消息转发到目标节点设备或一组目标节点设备102，而无需任何进一步操控。本领域的技术人员将领会的是，该协议可以适于其中委托节点设备从服务器接收第一消息并且然后向（一个或多个）目标节点设备传输不同于第一消息的第二消息的场景，然而，这里将不对此进一步阐述。
该协议从步骤61“创建公共根唤醒密钥：K_wp和初始状态值：WS_0”开始，其中服务器40创建将由包括委托或激活节点设备103和目标或非激活节点设备102在内的所有节点设备使用的根唤醒密钥，并将初始状态设置在零或任何其他随机整数处。
接下来，在步骤62处，“发送在安全入网初始化中受保护的{K_wp，WS_0}”，创建的唤醒密钥和初始状态例如在节点设备的入网初始化期间被发送到每个节点设备102和103，从而确保消息的安全传输。
在步骤63处，“存储K_wp并设置设备状态DS=WS_0”，节点设备存储接收到的公共唤醒密钥K_wp，并根据接收到的初始状态设置它们的设备状态DS，即DS=WS_0。
上述步骤发生在节点设备网络的初始化阶段，例如，在包括大量路灯或灯柱的路灯系统的照明器具的入网初始化期间。
接下来，当服务器40确定特定目标节点设备102是非激活的，并且需要被唤醒时，在步骤64处，服务器40执行多个操作来准备激活消息（在该示例中是唤醒命令），该激活消息将经由激活的其他或委托节点设备103被传输到非激活目标节点设备102。具体地，服务器40首先创建随机数M_ID作为消息ID，随机数M_ID是任意数。服务器40然后根据函数F，基于根唤醒密钥和消息ID计算一次性唤醒密钥K_s=F（K_wp，M_ID）。此后，服务器设置当前状态WS_n=WS_n-1+1，其中n是唤醒消息的序列号。例如，对于服务器40发送的第一唤醒消息（其中n = 1 ），当前状态将被计算为：WS_1=WS_0+1。服务器40执行的最后一个操作是构造唤醒命令：wk_comm={payload，Hash（K_s，payload）}，其中payload={M_ID，WS_n}，并且Hash表示散列函数。
在步骤65处，“发送在DTLS中受保护的wk_comm”，在步骤64处创建的唤醒命令经由数据报传输层安全性DTLS协议从服务器40传输到（一个或多个）激活或委托节点设备103，该DTLS协议防止所传输的唤醒命令被窃听、篡改或伪造。替代地，可以应用任何其他安全通信协议，诸如但不限于传输层安全性TLS、互联网协议安全性IPSec等。
在步骤66处，充当用于将接收到的唤醒命令wk_comm传输到（一个或多个）目标节点设备102的中继设备的（一个或多个）委托节点设备103检查唤醒命令是否来自可信源。具体地，目标节点设备103首先检查WS_n是否大于设备状态DS。在WS_n > DS的情况下，基于根唤醒密钥和消息ID计算唤醒密钥，即以相同的方式计算K_s。通过重新散列唤醒密钥和有效载荷来认证接收到的唤醒命令中的散列值。在成功认证散列值——即所接收的唤醒命令被认证为来自可靠源（即服务器40）时——设备状态DS被设置为等于所接收的当前状态DS=WS_n。
在步骤67处，经认证的唤醒命令被传输、传递或转发到（一个或多个）目标节点设备102。在步骤68处，目标节点设备102通过与委托节点设备103在步骤66处使用的相同方法，再次验证唤醒命令是否来自可信源。
在唤醒命令被验证和认证之后，在步骤69处，目标节点设备102向服务器40传输心跳消息，从而通知服务器2它现在可用于直接通信，即包括DS的心跳消息。然后，在步骤70处，服务器2现在通过向目标节点设备102发送直接DL消息来与目标节点设备102通信，目标节点设备102现在对于与服务器40的直接通信是激活的。
将领会的是，本公开的实施例也可以是从属权利要求和/或上述实施例以及相应独立权利要求的任何组合。
根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的公开内容时可以理解和实现对所公开的示例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或收发器或者其他单元可以实现权利要求中记载的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，诸如与硬件一起供应或作为硬件的一部分的光存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，诸如经由互联网或者其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。

Claims (15)

1.一种在服务器（40）与在操作性互连节点设备（10）的网络（30）中操作的目标节点设备（102）之间通信的方法（50），每个节点设备（10）包括第一通信接口（14）和第二通信接口（17），其中所述第一通信接口（14）被布置用于经由所述服务器（40）和节点设备（10）之间的无线通信系统（45）进行直接上行链路和下行链路无线消息交换，并且所述第二通信接口（17）被布置用于所述网络（30）中的节点设备（10）之间的节点设备间通信，其中所述服务器（40）被布置用于保存与每个节点设备（10）交换的最后消息的记录（42），所述方法包括以下步骤：
- 在与所述目标节点设备（102）通信之前，由所述服务器（40）基于与所述目标节点设备（102）交换的所述最后消息，确定（51）所述目标节点设备（102）的当前通信状态；
- 如果所述目标节点设备（102）的所述确定的通信状态指示可用于经由所述第一通信接口（14）进行数据交换，则由所述服务器（40）经由所述目标节点设备（102）的所述第一通信接口（14）与所述目标节点设备（102）进行通信（52），以及
- 如果所述目标节点设备（102）的所述确定的通信状态指示不可用于经由所述第一通信接口（14）进行数据交换，则由所述服务器（40）经由由所述服务器（40）选择的所述网络（30）的至少一个其他节点设备（10）与所述目标节点设备（102）进行通信（53）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中与节点设备（10）最后交换的消息的所述记录（42）包括所述最后交换的消息的时间戳以及所述节点设备（10）的标识、所述节点设备（10）的地址、所述节点设备（10）的地理位置、递送状态和所述最后交换的消息的类型中的至少一个。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当在从所述服务器（40）确定所述通信状态起的预定时间段之前的时间点与所述目标节点设备（102）交换所述最后交换的消息时，所述服务器（40）确定所述目标节点设备（102）的所述通信状态不可用于经由所述第一通信接口（14）进行数据交换。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，由所述服务器（40）经由至少一个其他节点设备（10）与所述目标节点设备（102）进行通信（53）包括以下步骤：
- 由所述服务器（40）经由所述至少一个其他节点设备（10）的所述第一通信接口（14）向所述至少一个其他节点设备（10）传输下行链路消息，
其中所述下行链路消息是要由所述至少一个其他节点设备（10）经由所述第二通信接口（17）转发到所述目标节点设备（102）的类型。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述下行链路消息包括用于激活所述目标节点设备（102）的激活命令。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中由所述服务器（40）经由至少一个其他节点设备（10）与所述目标节点设备（102）进行通信（53）包括以下步骤：
- 由所述服务器（40）经由所述至少一个其他节点设备（10）的所述第一通信接口（14）向所述至少一个其他节点设备（10）传输下行链路消息，
其中所述下行链路消息包括请求所述其他节点设备（10）经由所述第二通信接口（17）向所述目标节点设备（102）传输激活命令的指令。
7. 根据权利要求4、5或6所述的方法，进一步包括以下步骤：
- 响应于接收到所述激活命令，由所述服务器（40）经由所述第一通信接口（14）接收（54）从所述目标节点设备（102）传输的上行链路响应消息；并且可选地
- 由所述服务器（40）经由所述目标节点设备（102）的所述第一通信接口（14）与所述目标节点设备（102）通信（55）。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中由所述服务器（40）经由至少一个其他节点设备（10）与所述目标节点设备（102）进行所述通信（53）是根据单跳和多跳协议之一来执行的，特别是其中所述多跳协议是洪泛路由算法。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中由所述服务器（40）经由至少一个其他节点设备（10）与所述目标节点设备（102）进行所述通信（53）是根据包括数据加密、源验证和完整性检查中的至少一个的安全算法来执行的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一个其他节点设备（10）的数量是有限的，特别是小于或等于五。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一个其他节点设备（10）由所述服务器（40）基于所述至少一个其他节点设备（10）和所述目标节点设备（102）之间的地理距离以及所述至少一个其他节点设备（10）和所述目标节点设备（102）在所述网络（30）中的地理位置中的至少一个来选择。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述确定步骤（51）包括确定一组目标节点设备（102）的当前通信状态，并且所述通信步骤（52；53）对所述一组目标节点设备（102）的每个目标节点设备（102）执行。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述节点设备（10）包括照明器具（12），并且所述通信包括交换用于控制所述照明器具（12）的照明（13）的控制命令。
14.一种包括服务器（40）和操作性互连节点设备（10）的网络（30）的通信布置，所述网络（40）的每个节点设备（10）包括第一通信接口（14）和第二通信接口（17），其中所述第一通信接口（14）被布置用于经由所述服务器（40）和节点设备（10）之间的无线通信系统（45）进行直接上行链路和下行链路无线消息交换，并且所述第二通信接口（17）被布置用于所述网络（30）中的节点设备（10）之间的节点设备间通信，其中所述服务器（40）被布置用于保存与每个节点设备（10）交换的最后消息的记录（42），
其中所述服务器（40）被布置用于：
- 在与目标节点设备（102）通信之前，基于与所述目标节点设备（102）交换的所述最后消息，确定（51）所述目标节点设备（10）的当前通信状态；
- 如果所述目标节点设备（102）的所述确定的通信状态指示可用于经由所述第一通信接口（14）进行数据交换，则经由所述目标节点设备（102）的所述第一通信接口（14）与所述目标节点设备（102）进行通信（52），以及
- 如果所述目标节点设备（102）的所述确定的通信状态指示不可用于经由所述第一通信接口（14）进行数据交换，则经由由所述服务器（40）选择的所述网络（30）的至少一个其他节点设备（10）与所述目标节点设备（102）进行通信（53）；
其中所述至少一个其他节点设备（10）被布置用于：
- 经由所述第一通信接口（14）从所述服务器（40）接收以下各项中的至少一个：
- 要转发到所述目标节点设备（102）的消息，和
- 用于请求向所述目标节点设备（102）传输激活命令的指令，以及
- 经由所述第二通信接口（17）向所述目标节点设备（102）传输以下各项中的至少一个：
- 从所述服务器（40）接收的要转发到所述目标节点设备（102）的消息，和
- 对所述目标节点设备（102）的激活命令。
15.一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读介质上的程序代码，当所述程序代码由至少一个处理器执行时，所述程序代码被布置用于执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。
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