CN118215115A - 使用所估计时间漂移来确定同步网络中的保活周期性 - Google Patents

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CN118215115A CN202410408821.2A CN202410408821A CN118215115A CN 118215115 A CN118215115 A CN 118215115A CN 202410408821 A CN202410408821 A CN 202410408821A CN 118215115 A CN118215115 A CN 118215115A
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Abstract

本申请涉及使用所估计时间漂移来确定同步网络中的保活周期性。本发明提供一种用于在无线网络中操作节点的方法，所述方法包含：计算所述节点与所述节点的上代节点之间的所估计时间漂移(300)，及使用所述所估计时间漂移以及所述节点与所述无线网络的根节点之间的跳变数目来确定所述节点的保活周期(302)。

Description

使用所估计时间漂移来确定同步网络中的保活周期性
分案申请相关信息
本申请案为分案申请。其母案是申请日为2019年6月28日、申请号为201980030220.X、发明名称为“使用所估计时间漂移来确定同步网络中的保活周期性”的发明专利申请案。
技术领域
本申请涉及使用所估计时间漂移来确定同步网络中的保活周期性。
背景技术
为增加可靠性并降低电力消耗，低电力无线网络越来越多地使用时间同步媒体存取控制(MAC)协议。此类网络中的节点使用时隙来进行通信且因此维持时钟同步性。例如制造差异、温度及供应电压等因素可致使网络节点中的时钟相对于彼此漂移。因此，可需要周期性地重新同步节点。
发明内容
本文中的实例涉及用于使用所估计时间漂移来确定同步网络中的保活(keepalive)周期性的方法及设备。在一个方面中，提供一种用于在无线网络中操作节点的方法，所述方法包含：计算所述节点与所述节点的上代节点之间的所估计时间漂移；及使用所述所估计时间漂移以及所述节点与所述无线网络的根节点之间的跳变数目来确定所述节点的保活周期。
在一个方面中，提供一种无线网络中的无线通信装置，所述无线通信装置包含：存储器，其存储软件指令；及处理器，其耦合到所述存储器以执行所述软件指令，且对所述软件指令的执行致使所述无线通信装置：计算所述无线通信装置与所述无线通信装置的第一上代无线通信装置之间的所估计时间漂移；及使用所述所估计时间漂移以及所述无线通信装置与所述无线网络的根无线通信装置之间的跳变数目来确定所述无线通信装置的保活周期。
附图说明
图1描绘实例性多跳变无线网络。
图2是用于估计图1的网络中的一对节点之间的漂移的方法的流程图。
图3是用于确定图1的网络中的保活周期的方法的流程图。
图4是用于确定及使用图1的网络中的保活补偿因子的方法的流程图。
图5是上代同步信息元素的实例。
图6是实例性无线通信装置的简化框图。
图7是实例性无线通信装置的简化框图。
具体实施方式
现在将参考附图详细地描述特定实例。为了一致性，各图中的相似元件由相似参考数字表示。
在本文中参考2016年4月22日纽约NY电气电子工程师学会公司(The Instituteof Electrical and Electronics Engineers,Inc.)的“低速率无线个人区域网络(WPAN)的IEEE标准(IEEE Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs))”(其以引用的方式并入且在本文中称为“IEEE 802.15.4-2015”)来描述实例。此外，实例基于如IEEE 802.15.4-2015中所描述的时隙化信道跳变(TSCH)。然而，本文中所描述的概念可适用于其它时间同步协议，例如：无线HART(WirelessHART)，一种由HART通信基金会开发的无线联网技术标准；ISA 100.11a，一种由国际自动化协会开发的无线联网技术标准；及IEEE 802.15.4e-2012。
图1描绘实例性多跳变无线网络100。实例性网络100包含根节点104、四个中间节点106、108、110、112以及五个叶节点114、116、118、120、122。举例来说，节点可为控制装置(例如灯泡或门锁)或感测装置(例如警报系统中的烟雾警报器或门传感器)或者可既为控制装置又为感测装置(例如警报系统中的恒温器或基站)。外部装置122(例如膝上型计算机、智能电话或平板计算机)经由根节点104而与网络100中的节点进行通信。
节点104到122中的每一者包含如在IEEE 802.15.4-2015中所定义的TSCH媒体存取(MAC)层。在TSCH网络中，将时间划分成时隙以进行通信，且将所有中间及叶节点时间同步到根节点。时隙以时隙帧进行分组，且由另一网络层管理的TSCH调度指示每一节点关于在给定时隙中所述节点应进行什么操作：传输、接收或休眠。所述调度为逻辑二维矩阵，其中一个维度确定时隙帧中的时隙偏移且另一维度指定可用频带中的信道偏移。调度的宽度等于时隙帧宽度且深度等于所分配带中的可用频率(或信道)的数目。
此外，TSCH网络使用信道跳变，其中调度中的连续时隙帧上的相同时隙处的特定MAC层信道偏移在时隙帧的每一迭代处转换为不同频率(或物理信道)。结果是以不同频率来传递在相邻节点之间进行交换的连续包。由于所有节点共享共同时间及信道信息，因此节点可跳过整个信道空间以使多路径衰落及干扰的负面效应最小化，且可以时隙化方式进行此以避免冲突，从而使对重新传输的需要最小化。
在TSCH网络中，例如根节点104及/或中间节点106、108、110、112等协调器传输周期性信标，所述周期性信标含有促进网络中的节点加入及传递的信息。举例来说，信标包中所含有的信息可为将在特定时间使用的信道、关于何时传输信标的时序信息、链路信息等。
TSCH网络中的节点各自具有内部时钟，例如晶体振荡器。晶体的频率可受(举例来说)制造差异、温度及/或供应电压影响。因此，在节点对之间可存在一些时间漂移且漂移可在节点对之间不同，这是因为每一晶体可不同地漂移。举例来说，随时间可在根节点104与中间节点108之间、中间节点108与中间节点112之间及中间节点112与叶节点118、120、122中的每一者之间存在一些漂移。
TSCH网络中的节点之间的数据业务用于将节点与其上代节点隐式地重新同步。然而，在不存在数据业务的情况下，节点可每保活周期至少一次向其上代节点传递保活帧以维持与根节点及/或上代节点的同步性。由节点使用保活帧来进行同步为如下操作。节点设定针对保活周期的唤醒定时器。当定时器期满时，节点将保活帧(例如，空帧)发送到其上代节点，从而请求时间校正。上代节点利用应答帧来回复，所述应答帧含有时序校正(例如，预期帧到达时间与实际到达时间之间的时间差)。节点视需要使用此差来将内部时钟与上代节点重新同步。
在IEEE 802.15.4-2015中未定义保活周期的持续时间。举例来说，可将保活周期定义为保护时间除以时钟精确度，其中保护时间是添加于时隙之间以允许存在一些去同步的时间周期。举例来说，假定针对网络100的保护时间为1ms且叶节点120的晶体时钟精确度为百万分之40(ppm)。因此，叶节点120每25秒向中间节点112发送保活帧，如果在所述25秒周期内不存在其它网络活动的话。
如果TSCH网络为单跳变网络(例如，网络中的所有节点直接连接到根节点)，那么依赖于保活帧的周期性来维持与根节点的同步性可为足够的。然而，在多跳变网络(例如网络100)中，多跳变路径中的节点对之间的漂移随跳变积累。为维持同步性，保活帧的周期性需要使得在任何特定节点处引发的所积累漂移小于保护时间。举例来说，假定保护时间为1ms且根节点104与中间节点110之间的漂移为1ms并且中间节点110与叶节点114之间的漂移也为1ms。中间节点110知晓从根节点104的漂移为1ms且与根节点104重新同步。叶节点114与根节点104之间的漂移及中间节点110与叶节点114之间的漂移现在均为2ms。2ms漂移大于保护时间且因此叶节点114被去同步且必须与网络100重新连接。
实例提供针对多跳变网络(例如网络100)中的节点确定保活周期。在一些实例中，当节点加入网络100时，估计节点对之间的漂移且使用所估计漂移以及从根节点的跳变数目来确定针对加入的节点的保活周期。在一些此类实例中，当同步失败(例如，由于网络干扰)时，还在节点加入网络之后使用所估计漂移来确定保活时间补偿因子。保活时间补偿因子连同保活周期一起使用以设定针对节点的唤醒定时器。
图2是用于估计网络100中的一对节点之间的漂移的方法的流程图。当节点第一次连接到网络100时(例如，当网络100中的节点被通电时)，执行所述方法。最初，节点加入200网络100且开始TSCH。节点接着从上代节点接收202到206多个信标，针对每一信标而计算204从上代节点的时间漂移的估计。节点基于信标预期到达的所估计时间而计算204基于信标的时间漂移估计。举例来说，使用先前所接收信标中的指示网络100何时开始、信标间隔等的信息，节点估计下一信标将何时到达。当下一信标到达时，信标的所估计到达时间与信标的实际到达时间之间的差为基于信标的时间漂移估计。可实证地确定出于此目的而接收的信标数目。在一些实例中，信标数目为十个。
节点接着基于多个基于信标的时间漂移估计而计算208所估计时间漂移。在一些实例中，依据下式而将所估计时间漂移du计算为多个基于信标的时间漂移估计的平均值
其中n为基于信标的时间漂移估计的数目，di为基于信标的时间漂移估计，且ti为信标之间的对应时间间隔。在一些实例中，如果存在基于信标的时间漂移估计的较大变化，那么使用最大基于信标的时间漂移估计而非平均值。触发对最大基于信标的时间漂移估计的使用的基于信标的时间漂移估计的变化量由(举例来说)系统设计者确定或作为经实证确定的变化百分比。
图3是用于确定针对网络100中的节点的保活周期的方法的流程图。最初，加入网络100的节点估计300从其上代节点的漂移。可使用用于估计漂移的任何适合技术。在一些实例中，节点使用图2的方法来估计漂移。
节点接着基于所估计漂移以及从根节点104到所述节点的跳变数目而确定302保活周期。依据下式而估计节点可保持同步而无需发送保活帧的最大时间间隔Ts
Ts＝Tg/du
其中Tg为保护时间且du为所估计时间漂移。接着依据下式而计算节点的最大保活周期TKA
TKA＝Ts/n
其中n为从根节点104到加入节点的跳变数目。举例来说，如果加入节点为节点106，那么n＝1且TKA＝Ts。在另一实例中，如果加入节点为节点122，那么n＝3且TKA＝Ts/3。加入节点可将针对其保活周期的时间间隔选择为小于或等于最大时间间隔TKA的任何合理值。
加入节点接着基于所确定保活周期而设定304唤醒定时器且开始在网络100中进行操作。尽管发送保活帧/包的频率帮助维持同步，但当保活帧或其它帧的传输由于(例如)网络干扰或更高优先级传输而并未成功时，可出现问题。为进一步确保维持所述同步性，节点视需要将保活时间补偿因子应用于当前保活周期。
图4是用于确定及使用网络100的节点中的保活时间补偿因子的方法。当节点加入网络100时，假定保活时间补偿因子为零，这是因为当节点加入网络100时，建立同步。为维持同步性，节点在每一时隙中等待接收400包或唤醒定时器期满404。如果在唤醒定时器期满之前接收到400包，那么节点处理所述包(未展示)且将保活时间补偿因子设定402为零，这是因为包的接收指示所述节点与上代节点同步。节点接着基于保活时间补偿因子及保活周期而设定414唤醒定时器且恢复等待包接收或唤醒定时器期满。在此实例中，保活时间补偿因子为零，因此将唤醒定时器设定到当前保活周期。
如果唤醒定时器期满404，那么节点将保活包传输406到上代节点且等待应答(ACK)包。如果由于(例如)网络干扰或无保活包传输(由于更高优先级传输)而未接收到408ACK，那么节点依据下式而计算412新保活时间补偿因子tcomp
tcomp＝tlastsynch*du
其中du为节点的当前所估计漂移且tlastsynch为从节点与上代节点成功地同步的最后时间以来逝去的时间。节点接着基于保活时间补偿因子tcomp及当前保活周期TKA而设定414唤醒定时器。因此，节点将唤醒定时器设定为TKA–tcomp。节点接着恢复等待包接收或唤醒定时器期满。
如果接收到408ACK，那么节点更新410所估计漂移du，且如果需要，更新保活周期TKA。更具体来说，ACK包包含时间校正信息元素，所述时间校正信息元素通知节点上代节点与所述节点之间的当前时间漂移。节点使用此信息以及从与上代节点的最后成功同步以来逝去的时间来确定时间漂移du是否已改变。如果时间漂移du已改变，那么节点将所述节点的时间漂移du设定为新时间漂移且重新计算保活周期TKA及保活时间补偿因子tcomp，如本文中先前所描述。否则，节点的时间漂移du、保活周期TKA及保活时间补偿因子tcomp不改变。节点414接着基于当前保活时间补偿因子tcomp及当前保活周期而设定唤醒定时器。举例来说，节点将唤醒定时器设定为TKA–tcomp。节点接着恢复等待包接收或唤醒定时器期满。
在一些实例中，为进一步确保子节点不失去与其上代节点的同步，上代节点保持通知子节点关于上代节点与其上代同步的最后时间。子节点可接着使用此信息来确保在上代节点再次与其上代节点同步之前，子节点与其上代节点同步。更具体来说，当子节点与其上代节点同步时，上代节点开始在信标及数据帧中包含当上代节点最后与其上代节点同步时所传达的上代同步信息元素(IE)。
图5是上代同步IE的实例。上代同步IE 502实施为如在IEEE 802.15.4-2015中所定义的巢套IE，例如，上代同步IE 502巢套于有效负载IE 500的内容字段中。上代同步IE502的内容字段为八位字节，其中八个位如下设定。如果上代节点已完成与其上代节点的同步，那么将内容字段的最高有效位设定为1。其余七个位指示从最后执行同步以来的近似信标周期数目，其中通过下式给出信标周期数目nrBcnPeriods：
nrBcnPeriods＝min{(GuardTime/(du*BcnInterval),(2^7-1)}
其中BcnInterval为信标传输之间的时间间隔且(2^7-1)为可在针对nrBcnPeriods而分配的位数目中表示的最大数目。如果从最后同步以来逝去的时间大于(2^7-1)*BcnInterval，那么将最高有效位设定为0。
子节点使用上代同步IE中的信息来决定何时与上代节点同步，例如何时发送保活包。举例来说，如果上代节点在五个信标周期内未与其上代节点同步且需要另外十个信标周期来执行同步，那么子节点可决定在十个信标间隔逝去之前与其上代同步。
图6是适合用作网络100中的节点的实例性无线通信装置600的简化框图。无线通信装置600包含天线601、收发器组件602、处理器组件604、存储器组件606及应用程序组件608。天线601经配置以接收并传输射频(RF)信号。收发器组件602经配置以调制所接收RF信号且调制待传输的RF信号。存储器组件606可包含任何适合存储器，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、快闪存储器等等，或此存储器的组合。应用程序组件608经配置以执行无线通信装置600的功能，例如，控制警报、控制光、温度感测等。
处理器组件604可包含一或多个适合处理器，例如可编程通用或专用微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程控制器、可编程逻辑装置(PLD)等等，或此类装置的组合。处理器组件604进一步经配置以执行存储于存储器组件606中的软件指令，所述软件指令致使无线通信装置600执行如本文中所描述的方法。
图7是实例性无线传感器装置700(例如，无线通信装置)的简化框图，所述实例性无线传感器装置可被部署为无线网络(例如图1的实例性网络100)中的节点且可经配置以执行如本文中所描述的方法。更具体来说，实例性无线传感器装置700可体现为可从德州仪器(Texas Instruments)获得的CC26xx SimpleLinkTM多标准无线微控制器(MCU)集成电路(IC)。超低功率微控制器的CC26xx族系包含以超低功率CPU为特征的多个装置及针对各种应用的不同外围设备。所描绘的特定MCU为CC2650。在本文中提供对CC2650的简略描述。在2015年2月的德州仪器出版物SWRS158B“CC2650 SimpleLinkTM多标准无线MCU”(其以引用的方式并入本文中)中提供对CC2650的详细描述。
MCU 700并入有32位作为主处理器以及外围特征集，所述外围特征集包含用于在系统的其余部分处于休眠模式中时自主地介接外部传感器及/或收集模拟及数字数据的超低功率传感器控制器。MCU 700还并入有基于/>处理器的RF核心。RF核心经设计以自主地处置各种无线电协议的时间临界方面。RF核心包含专用40KB静态随机存取存储器(SRAM)及专用只读存储器(ROM)。
MCU 700还并入有提供代码及数据的非易失性存储的128KB的快闪存储器、可用于存储数据及执行代码两者的20KB的SRAM，以及存储实时操作系统内核的ROM。MCU 700上的一般外围设备/模块可包含12位A/D转换器、具有电压参考产生及迟滞能力的16信道比较器、用于SPI、微导线(Microwire)及UART协议的接口、内部直接存储器存取(DMA)、实时时钟、多个16/32位定时器以及更多。
实施如本文中所描述的方法的软件指令可存储于MCU 700上的计算机可读媒体(例如MCU 700上的快闪存储器、静态随机存取存储器(SRAM)或只读存储器(ROM))中，且由主处理器执行。
其它实例
尽管已关于有限数目个实例而描述说明，但受益于此说明者将了解，可设想不背离如本文中所描述的说明的范围的其它实例。
已在本文中描述其中在节点加入网络时估计时间漂移的实例。在其它实例中，在例如检测到温度变化及环境改变等情况下触发时间漂移的重新计算。
已在本文中描述其中加入节点具有单个时间源相邻者的实例。在其它实例中，加入节点可具有多于一个时间源相邻者。在此类实例中，加入节点将每一时间源相邻者的所估计漂移以及最终所估计漂移计算为所估计漂移的平均值或计算为所估计漂移的最大值。
因此，预期所附权利要求书将涵盖如归属于本说明的真实范围内的实例的任何此类修改。

Claims (20)

1.一种网络通信装置，其包括：
收发器，其经配置以耦合到网络；
时钟；
处理器组件，其耦合到所述时钟和所述收发器；及
非暂时性计算机可读媒体，其耦合到所述处理器组件并且存储指令，所述指令在被所述处理器组件执行时致使所述处理器组件执行以下操作：
确定所述网络通信装置的所述时钟和通过所述网络耦合到所述网络通信装置的第二网络通信装置的时钟之间的漂移；
确定所述网络的根装置和所述网络通信装置之间的跳变数目；
基于所述漂移和所述跳变数目而确定保活周期的持续时间；及
响应于所述保活周期逝去，致使所述收发器通过所述网络传输保活包。
2.根据权利要求1所述的网络通信装置，其中所述指令包括进一步指令，所述进一步指令致使所述处理器组件执行以下操作：
确定所述第二网络通信装置和第三网络通信装置之间的最近同步，所述第三网络通信装置为所述第二网络通信装置的上代；及
进一步基于所述第二网络通信装置和所述第三网络通信装置之间的所述最近同步而确定所述保活周期的所述持续时间。
3.根据权利要求2所述的网络通信装置，其中用于确定所述第二网络通信装置和所述第三网络通信装置之间的所述最近同步的指令包含致使所述处理器组件执行以下操作的指令：
通过所述收发器从所述第二网络通信装置接收包，所述包包含指明所述第二网络通信装置和所述第三网络通信装置之间的所述最近同步的内容字段。
4.根据权利要求1所述的网络通信装置，其中用于确定所述漂移的指令包含致使所述处理器组件执行以下操作的指令：
通过所述收发器从所述第二网络通信装置接收第一信标；
基于所述第一信标确定来自所述第二网络通信装置的第二信标的所估计到达时间；
通过所述收发器从所述第二网络通信装置接收所述第二信标；及
基于所述第二信标的到达时间和所述第二信标的所述所估计到达时间之间的差而确定所述漂移。
5.根据权利要求1所述的网络通信装置，其中用于确定所述漂移的指令包含致使所述处理器组件执行以下操作的指令：
通过所述收发器从所述第二网络通信装置接收多个信标；
从所述多个信标确定多个基于信标的漂移估计；及
依据下式确定所述所漂移：
其中du为所述所漂移，n为所述多个基于信标的漂移估计中的基于信标的漂移估计的数目，di为所述多个基于信标的漂移估计中的基于信标的漂移估计，且ti为对应于di的所述多个信标的子集之间的时间间隔。
6.根据权利要求1所述的网络通信装置，其中用于确定所述保活周期的所述持续时间的指令包含致使所述处理器组件执行以下操作的指令：
基于保护时间除以所述漂移而确定最大时间间隔，在所述最大时间间隔中所述网络通信装置能够与所述第二网络通信装置保持同步；及
基于所述最大时间间隔除以所述跳变数目而确定所述保活周期的所述持续时间。
7.根据权利要求1所述的网络通信装置，其中用于致使所述收发器传输所述保活包的指令致使所述处理器组件使所述收发器响应于所述保活周期逝去而在不与所述网络通信装置通信的情况下传输所述保活包。
8.根据权利要求1所述的网络通信装置，其中所述保活周期的所述持续时间与所述漂移和所述跳变数目的乘积成反比。
9.根据权利要求1所述的网络通信装置，其中所述第二网络通信装置为所述网络通信装置的上代。
10.根据权利要求1所述的网络通信装置，其中所述保活包为第一保活包，且所述指令包含进一步指令，所述进一步指令致使所述处理器组件执行以下操作：
基于对所述第一保活包的响应是否由所述网络通信装置接收而确定保活补偿因子；及
在基于所述保活周期和所述保活补偿因子而确定的时间，向所述第二网络通信装置传输第二保活包。
11.一种方法，其包括：
确定第一节点中的第一时钟和第二节点中的第二时钟之间的时间漂移，其中所述第一节点和所述第二节点通过网络耦合；
确定所述网络的根节点和所述第一节点之间的跳变数目；
基于所述时间漂移和所述跳变数目而确定用于所述第一节点的保活周期的持续时间；
确定所述保活周期已逝去；及
响应于所述保活周期逝去，从所述第一节点向所述第二节点传输保活包。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：
确定所述第二节点和第三节点之间的最近同步，所述第三节点为所述第二节点的上代；及
进一步基于所述第二节点和所述第三节点之间的所述最近同步而确定用于所述第一节点的所述保活周期的所述持续时间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二节点和所述第三节点之间的所述最近同步的确定包含由所述第一节点从所述第二节点接收包，所述包包含指明所述第二节点和所述第三节点之间的所述最近同步的内容字段。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述时间漂移的确定包含：
由所述第一节点通过所述网络从所述第二节点接收第一信标；
基于所述第一信标的接收而确定来自所述第二节点的第二信标的所估计到达时间；
由所述第一节点通过所述网络从所述第二节点接收所述第二信标；及
基于所述第二信标的到达时间和所述第二信标的所述所估计到达时间之间的差而确定所述时间漂移。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述时间漂移的确定包含：
由所述第一节点通过所述网络从所述第二节点接收多个信标；及
基于与所述多个信标相关联的多个基于信标的时间漂移估计而依据下式确定所述时间漂移：
其中du为所述时间漂移，n为所述多个基于信标的时间漂移估计中的基于信标的时间漂移估计的数目，di为所述多个基于信标的时间漂移估计中的基于信标的时间漂移估计，且ti为对应于di的所述多个信标的子集之间的时间间隔。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述保活周期的所述持续时间的确定包含：
基于保护时间除以所述时间漂移而确定最大时间间隔，在所述最大时间间隔中所述第一节点能够与所述第二节点保持同步；及
基于所述最大时间间隔除以所述跳变数目而确定所述保活周期的所述持续时间。
17.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述保活周期已逝去的操作在所述第一节点和所述第二节点之间不进行通信的情况下确定所述保活周期已逝去。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述保活周期的所述持续时间与所述时间漂移和所述跳变数目的乘积成反比。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二节点为所述第一节点的上代。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述保活包为第一保活包，所述方法进一步包括：
基于对所述第一保活包的响应是否由所述第一节点接收而确定保活补偿因子；及
在基于所述保活周期和所述保活补偿因子而确定的时间，从所述第一节点向所述第二节点传输第二保活包。
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