CN114830734A - 具有组合节点的网络中的路由发现 - Google Patents

Abstract

本发明涉及Zigbee无线网状通信网络的领域，并且特别涉及供在网状网络中建立路由的此类系统中使用的方法、系统和节点（A、B、C、D），其中Zigbee路由器节点（A、B、C）包括控制器和无线电收发器，并且被布置成在Zigbee路由器（C）传输的多对一路由请求中包括Zigbee终端设备ZED、Zigbee路由器（C）的子节点（D）的地址和/或在Zigbee路由器（C）传输的AODV路由回复中包括Zigbee路由器（C）的ZED子节点（D）的地址。

Description

具有组合节点的网络中的路由发现

技术领域

本发明涉及无线通信网络领域，并且特别地涉及供在网状网络中建立路由的此类方法中使用的方法、系统和节点。

背景技术

专业照明市场中的不断发展的趋势是越来越多地移动向连接照明系统，取使能实现所有种类的新特征，像（远程）调度、能量监视、基于传感器的照明控制和资产管理。在许多情况下，这些系统安装在现有建筑中，在这种情况下，无线网络是优选的，以避免必须通过天花板部署新的电缆（用于照明控制）。在当前实践中广泛使用的这样的无线网络协议的示例是开放标准，像Zigbee、Thread、BLE、BLE网格、Wi-Fi、Wi-Fi direct，以及在IEEE802.15.4、IEEE 802.15.1或IEEE 802.11标准之上构建的各种专有网络实现。

Zigbee网络、特别是照明控制网络可以非常大。

发明内容

本发明的核心是来自发明人的见解，即这样的大型Zigbee网络不仅大，而且还通常非常密集，在这样的密集网络中，将每个节点配置为Zigbee路由器不很好地扩展；事实上，即使许多节点将在彼此的无线电范围内这也增加了很多开销。结果，每个节点中的邻居表（通常16或26个条目）将由于许多其他节点的紧密接近而快速填满。值得注意的是，不在邻居表中的任何节点都需要通过多跳的路由（即使它可能在无线电距离内），从而添加了开销。

除此之外，路由发现花费时间，并且广播流量的突发可能暂时对网络性能产生负面影响。网络中具有许多路由器节点的开销也是由每个路由器周期性发出的链路状态消息以及由于广播的Zigbee消息的重新广播引入的。

克服最后一个问题（过多的链路状态消息和重新广播）的现有解决方案是给一些节点分配Zigbee终端设备（ZED）的角色。这样的终端设备要求路由器节点被指定为其“父节点”。

然而，以上没有解决在利用终端设备的现有Zigbee网络中，必须经由自组按需距离向量（AODV）路由请求来发现到终端设备的路由的问题。该过程是耗时的（它添加了网络时延），并且由于大量的路由请求和路由回复而增加了网络负载。此外，Zigbee网络中的节点的路由发现表（即，临时存储正在进行的路由发现的结果的表，以在10s的时段内保持跟踪路由请求帧的重传和正在改变的成本）是有限的资源（Zigbee r22 PICS仅需要最小4个路由发现表）。

以上导出如下见解：在可能的情况下应该避免同时发送多个AODV路由。

Zigbee规范定义了Parent_annce（_rsp）消息，该消息通过它们的IEEE地址列出了路由器的ZED子节点，但是它仅用于清除重新启动的路由器的邻居/子节点表中陈旧的ZED地址。

Zigbee还支持“多对一路由请求”（MTORR）的概念，其中集中器（通常是网关）周期性地广播MTORR。当节点接收到该MTORR时，它在其路由表中存储指示另一个节点是集中器节点的条目，这建立了从该节点到集中器的路由。

本发明旨在改进以下问题中的至少一个：即减少由于路由请求消息引起的网络负载，并减少向终端设备发送消息时的网络时延。后者进一步改进了用户体验。

为了解决上述问题，本发明旨在通过在其多对一路由请求和/或常规（AODV）路由回复中包括其ZED子节点的地址来增强Zigbee路由器节点。这为接收该路由消息（MTORR或AODV路由回复）的节点提供了到该消息中包括的终端设备的路由。

根据本发明的第一方面，提供了一种供在Zigbee无线网状网络中使用的无线Zigbee路由器节点，该Zigbee路由器节点包括被布置成使用Zigbee无线网络协议进行通信的无线电收发器，其中路由器节点被布置成在其多对一路由请求中包括其ZED子节点的地址，并且可选地，Zigbee路由器节点进一步被布置成在其（AODV）路由回复中包括其ZED子节点的地址。

根据本发明的第二方面，提供了一种供在Zigbee无线网状网络中使用的无线Zigbee路由器节点，该Zigbee路由器节点包括被布置成使用Zigbee无线网络协议进行通信的无线电收发器，其中路由器节点被布置成在其（AODV）路由回复中包括其ZED子节点的地址，并且可选地，路由器节点还被布置成在其多对一路由请求中包括其ZED子节点的地址。

优选地，Zigbee路由器节点是照明网络中的路由器，并且包括在存在传感器、光传感器、照明开关、改型灯、照明设备和/或无线网络控制器之一中。与纯RF通信网络相比，照明网络倾向于是密集网络，密集指代其他节点的无线电范围内节点的平均数量。在某种程度上，这是来自照明应用要求的结果，计及标志线的特性，照明应用要求照明节点比RF通信严格要求的彼此更紧密接近。这在需要均匀照明并且（日光和/或存在）传感器和/或开关部署在照明区域内或与照明区域相邻的办公室环境中变得更相关。因此，照明网络中的节点数量倾向于高于用于无线电通信目的严格要求的数量，从而致使本发明特别有利。根据本发明的第三方面，提供了一种由供在Zigbee无线网状网络中使用的Zigbee路由器节点执行的方法，其中该路由器节点被布置成在其多对一路由请求中包括其ZED子节点的地址，并且可选地，Zigbee路由器节点还被布置成在其（AODV）路由回复中包括其ZED子节点的地址。

根据本发明的第四方面，提供了一种由供在Zigbee无线网状网络中使用的Zigbee路由器节点执行的方法，其中该路由器节点被布置成在其（AODV）路由回复中包括其ZED子节点的地址，并且可选地，路由器节点进一步被布置成在其多对一路由请求中包括其ZED子节点的地址。

根据本发明的第五方面，使用根据第一和/或第二方面的一个或多个无线Zigbee路由器来提供Zigbee无线网络。该系统进一步包括将ZED状态分配给多个Zigbee无线网络节点中的一个，所述节点具有路由器功能，但是由于密集的网络结构将“扰乱”路由表。

根据第五方面的系统优选地通过以下各项来配置：将ZED状态分配给具有路由器功能的多个Zigbee无线节点；并且在Zigbee无线网络中具有所选数量的Zigbee无线路由器，以保证适当的连接性和冗余度，从而维持诸如最小网络连接性的要求，以改进容错性（例如，到每个节点的至少两个路径（或另一预定数量的路径））。通过具有可以自适应地配置成部署Zigbee路由器功能或ZED功能的Zigbee路由器，可以简化网络管理。实际上，这些Zigbee路由器节点是双重角色节点。它们可以在其中Zigbee路由器部署Zigbee路由器功能的第一模式下操作，或者取而代之在其中它部署ZED功能的第二模式下操作。通过使用这些Zigbee路由器，使用单个类型的节点来创建无线网络成为可能，但是同时它允许在安装之后进行后续配置，例如在调试期间或者在操作期间通过相应角色的分配。

以这种方式，路由器设备的数量——或者换句话说，部署路由器设备功能的网络设备的数量——可以在需要时进行适配。在网络的密集区段中限制在第一模式下操作的路由器的数量以进一步减轻路由发现的开销成为可能。此外，当这样的配置的结果是路由变得困难时，可能的是将Zigbee路由器从第二（ZED）模式操作切换回到第一（路由器）模式操作，以便在需要时改进路由效率。

为了促进配置，配置消息可以通过Zigbee无线网状网络被发送到相应的Zigbee路由器，这样的消息可以在使用调试工具的调试期间或者在来自网络控制器的操作期间被传输。

应当注意，结合在MTORR和/或AODV路由回复内提供关于ZED设备的信息，上述内容进一步改进了路由发现，并因此允许改进Zigbee无线网络管理。

根据本发明的方法也可以应用于没有任何网关的独立连接网络。

该方法可以进一步应用于存在ZED节点的任何网络，因为这将减少路由发现的数量。

本发明可以进一步体现在包括代码装置的计算机程序中，当程序由包括处理装置的节点执行时，该代码装置使得处理装置实行本发明的任何一个方法。

附图说明

在附图中，遍及不同的图中，相同的附图标记通常指代相同的部分。此外，附图不一定按比例，取而代之的是重点通常放在说明本发明的原理上。

图1描绘了图示本发明概念的示例；

图2描绘了Zigbee无线路由器的框图；

图3A描绘了传输方法的第一变型的流程图；

图3B描绘了传输方法的第二变型的流程图

图4描绘了配置路由器节点的方法的流程图。

具体实施方式

根据本发明，Zigbee路由器/协调器在其多对一路由请求中和/或常规（AODV）路由回复中包括其ZED子节点的地址。这为接收该路由消息（MTORR或AODV路由回复）的节点提供了到该消息中包括的终端设备的路由。

在路由器/协调器发出多对一路由请求、AODV路由请求（在nwkSymLink=true的情况下）或AODV路由回复（在nwkSymLink=false的情况下）之前，它首先读出它的子表或它的邻居表的那一部分，这包括绑定到它的终端设备的NWK地址。该信息用于添加新参数：通过包括每个终端设备的NWK地址，多对一路由请求和AODV路由回复的有效载荷中的ZED子节点列表。

多对一路由请求（对Zigbee标准化路由请求命令的扩展是下表中的“变量”字段）：

。

AODV路由回复（对Zigbee标准化路由回复命令的扩展是下表中的“变量”字段）：

。

在接收到包含NWK地址列表的MTORR的情况下，每个Zigbee路由器节点将不仅将集中器的路由添加到其路由表中，而且同时为该集中器的所有ZED子节点创建条目。在nwkSymLink=true的情况下，这同样适用于接收到的AODV路由请求，因为那时路由被假定为由对称链路组成，并且前向和反向路由是在单个路由发现中创建的。

以上内容指代路由表不具有某个目的地的条目的情况。在条目已经存在的情况下，可以用新获得的信息替换/更新该条目。

因此，父路由器应该能够代表它们的ZED子路由器处理MTORR错误。

另外的解释见图1。该图中的线表征节点之间存在链路，即节点B具有到节点A和C的直接链路。节点A、B、C是路由器节点，节点D是ZED（并且没有路由表）。

该图解释了节点C发送其MTORR（包括其子节点D）的示例。节点B和A接收MTORR，并将到节点C和D的路由添加到它们的路由表中。

在接收到包含NWK地址列表的AODV路由回复的情况下，发起者将在目的地路由旁边添加目的地的子路由，还将其添加到其路由表。

新参数可以作为附加参数附加在命令的末尾；可以使用RREQ命令帧的命令选项字段的保留字段之一来指示它的存在。

路由请求命令选项字段

。

替代地，它也可以作为自描述类型长度值（TLV）字段被附加。Zigbee修订版23将允许向许多Zigbee命令添加TLV。优选地，多对一路由请求和/或AODV路由回复包括借助于这样的TLV的NWK地址列表。

在扩展中，父节点可以触发路由发现（在nwkSymLink=true的情况下为MTORR或AODV），例如，在父节点处的本地改变时——例如，新的ZED子节点加入或在父节点处重新加入，在解决子节点的地址冲突时，或者在远程改变时——例如，当父节点检测到新节点已经加入时（例如，在接收到Device_annce时）。

在最简单的实施例中，ZED子节点的列表可以被包括在路由器发送的每个受影响的路由命令中。在另一个实施例中，为了限制相应路由帧的长度，ZED子节点列表可以仅被包括在所选择的受影响的路由消息中，例如每第N个消息，或者取决于子节点的轮询频率（如果子节点是快速轮询，则在每个路由消息中，或者在与子节点的轮询频率相匹配的频率中）或者网络所处的状态：在加入阶段中，当许多设备正在加入时，它可以被添加到每个受影响的路由消息中，并且随着加入频率变得更低——或者调试模式在网络上被禁用——该列表被包括得不太频繁。

作为进一步的优化，子节点和父节点之间的关系可以保存在接收远程节点中。因此，当将检测到到父节点或其任何子节点的路由改变时（例如，将建立新路由或报告路由错误），到父节点和/或（其他）子节点的路由可以自动更新，而父节点不包括ZED子节点的（完整）列表；该关系可以被保留，例如直到ZED子节点重新加入、父节点离开网络，或者直到接收到父节点改变的另一个指示。

在RREP的情况下，响应的父节点可以总是包括ZED子节点的列表——或者仅当被RREQ触发时，例如通过包括另一个“ZED查询”TLV——或者通过由RREQ发起者包括ZED列表。

此外，在非常密集的系统中，其中路由器可以服务于多个ZED子节点，子节点列表对于单个路由命令来说可能太长。那么它可能需要被分块传递，拆分成几个消息。替代地，它仅包括其ZED子节点的所选子集，使得子节点列表适合单个路由命令。

在一些情形下，例如，当父节点检测到新的路由器节点已经加入时（例如，在接收到能力信息字段的设备类型标志被设置为FFD的Device_annce时），不仅包括路由器的ZED节点的短地址而且还包括它们的IEEE地址可能是有益的；这将不仅为子节点保存独立的路由发现，而且还保存多个单播IEEE_addr_req。

此外，在需要知道的基础上，父节点可以仅包括ZED子节点，例如，如果它知道在ZED子节点上或者到ZED子节点的任何绑定，或者如果在定义的时间段内或者自其加入以来，已经代表该子节点生成或者为该子节点接收了RREQ。

等同地，接收具有子节点列表的MTORR的节点可以选择性地选择本地存储子节点列表的路由；例如使用关于绑定和RREQ的信息。

它们可能需要用在父节点的路由帧中接收到的信息来重写先前建立的到ZED子的路由。这也可能导致路由表条目类型的改变，例如从AODV路由（其需要经由广播RREQ来修复）改变为MTORR路由（其可以通过向路由目的地发送单播路由错误消息来修复，使用任何路由器邻居都应该具有到集中器的工作路由的事实）。

图2提供了Zigbee无线路由器10的框图，该Zigbee无线路由器10包括控制器20和无线电收发器30，它们被布置成使用如本发明的各种实施例所使用的Zigbee无线网络协议进行通信。可选地，Zigbee无线路由器包括用于存储路由信息的路由表40。替代地，路由信息可以作为数据结构存储在另一存储装置中，诸如本领域已知的控制器的存储器中。

图3A提供了由供在Zigbee无线网状网络中使用的Zigbee路由器节点执行的方法的第一变型的流程图，其中路由器节点被布置成在其多对一路由请求中包括310其ZED子节点的地址，并且可选地，Zigbee路由器节点进一步被布置成在其（AODV）路由回复中包括320其ZED子节点的地址。

图3B提供了由供在Zigbee无线网状网络中使用的Zigbee路由器节点执行的方法的第二变型的流程图，其中路由器节点被布置成在其（AODV）路由回复中包括320其ZED子节点的地址，并且可选地，路由器节点进一步被布置成在其多对一路由请求中包括310其ZED子节点的地址。

图4提供了用于配置Zigbee无线网状网络的另外方法的流程图，该方法包括通过向具有路由器功能的多个Zigbee无线节点分配ZED状态来进行配置（400）；并且在Zigbee无线网络中具有所选数量的Zigbee无线路由器，以保证适当的连接性和冗余度，从而维持诸如最小网络连接性的要求，以改进容错性（例如，到每个节点的至少两个路径（或另一预定数量的路径））。

根据本发明的方法可以作为计算机实现的方法在计算机上实现，或者在专用硬件中实现，或者在两者的组合中实现。

根据本发明的方法的可执行代码可以存储在计算机/机器可读存储装置上。计算机/机器可读存储装置的示例包括非易失性存储器设备、光存储介质/设备、固态介质、集成电路、服务器等。优选地，计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上的非暂时性程序代码装置，用于当所述程序产品在包括在如在上述实施例中公开的节点或网络或调试设备中的处理装置或计算机上执行时，执行根据本发明的方法。

还可以提供方法、系统和计算机可读介质（暂时性和非暂时性）来实现上述实施例的所选方面。

术语“控制器”在本文一般用于描述与一个或多个网络设备或协调器的操作以及其他功能相关的各种装置。控制器可以以多种方式（例如，诸如用专用硬件）实现，以执行本文讨论的各种功能。“处理器”是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，该微处理器可以使用软件（例如微码）编程以执行本文讨论的各种功能。控制器可以采用或不采用处理器来实现，并且也可以实现为执行一些功能的专用硬件和执行其他功能的处理器（例如，一个或多个编程的微处理器和相关联电路）的组合。可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的示例包括但不限于常规的微处理器、专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）。

在各种实现中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质（本文一般称为“存储器”）相关联，例如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM、高密度磁盘、光盘等）。在一些实现中，存储介质可以编码有一个或多个程序，一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，执行本文讨论的至少一些功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可移动的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中，以便实现本文讨论的本发明的各个方面。术语“程序”或“计算机程序”在本文中以一般意义使用，指代可以用于对一个或多个处理器或控制器编程的任何类型的计算机代码（例如，软件或微码）。

如本文使用的术语“网络”是指两个或更多个设备（包括控制器或处理器）的任何互连，其促进在任何两个或更多个设备之间和/或在耦合到网络的多个设备之间的信息传送（例如，用于设备控制、数据存储、数据交换等）。

如说明书和权利要求书中所使用的，“或”应该理解为具有与上面定义的“和/或”相同的含义。例如，当分隔列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包括至少一个，但也包括多于一个的多个或元素列表，以及可选地，附加的未列出的项目。

Claims (15)

1.一种供在Zigbee无线网状网络（100）中使用的Zigbee路由器（10），所述Zigbee路由器包括：

-控制器（20）和

-无线电收发器（30），被布置成使用Zigbee无线网络协议进行通信，

其中控制器（20）被布置成在Zigbee路由器（10）传输的多对一路由请求中包括Zigbee终端设备ZED、Zigbee路由器（10）的子节点的地址。

2.根据权利要求1所述的Zigbee路由器（10），其中：

控制器（20）被布置成将Zigbee路由器的ZED子节点（D）的地址包括在Zigbee路由器传输的AODV路由回复中。

3.一种供在Zigbee无线网状网络（100）中使用的Zigbee路由器（10），所述Zigbee路由器包括：

-控制器（20）和

-无线电收发器（30），被布置成使用Zigbee无线网络协议进行通信，

其中控制器被布置成将Zigbee路由器（10）的ZED子节点（D）的地址包括在Zigbee路由器传输的AODV路由回复中。

4.根据权利要求3所述的Zigbee路由器（10），其中：

控制器（20）被布置成在Zigbee路由器传输的多对一路由请求中包括Zigbee路由器的ZED子节点（D）的地址。

5.根据前述权利要求中任一项所述的Zigbee路由器（10），该Zigbee路由器包括路由表（40），其中该Zigbee路由器被布置成在接收到：

-在从集中器接收到包括MTORR中的ZED地址列表的MTORR时，在用于所述集中器的路由表中添加或更新条目，并且将用于所述集中器的所有ZED子节点的条目添加或替换到路由表（40）

或者

-在从另外的Zigbee路由器接收到包括ZED地址列表的AODV路由回复并且nwkSymLink=true时，将所述另外的路由器的路由条目以及所述另外的路由器的所有ZED子节点的路由条目添加或更新到路由表（40）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的Zigbee路由器（10），其中Zigbee路由器是照明网络中的路由器，并且包括在存在传感器、光传感器、照明开关、改型灯、照门设备或无线网络控制器之一中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的Zigbee路由器（10），所述Zigbee路由器（10），其中所述无线电收发器被布置成经由无线网状网络（100）接收配置包，其中所述配置包为所述Zigbee路由器提供指令，并且其中所述配置包被传递给所述控制器，并且其中所述控制器被配置外：

-当在其中Zigbee路由器部署Zigbee路由器功能的第一模式下操作时，将Zigbee路由器从第一模式切换到第二模式，其中当配置包如此指示时，Zigbee路由器部署ZED节点功能。

8.根据权利要求6所述的Zigbee路由器（10），其中所述无线电收发器（30）被布置成所述无线网络（100）接收另外的配置包，其中所述配置包为所述Zigbee路由器提供指令，并且其中所述控制器被配置为当所述配置包如此指示时，将在第二模式下操作的Zigbee路由器从第二模式切换到第一模式。

9.一种由供在Zigbee无线网状网络（100）中使用的Zigbee路由器（10）执行的方法，

其中，Zigbee路由器节点：

-在Zigbee路由器传输的多对一路由请求中包括（310）Zigbee终端设备ZED、Zigbee路由器的子节点的地址。

10.根据权利要求9所述的方法，其中Zigbee路由器节点（10）

-在Zigbee路由器传输的AODV路由回复中包括（320）Zigbee路由器的ZED子节点的地址。

11.一种由供在Zigbee无线网状网络（100）中使用的Zigbee路由器（10）执行的方法，

其中，Zigbee路由器节点：

-在Zigbee路由器传输的AODV路由回复中包括（320）Zigbee路由器的ZED子节点的地址。

12.根据权利要求11所述的方法，其中Zigbee路由器节点（10）

-在Zigbee路由器传输的多对一路由请求中包括（310）Zigbee终端设备ZED、Zigbee路由器的子节点的地址。

13.一种Zigbee无线网络（100），包括根据权利要求7或8的多个Zigbee无线路由器（A，B，C）。

14.根据权利要求13所述的网络，其中存在根据权利要求86或7的多个Zigbee路由器节点（A，B，C，D）。

15.根据权利要求13所述的配置网络的方法，所述方法包括：

-借助于配置消息，通过将第二模式分配给在第一模式下操作的多个Zigbee路由器来进行配置（400）。

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