CN1309266C - 用于自组织通信网络中的移动节点的协议和结构 - Google Patents

用于自组织通信网络中的移动节点的协议和结构 Download PDF

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Abstract

一种自组织网络，其特征在于具有多个节点，具有至少一个用于这些节点的控制节点，其可用于控制网络节点之间的形成、维护和消息路由中的一个或者多个，并且可用于支持网络(200、300)中一个或者多个移动节点(MN)的关联、维护、部署和断开关联。移动节点不形成网络的逻辑主干的一部分，并且因此可具有分配给其的静态地址，用以以有效的方式协助网络的常规固定节点和移动节点之间的通信。

Description

用于自组织通信网络中的移动节点的协议和结构
优先权数据
本申请依照美国法典第17卷119(e)部分(Title 35，United statesCode Section 119(e))，要求在2002年6月6日提交的美国临时申请Serial No.60/386,511的优先权益。
相关申请的交叉参考
本申请涉及题为“Protocol and Structure for Self-OrganizingNetwork”(Docket No.CMP3526J)和“A Protocol for a Self-OrganizingNetwork Using a Logical Spanning Tree Backbone”(DocketNo.CM03403J)的共同未决申请，其在此处并入列为参考。
技术领域
本发明一般涉及通信网络的领域。更具体地，本发明涉及用于自组织网络的协议和结构，该自组织网络可以具有移动节点。
背景技术
存在多种用于无线通信网络的应用，诸如无线传感器、工业控制和监视、智能化农业、资源和资产跟踪以及安全保障。该网络的人工配置是耗时的并且是昂贵的。因此存在对产生ad hoc、自组织网络的通信协议的需要；即，具有随机拓扑的网络，其中在没有人工干预的情况下进行网络的组织和维护。同样理想的是，该自组织网络提供功能上的灵活性，并且以使能量消耗和对可利用的传输带宽的使用减到最小的方式，提供了在其中部署的设备的地理位置。
发明内容
本发明提供一种包括多个节点的网络的自组织的方法，所述多个节点中的至少一个可用作网络的控制节点，所述方法包括：移动节点向多个节点中的一个节点发送连接请求，以请求该节点用作该移动节点连接到网络的连接节点(220)；如果该节点同意成为移动节点的连接节点，则移动节点连接到该节点，并且该节点作为该移动节点连接到网络的连接节点进行操作(230)；该节点将其作为移动节点的连接节点的状态传递到网络的控制节点(250)；所述控制节点更新网络，以反映该节点是网络中移动节点的连接节点；向所述移动节点分配静态地址；所述控制节点将用于移动节点的消息路由至所述连接节点的逻辑地址，其中所述消息包含移动节点的静态地址；以及所述连接节点传递用于移动节点的消息。
附图说明
在权利要求中陈述了由本发明的特性所确认的新颖特征。然而，在结合附图进行阅读时，通过参考下文对说明性实施例的详细描述，将最佳地理解本发明自身、以及所使用的优选模式和其进一步的目的和优点，其中：
图1是根据本发明的某些实施例的簇头选择过程的图示。
图2是根据本发明的某些实施例的簇头和成员节点之间的链路设置过程的图示。
图3是根据本发明的某些实施例的单点跳跃的簇结构的图示。
图4是根据本发明的某些实施例的多点跳跃的簇设置程序的图示。
图5是根据本发明的某些实施例的多点跳跃的簇结构的图示。
图6是根据本发明的某些实施例的用于更新邻居列表的过程的图示。
图7是根据本发明的某些实施例的示例性网络的图示。
图8是图7所示网络的簇边界中的节点的邻居列表。
图9是根据本发明的某些实施例的示例性网络的图示。
图10是对应于图9网络的链路状态报告。
图11是根据本发明的某些实施例的示例性网络的图示。
图12是对应于图11网络的拓扑更新表。
图13是根据本发明的某些实施例的具有失效节点的示例性网络的图示。
图14是用于图13所示网络的已修改的链路状态报告表。
图15是第一级链路恢复之后的图13网络的图示。
图16是用于图15所示网络的拓扑更新表。
图17是第二级链路恢复之后的图13网络的图示。
图18是用于图17所示网络的链路状态表。
图19是用于图17所示网络的拓扑更新表。
图20是根据本发明的某些实施例的使用RTS/CTS消息的多路访问控制的图示。
图21是示出了根据本发明的某些实施例的数据包传递流程的流程图。
图22是根据本发明的某些实施例的簇ID分配的第一示例的交互图。
图23是对应于图22的网络的图示。
图24是簇ID分配的第二示例的交互图。
图25是对应于图24的网络的图示。
图26是根据本发明的某些实施例的簇ID分配的第三示例的交互图。
图27是对应于图26的网络的图示。
图28是根据本发明的某些实施例的簇ID分配的第四示例的交互图。
图29是对应于图28的网络的图示。
图30是示例性网络的交互图。
图31是对应于图30所示网络的网络链路状态报告。
图32是根据本发明的某些实施例的示例性网络的图示。
图33是对应于图32所示网络的网络拓扑更新表。
图34是根据本发明的某些实施例的说明网络冗余的示例性网络的图示。
图35是对应于图34所示网络的已修改的网络链路状态报告。
图36是对应于图34所示网络的已修改的网络拓扑更新表。
图37是根据本发明的某些实施例的示出了边界节点的示例性多簇网络的图示。
图38示出了根据本发明的某些实施例的示例性“你好”(HELLO)消息的结构。
图39示出了根据本发明的某些实施例的示例性“连接请求”(CONNECTION REQUEST)消息的结构。
图40示出了根据本发明的某些实施例的示例性“连接响应”(CONNECTION RESPONSE)消息的结构。
图41示出了根据本发明的某些实施例的示例性“节点ID请求”(NODE ID REQUEST)消息的结构。
图42示出了根据本发明的某些实施例的示例性“节点ID响应”(NODE ID RESPONSE)消息的结构。
图43示出了根据本发明的某些实施例的示例性“断开连接请求”(DISCONNECTION REQUEST)消息的结构。
图44示出了根据本发明的某些实施例的示例性“断开连接响应”(DISCONNECTION RESPONSE)消息的结构。
图45示出了根据本发明的某些实施例的示例性“链路状态报告”(LINK-STATE REPORT)消息的结构。
图46示出了根据本发明的某些实施例的示例性“拓扑更新”(TOPOLOGY UPDATE)消息的结构。
图47示出了根据本发明的某些实施例的示例性“网络连接请求”(NETWORK CONNECTION REQUEST)消息的结构。
图48示出了根据本发明的某些实施例的示例性“网络连接响应”(NETWORK CONNECTION RESPONSE)消息的结构。
图49示出了根据本发明的某些实施例的示例性“簇ID请求”(CLUSTER ID REQUEST)消息的结构。
图50示出了根据本发明的某些实施例的示例性“簇ID响应”(CLUSTER ID RESPONSE)消息的结构。
图51示出了根据本发明的某些实施例的示例性“网络断开连接请求”(NETWORK DISCONNECTION REQUEST)消息的结构。
图52示出了根据本发明的某些实施例的示例性“网络断开连接响应”(NETWORK DISCONNECTION RESPONSE)消息的结构。
图53示出了根据本发明的某些实施例的示例性“网络链路状态报告”(NETWORK LINK-STATE REPORT)消息的结构。
图54示出了根据本发明的某些实施例的示例性“网络拓扑更新”(NETWORK TOPOLOGY UPDATE)消息的结构。
图55示出了根据本发明的某些实施例的示例性“请求发送(RTS)”(REQUEST TO SEND(RTS))消息的结构。
图56示出了根据本发明的某些实施例的示例性“清除发送(RTS)”(CLEAR TO SEND(RTS))消息的结构。
图57示出了根据本发明的某些实施例的用于簇内通信的示例性“应答”(ACKNOWLEDGEMENT(ACK))的结构。
图58示出了根据本发明的某些实施例的用于簇间通信的示例性“应答”(ACKNOWLEDGEMENT(ACK))的结构。
图59示出了根据本发明的某些实施例的示例性簇内数据(DATA)帧的结构。
图60示出了根据本发明的某些实施例的示例性簇间数据(DATA)帧的结构。
图61说明了根据本发明的某些实施例的具有多种类型的固定节点、移动节点和控制节点的示例性网络。
图62～65说明了根据本发明的某些实施例的可由移动节点使用的多个示例性连接脚本。
图66～67说明了根据本发明的某些实施例的移动节点的示例性连接请求。
图68说明了根据本发明的某些实施例的使移动节点关联到网络的方法的流程图。
图69是根据本发明的某些实施例说明了移动节点的移动与重新关联相一致的网络示图，图68说明了用于使移动节点关关联到网络的方法的流程图。
图70说明了根据本发明的某些实施例的使移动节点重新关联到网络的方法的流程图。
图71～74是根据本发明的某些实施例的移动节点和其连接节点之间的不同通信模式的时间线图示，图68说明了用于使移动节点关联到网络的方法的流程图。
图75是根据本发明的某些实施例的网络的节点的功能框图，图68说明了用于使移动节点关联到网络的方法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明易于受到许多不同形式的实施例的影响，但是在附图中示出了一个或者多个具体的实施例，并且此处将对其进行详细描述，同时应理解，本公开内容未被认为是本发明的原理的示例，并且其目的不在于将本发明限制于所示和所述的具体的实施例。在下面的描述中，相似的数字用于描述附图中数个示图中的相同的、相似的或者对应的部分。
自组织网络和相关的路由协议用于一个或者多个自组织网络的形成、维护和通信，同时该通信网络的特征在于多个节点与至少一个控制节点通信，并且通过控制网络节点之间的形成、维护和消息路由中的一个或者多个填充该通信网络。自组织通信网络可以是无线的，并且无线网络自身特别适于使用大量的低功率的、低成本的节点或者通信设备。因此网络的节点通常包括大量的网络节点(NN)或者设备，其不频繁地移动，通常是固定的，即非移动的网络节点。然而，当它们移动时，它们的逻辑地址信息，即在网络中相对于其他网络节点或设备的位置，也可能变化。其他环境也可能引起它们的逻辑信息发生变化，诸如节点或者链路失效，这是因为该事件将引起NN的分层或者逻辑位置相对于网络发生变化。
网络节点还可以是移动节点——在网络中自由改变物理位置的节点。移动节点(MN)可以频繁地物理地和/或功能地移入并移出网络，诸如物理地从网络的一个部分移动到另一个部分、关闭、电池备用电源耗尽等等。根据本发明，由于多种原因移动节点在网络中移来移去或者进入(关联)和离开(断开关联)网络，因而与NN不同，该移动节点不改变逻辑地址信息。因此它们可以在它们的静态地址中保留它们的初始逻辑信息，如将描述的，其可以以MN的MAC地址的某种形式固定到MN，或者通过控制节点将其指定为静态网络地址。
MN以静态地址的形式保留其初始逻辑信息是有利的。由于MN(也可以是NN的情况)可以是具有有限的存储容量和电源容量的低功耗、低成本的设备，因此可以略微减小用于获得新的逻辑信息所需的另外的计算量和控制消息传递量。该减少随即转变为对移动节点电源寿命的直接的节约，对于NN也有近似效果。
除了上文所述，具有MN或者具有同MN进行通信的能力的通信网络能够支持MN和网络的其他类型的设备/节点之间的不同类型的通信。使用关于MN的连接节点或者代理节点允许通过其连接节点传递供MN使用的消息。不论该消息是组播(multicast)、广播(broadcast)还是点播(unicast)消息，其把MN和NN作为其指定接收者或者把全部MN作为其指定接收者，均应用该过程，并且通过确定与网络的MN相关的唯一地址，有助于应用该过程。
所谓的簇网络是一种用于在具有NN和MN的通信网络中形成、维护和支持通信的方法；下面将对其进行详细地描述。应当理解，也可以使用其它类型的自组织网络，并且其也在本发明的范围之内。除了簇网络协议，其他的协议可以依赖逻辑主干架构、分层树状结构或者支持固定网络节点之间的数据通信的其他技术。
簇网络的形成和维护
簇-树状协议是用于无线ad-hoc网络的逻辑链路和网络层的协议。在一个实施例中，该协议使用链路状态包形成单簇网络或者可能更大的簇-树状网络。该网络主要是自组织的，并且支持网络冗余，用以获得一定程度的抗故障和自修复。
根据自组织的方式，节点选择簇头并且形成簇，其将在下文得到描述。在簇形成过程中，簇头向每个成员节点分配唯一的节点ID。
自展开的簇使用指定设备(Designated Device)相互连接。该指定设备是具有高的计算能力和大的存储空间的特殊节点；在某些应用中，其也可以是网络同因特网之间的网关。指定设备向每个簇分配唯一的簇ID。
在实施例中，网络包括一个或者多个簇，每个簇具有簇头和多个成员节点。首先描述单个簇的形成和操作。随后描述多簇网络。每个节点由存储在存储器、专用集成电路、数字信号处理器或者等效设备中的计算机程序进行引导。每个节点具有用于接收数据的输入端和用于传送数据的输出端。
单簇网络：簇形成过程
簇形成过程开始于选择簇头，簇中的第一个节点。选择了簇头之后，簇头展开与其他成员节点连接的链路以形成簇。
在图1中说明了选择簇头的一个示例。在节点开启后，其作为常规的网络节点进行操作，并且收听和搜索来自其他节点的“你好”消息。(“你好”消息是确认传送节点的简单的广播消息。)如果节点在第一时间周期中(例如，1～30秒)未接收到任何“你好”消息，则其作为簇头进行操作并且向其邻居发送出“你好”消息。新的簇头等待来自相邻节点的响应，其等待第二时间周期，例如2～60秒。如果没有接收到连接请求，则该节点返回，作为常规的网络节点进行操作，并且重新收听。
其他用于选择簇头的方法是可能的。可以基于每个节点的存储的/计算的参数、同样的传送范围、电源容量、计算能力或者位置信息来选择簇头。在选择作为簇头(CH)的节点之后，该节点广播周期性的“你好”消息，其包含一部分簇头MAC(多路访问控制)地址和表示簇头的节点ID(例如0)。这示出在图2中。现在参考图2，接收该“你好”消息的节点向簇头发送“连接请求”消息。当簇头接收到“连接请求”时，其向该节点回复“连接响应”消息，该消息包含该节点的节点ID。节点ID在簇中可以是唯一的，并且簇头有责任为其成员节点分配和管理唯一的节点ID。分配了节点ID的节点向簇头答复“ACK(应答)”消息。在每个消息交换都结束后，两个节点相互设为父节点或者子节点。每个节点保存有邻居列表，其包括父节点和子节点的列表。具体地，簇头将其邻居列表中新加入的节点指明为子节点，并且新节点将簇头指明为父节点。在该时刻建立簇头和成员节点之间的链路。
如果所有的节点均位于该簇头的范围中，则连接拓扑变成星形，如图3所示，并且每个成员节点通过一个跳跃连接到簇头。在实施例中，簇中节点的最大数目是254，其包括簇头。如果使用具有N位的节点地址，则节点的最大数目是2N-2。管理员或者制造商可以限制节点特征，用以仅支持单点跳跃簇。
当每个节点支持多个连接时，簇可以扩展为多点跳跃结构。尽管网络延时增加，但是可以增加一个簇的覆盖范围。在图4中描述了多点跳跃的簇设置程序。在节点B建立了同簇头的链路之后，其开始中继来自簇头的“你好”消息。当节点C从节点B获得消息时，其向节点B发送“连接请求”消息。节点B向簇头请求用于节点C的新的节点ID。当节点B从簇头接收到新的节点ID时，其向节点C发送“连接响应”消息。然后节点C接收该消息并且回答“ACK”消息。在此消息交换之后，节点C将节点B设置为其父节点，节点B将节点C设置为其子节点，并且簇头将节点C设置为节点B的子节点。然后节点C开始向其邻居中继“你好”消息以声明其自身。
当节点接收到来自不同节点的数个“你好”消息时，存在多种不同的方法用以选择其将响应的“你好”消息。根据某些实施例，节点响应最早的“你好”消息。在另一实施例中，其响应最强的“你好”消息。在该时刻通向簇头的路径可能不是理想的。在后面的过程中将优化对簇头的路由。
该扩展过程可以持续，直到簇头用尽节点ID。也可以限制最大的跳跃计数以减小最大网络延时。
当簇头用尽节点ID时或者簇到达某些其他的定义限制时，簇头应拒绝来自新节点的连接请求。为了拒绝连接请求，在“连接响应”消息的目标NID字段中或者在“节点ID响应”消息的新NID字段中使用临时NID(例如，NID 254)。
当发出请求的节点接收到具有NID 254的“节点ID响应”消息时，其向新的节点发送具有NID 254的“连接响应”消息。
如果新的节点接收到具有NID 254的“连接响应”，则其存储簇ID并且暂时停止向属于同一簇的节点发送“连接请求”消息。
在图5中示出了多点跳跃的簇结构的示例。
单簇网络：网络维护
簇头周期性地向其成员节点广播“你好”消息。当这些成员节点接收到来自簇头的“你好”消息时，它们也向它们的邻居发送“你好”消息用以声明其自身。每个节点在它们的邻居列表中记录它们的邻居。通过周期性的“你好”消息更新邻居列表中的条目。如果节点条目直到某一超时限制时仍未更新，则其应被除去。在图6中示出了该过程。
成员节点可以直接同其邻居节点通话。如果节点希望同其范围外的节点通信，则其询问簇头或者父节点，用以向目标中继消息。
节点可以从属于不同簇的节点接收“你好”消息。在该情况中，节点将传送节点的簇ID(CID)添加到邻居列表中。图7中示出了示例性网络。在图8中示出了相应的节点2的邻居列表。
每个节点必须向簇头报告其链路状态。成员节点周期性地向簇头发送包含其邻居节点ID列表的“链路状态报告”消息。链路状态报告消息的频率将由应用的需要和稳定性确定。图9示出了示例性网络。图10中示出了由每个节点发送的链路状态报告的列表。
基于“链路状态报告”消息，簇头周期性地计算其自身和成员节点之间的最短路径，并且通过“拓扑更新”消息将其通知给成员节点。在图12中示出了用于图11所示的网络的“拓扑更新”报告的示例。
簇头应选择具有最小跳跃计数的路由。如果存在数个具有相同跳跃计数的路由，簇头应将具有最小节点ID的路由选择为父节点，或者使用某些相似的判则来进行选择。
如果成员节点接收到“拓扑更新”消息，即不同的父节点链接到该节点，则其将父节点改变为消息中所指定的父节点。成员节点还记录其子节点以及在该时刻在树中低于该节点的节点。除了节点与它们的邻居直接通信的情况外，簇中的节点主要通过父节点与其他的节点通信。拓扑更新的周期取决于链路状态报告周期。
如果成员节点具有故障并且变得不能进行通信，则将重新配置簇的树状路由。在图13所示的簇中，节点2具有故障并且停止通信。在图14中示出了相应的链路状态报告的已修改的表格。由于节点2、7、8和10不能发送链路状态报告，所以簇头通过其他的链路状态信息计算新的路由。通过第一个“拓扑更新”消息，节点7建立同节点3的新的连接，如图15所示。在图16中示出了相应的拓扑更新报告。在“拓扑报告”和“更新”的下一个周期中，构建节点8和10使之连接到节点7。在图17中示出了最终网络。在图18中示出了相应的链路状态报告，并且在图19中示出了相应的拓扑更新。
当簇头具有故障时，停止分发“你好”消息，并且所有的成员节点了解到它们失去了簇头。成员节点失去它们的节点ID和与父/子节点的连接。然后使用与簇形成过程相同的方法重新配置簇。
单簇网络：簇内通信
在多路访问控制中存在多种选择。一个是CSMA/CA(载波侦听多路访问/避免冲突)；另一个是纯粹的ALOHA(其中消息在任何时刻发送，并且如果消息未接收到，则重新发送)。在CSMA/CA选择中，使用RTS(请求发送)/CTS(清除发送)消息。现在参考图20，当节点希望向其他的节点发送包时，其首先发送RTS并且然后等待CTS。在接收到RTS后，接收节点发送CTS帧用以确认发送节点发送数据帧的权利。该程序减少了由隐藏节点引起的冲突的机会。
接收无误帧的节点可以向发送节点发送ACK帧用以确认帧的成功接收。
当节点希望向其他节点发送包时，即在其希望点播消息时，其将其的节点ID设置在包中的源NID字段，并且将其目标节点ID设置在目标NID字段中。如果节点未针对其邻居中的一个进行发送，并且如果目标节点在树中处于源下面，则源节点将其子节点ID设置在接收NID字段中，并且要求其子节点转发到目标。如果源未针对其邻居中的一个进行发送，并且如果目标节点未处于源分枝的下面，则源将其父节点ID设置在接收NID字段中并且向其父节点发送包。由于其更新了接收和传送NID字段，因此每个中间节点应向目标节点中继包。
除了最后一个跳跃以外，包沿树状拓扑路由。如果目标节点在树状结构中处于发送节点下面，则包沿分枝传递到目标。否则，包沿树状结构向上传播并且寻找目标。如果中间节点在其邻居列表中具有目标节点，则包在树状路由之外进行路由。
当节点接收到点播消息时，接收节点应向传送节点回复ACK消息。在图21中描述了包传递过程的细节。参考图21中的流程图，接收节点在框120处接收包。在判决框122处，执行检查以确定“簇头ID”是否同簇的簇头ID相匹配。如果“簇头ID”是不同簇的簇头ID，则在框124处丢弃该包。如果“簇头ID”是当前簇的簇头ID，则流程继续进行到判决框126。在判决框126处，检查帧类型。如果帧类型没有指出该包包含数据，则包被传递到框128处的不同的处理。如果帧类型指出该包包含数据，则流程继续进行到判决框130，其中执行检查以确定“节点ID”是否是当前节点的ID。如果该ID是另一节点的ID，则流程继续进行到框124，并且丢弃该包。如果ID表明这是一个广播消息，则流程继续进行到框132，其中接受该包。在判决框134处检查“源节点ID”。如果“源节点ID”是父节点的ID，则包在框136处传递，否则不采取进一步的操作，如框138所指出的。返回判决框130，如果“接收节点ID”是接收节点的ID，则流程继续进行到框140，并且检查“目标设备ID”。如果“目标设备ID”与接收节点的ID匹配，则在框142处接受该包，并且在框144处发送应答(ACK)消息。如果“目标设备ID”与接收节点的ID不匹配，则在框146处更新包中的RNID字段，在框148处传递该包，并且在框150处发送应答(ACK)消息。
簇中的广播消息通过簇头进行发送，并且通过所有的成员节点进行传递。接收节点不应针对广播消息回复ACK消息。成员节点应传递该广播消息，该广播消息是通过其父节点发送的，用以避免不止一次地传递相同的包。
根据包分段规则，大的包可以分成数个包进行发送。
簇间网络
现在描述多簇网络形成的实施例和随后的簇间的通信。
为了形成多簇网络，在网络中需要指定设备。该指定设备在网络中扮演重要的角色。其有责任向每个簇头分配唯一的簇ID。该簇ID，与簇头在簇中分配给每个节点的节点ID组合，形成了逻辑地址，并且该簇ID被用于路由包。指定设备的另一任务是计算从簇到指定设备的最短路由，并且将其通知给网络中的所有节点。
簇间网络：网络形成过程
由于簇ID(CID)和节点ID(NID)的组合，所以每个节点是唯一的。NID是由每个簇头(CH)分配的，并且指定设备(DD)在多簇网络形成的早期阶段为每个簇分配了唯一的CID。
现在参考图22示出的交互图，当DD加入到网络中时，其起到簇0的簇头的作用，并且开始向邻居发送“你好”消息。如果CH接收到该消息，则其发送“连接请求”消息并且加入簇0。此后，CH向DD请求CID。在该情况中，CH是具有两个逻辑地址的边界节点。一个是关于簇0的成员节点的，而另一个是关于簇头的。当CH获得新的CID时，其通过发送“你好”消息通知其成员节点。在图23中示出了相应的网络。
参考图24，如果成员节点从DD接收到了“你好”消息，则其将CID 0添加到其邻居列表中并且向其CH报告。所报告的CH将该成员节点选择为关于其父簇的边界节点，并且向成员节点发送“网络连接请求”消息以建立同DD的连接。边界节点请求连接，并且作为簇0的成员节点加入到簇0中。然后其向DD发送“CID请求”消息。在“CID响应”消息到达后，边界节点向CH发送包含新的CID的“网络连接响应”消息。当CH获得新的CID时，其通过“你好”消息通知其成员节点。在图25中示出了相应的设备。
不与簇0相邻的簇使用中间簇获得CID。与上文相同，可以考虑两种情况。如图26所示交互图和图27所示网络，一种情况是，其中CH变成关于其父簇的边界节点。如图28所示交互图和图29所示的相应的网络，另一种情况是，其中CH将成员节点指定为关于其父簇的边界。在两种情况中，过程是由包含从1到253的CID的“你好”消息触发的，取代了来自DD的“你好”。
簇的每个成员节点记录其父簇、子簇/下面的簇以及与父簇和子簇均关联的边界节点ID。DD存储簇的整个树状结构。
簇间网络：网络维护
尽管簇在CID分配程序中形成了初始的树状拓扑，但是其可能不是最优的树状结构，并且该树状结构可能因节点的失效而变化。簇使用簇链路状态信息来计算优化路由，并且周期性地更新它们的拓扑用于网络冗余。
每个簇向DD报告其链路状态信息。簇头周期性地向DD发送包含其邻居簇ID列表的“网络链路状态报告”消息。在图30中示出了示例性的网络，并且在图31中示出了相应的链路状态报告。
基于“网络链路状态报告”消息，DD周期性地计算优化的树状路由，并且发送“网络拓扑更新”消息以通知从DD到簇的最新路由。在图32中示出了示例性的网络，并且在图33中示出了相应的网络拓扑更新。DD选择具有最小跳跃计数的路由。如果存在数个具有相同跳跃计数的路由，则DD应选择父簇具有最小CID的簇，或者使用某些其他的功能规则作为判决关系。
如果簇头接收到“网络拓扑更新”消息并且确定不同的父簇链接到该簇，则其将父簇改变为该消息中指出的父簇。簇中的所有节点应存储其父簇，子簇/下面的簇和该时刻的边界节点的NID。
当网络中发生故障时，簇可以寻找到DD的可替换的路由。通过使用上文所解释的消息获得了该特征。
在图34所示的示例性网络中，在簇1中出现了问题。图35所示的来自簇1和3的“网络链路状态报告”消息未能到达DD。来自簇3的链路状态报告未能到达是由于其通过失效的簇链接到DD。来自簇2的链路状态报告不再指出到簇1的链路。DD广播新的“网络拓扑更新”消息，如图36所示，并且指示簇3将其父簇切换到簇4。
可以预备备用指定设备(BDD)以防止因DD故障导致的网络停机。一个示例是，BDD通过有线或者无线网络连接到DD，并且周期性地复制来自DD的簇ID列表和网络链路状态信息。当BDD检测到DD失效时，其立刻接管DD的任务。其他的解决方案是可行的，以实现BDD。
簇间通信
通过路由实现簇间通信。边界节点起到连接簇的路由器的作用，并且在簇间中继包。在图37中示出了示例性的具有边界节点的多簇网络。
每个节点了解其父簇、子簇/下面的簇和边界节点ID。当簇发送点播消息(到特定节点的消息)时，接收节点可以决定应在何处发送/传递包。当边界节点接收到包时，其检查目标地址，然后传递到相邻簇中的下一个边界节点或者传递到簇中的目标节点。
仅有DD可以广播消息，这是通过向其网络中的所有节点发送消息来进行的。该消息沿簇的路由传递。边界节点应从父簇向子簇传递广播包。
下面更加详细地描述了本发明的网络的示例性的实现方案。
地址规划
下面描述示例性的地址规划。
每个节点分配有16位逻辑地址，其包括簇ID(CID)和节点ID(NID)。
簇ID
指定设备为簇分配唯一的8位簇ID。CID 255意味着所有的簇，并且用于广播消息。
表1簇ID
  二进制   十进制   CID功能
  0000000   0   指定设备(DD)
  0000001   1   常规簇
  ｜   ｜
  11111101   253
  11111110   254   临时簇ID
  11111111   255   广播
节点ID
簇头向其成员节点分配唯一的8位节点ID。簇头使用NID 0。NID255用于广播，并且254用于临时用途。
表2节点ID
  二进制   十进制   NID功能
  0000000   0   簇头(CH)
  0000001   1   成员节点
  ｜   ｜
  11111101   253
  11111110   254   临时节点ID
  11111111   255   广播
帧结构
下面描述用于簇间通信的不同包类型的实施例。
帧类型
定义6位字段用于帧类型。最初2位定义功能类，并且后面的4位指出具体的功能。
表3帧类型
  帧类型   帧功能
  (位1～2)   (位3～6)
  簇内管理帧00   0000   你好
  0001   连接请求
  0010   连接响应
  0011   节点ID请求
  0100   节点ID响应
  0101   断开连接请求
  0110   断开连接响应
  0111   链路状态报告
  1000   拓扑更新
  1001～1111   保留
  簇间管理帧01   0000   网络连接请求
  0001   网络连接响应
  0010   簇ID请求
  0011   簇ID响应
  0100   网络断开连接请求
  0101   网络断开连接响应
  0110   网络链路状态报告
  0111   网络拓扑更新
  1000～1111   保留
  控制帧10   0000   请求发送(RTS)
  0001   清除发送(CTS)
  0010   用于簇内的应答(ACK)
  0011   用于簇间的应答(ACK)
  0100～1111   保留
  数据帧11   0000   簇内数据
  0001   具有ACK的簇内数据
  0010   簇间数据
  0011   具有ACK的簇间数据
  0100～1111   保留
管理帧
簇内管理帧
图38示出了“你好”消息的结构。参考图38，CH DID表示簇头设备ID，其是簇头MAC地址的一部分。该字段用于确定发送节点是否属于相同的节点簇。TNID表示发送节点ID：发送包的源节点/中间节点的节点ID。TCID表示发送簇ID，即发送者的簇ID。在分配CID之前，簇头使用临时CID 254。
图39示出了“连接请求”消息的结构。参考图39，CH DID表示作为簇头MAC地址的一部分的簇头设备ID，其是新节点所希望加入的。Dst NID表示目标节点ID，即新节点请求连接的节点ID，并且Src DID表示源设备ID：源节点MAC的一部分。
图40示出了“连接响应”消息的结构。参考图40，CH DID表示簇头设备ID。Src NID表示源节点ID，即新节点请求连接的节点ID。Dst DID是目标设备ID，并且是“连接请求”消息的Src DID字段的复本。New NID表示新节点ID，其是分配给请求节点的新的节点ID。当被请求的节点拒绝了请求时，其将254赋给该字段。
图41示出了“节点ID请求”消息的结构。参考图41，CH DID表示簇头设备ID，而RNID表示接收节点ID，即应接收包的目标节点/中间节点的节点ID。Src NID表示源节点ID，即新节点请求连接的节点ID。New Node DID表示新节点设备ID。其是“连接请求”消息的Src DID字段的复本。
图42示出了“节点ID响应”消息的结构。参考图42，CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID，Dst NID表示目标节点ID，且New Node DID表示新节点设备ID。该New Node DID是“簇ID请求”消息的New Node DID字段的复本。New NID表示新节点ID，即是分配给新节点的节点ID。当簇头拒绝了请求时，其将254赋给该字段。
图43示出了“断开连接请求”消息的结构。参考图43，CH DID表示簇头设备ID，而Src NID表示源节点ID(请求节点的节点ID)。
图44示出了“断开连接响应”消息的结构。参考图44，CH DID表示簇头设备ID，而Dst NID表示目标节点ID。
图45示出了“链路状态报告”消息的结构。参考图45，CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID，而Src NID表示源节点ID。Length 1表示NID字段的数目，而Length 2表示CID字段的数目。NID#n是邻居节点#n的标识符。CID#m是邻居簇#m的标识符。
图46示出了“拓扑更新”消息的结构。参考图46，CH DID表示簇头设备ID，Length 1表示NID字段的数目，而Length 2表示CID字段的数目。NID#n是成员节点#n的标识符。Parent NID是父节点ID，即在前面字段中为成员节点#n指定的父节点的ID。CID#m是邻居簇#m的标识符。Border NID是边界节点ID：在前面字段中为簇#m指定的边界节点的ID。
簇间管理帧
图47示出了“网络连接请求”消息的结构。参考图47，CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID，而Dst NID表示目标节点ID。CID表示边界节点应与其设置连接的簇ID。
图48示出了“网络连接响应”消息的结构。参考图48，CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID，而Src NID是源节点ID，即边界节点的节点ID。New CID是新簇ID，其是由指定设备分配给簇头的。
图49示出了“簇ID请求”消息的结构。参考图49，CH DID表示簇头设备ID，RNID是接收节点ID，而Src CID是源簇ID，即边界节点的簇ID。Src NID是源节点ID。
图50示出了“簇ID响应”消息的结构。参考图50，CH DID表示簇头设备ID。RNID表示接收节点ID，即应接收包的目标节点/中间节点的节点ID。Dst CID是目标簇ID，即被请求新CID的边界节点的簇ID。Dst NID是目标节点ID，即被请求新CID的边界节点的节点ID。New CID是指定设备分配的新簇ID。
图51示出了“网络断开连接请求”消息的结构。参考图51，CH DID表示簇头设备ID。RNID表示接收节点ID，而Dst NID表示目标节点ID。CID是边界节点应断开连接的簇ID。
图52示出了“网络断开连接响应”消息的结构。参考图52，CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID，Src NID表示源节点ID，而CID表示边界节点已与其断开连接的簇ID。
图53示出了“网络链路状态报告”消息的结构。参考图53，CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID，而Src NID表示源节点ID。Length 1表示CID字段的数目，而CID#n表示邻居簇的标识符。
图54示出了“网络拓扑更新”消息的结构。参考图54，CH DID表示簇头设备ID，Length 1表示CID和其父簇CID字段的数目。CID#n表示存在于网络中的簇ID的标识符。Parent CID是在前面字段中为簇#n指定的父簇ID。
控制帧
图55示出了“RTS”消息的结构。参考图55，CH DID表示簇头设备ID。Duration字段的值是，发送节点所需用于传送数据帧、一个CTS帧、一个ACK帧和三个帧间间隔的时间总和。RNID表示接收节点ID，而TNID表示传送节点ID。
图56示出了“CTS”消息的结构。参考图56，CH DID表示簇头设备ID。Duration是前面RTS帧的Duration减去所需用于传送CTS帧的时间和一个帧间间隔。RNID表示接收节点ID，而TNID表示传送节点ID。
图57示出了用于簇内通信的“ACK”消息的结构。参考图57，CH DID表示簇头设备ID，而RNID表示接收节点ID，即应接收包的目标节点/中间节点的节点ID。Dst NID表示目标节点ID，而Src NID表示源节点ID。
图58示出了用于簇间通信的“ACK”消息的结构。参考图58，CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID，Dst CID表示目标簇ID，而Dst NID表示目标节点ID。Src CID表示源簇ID，而Src NID表示源节点ID。
数据帧
图59示出了簇内数据帧的结构。CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID(应接收包的目标节点/中间节点的节点ID)，而DstNID表示目标节点ID。Src NID是源节点ID，而Payload表示数据本身。
具有ACK的簇内数据帧除了Frame Type(帧类型)字段外，具有同簇内数据帧相同的结构。
图60示出了簇间数据帧的结构。参考图60，CH DID表示簇头设备ID，RNID表示接收节点ID(应接收包的目标节点/中间节点的节点ID)，Dst CID表示目标簇ID，而Dst NID表示目标节点的节点ID。Src CID表示源簇的簇ID，Src NID表示源节点ID，而Payload表示数据本身。
具有ACK的簇间数据帧除了Frame Type(帧类型)字段外，具有同簇间数据帧相同的结构。
通信网络中的移动节点
移动节点的关联和断开关联/重新定位
加入网络的移动节点(MN)不需要经历NN所必须经历的网络加入程序，其中该网络可能是或者可能不是刚才所述的簇网络，该移动节点具有同至少一个控制节点进行通信的多个相对静止的(固定的)节点。这是因为与NN不同，MN的逻辑信息不取决于MN在网络中的分层位置或者逻辑位置。MN不是分层树状网络的一部分，并且不必将信息路由至网络的其他节点。这样，由于MN与网络关联或者(通过在网络中断开关联并且随后使其自身重新关联)改变它们在网络中的地理位置，所以使MN获得新的逻辑网络标识符是不可行的。作为替代，向MN分配“静态地址”，其是可以与MN绑定的设备专用标识符，即使MN改变在网络中的地理位置。
MN通过称为连接节点的管道或者代理节点连接到网络。连接节点是常规的节点，诸如NN或者控制节点，通过该连接节点MN获得了对网络的逻辑主干的访问。许多不同的网络节点类型可以用作用于一个或者多个连接节点的连接节点；在不同的逻辑设备类型中，可用于能够支持MN操作的通信网络中的类型是网关节点、网络协调节点、簇头节点和网络节点。尽管可以使用这些类型的逻辑节点，但是他们不都是必需的。本发明意义中的网络包括具有多个NN和至少一个控制节点的网络，一个或者多个MN有兴趣加入、离开该网络，或者在该网络中来回移动等等。有时被称作根节点的网关节点通常是比典型的低功率、低成本的网络节点功能更强的设备，或者是这样的设备，即其具有同所需用于存储网络中所有节点的数据库的资源的接口，并且执行相关的位置计算；在需要时其还可以具有同外部电源的接口和同外部高速网络(例如，以太局域网)的接口。网络的逻辑树状结构可以开始于网关节点。网络协调节点作为整个网络的中心库进行操作，并且有责任为网络中其他的网关节点和簇头分配地址；网络中的一个网关节点将承担或者被分配了网络协调(NC)的任务。与网关节点相似，NC将具有处理能力，并且，使用诸如通过网络接口连接到外部处理器和存储器的微处理器，NC将具有到外部计算和存储资源的通路。当然，网关和NC节点具有一定量的本地存储能力以及节点上的计算资源。网络节点(NN)是网络中的大部分节点，具有低成本、低功率、根本上固定的节点特性。NN遍及整个环境中，并且根据上文所述的自组织能力自动地形成树状结构。簇头节点是由NC分配的作为新的树状结构的根节点的NN。这允许网络通过有限数目的网关节点覆盖较广的字段。与NN不同，预期移动节点可能定期地在网络中移动。尽管网络不支持以移交(handoff)等形式进行的连续的移动通信，但是MN可以定期与网络连接(关联)并且断开连接(断开关联)。这些节点的位置也可以由网络进行“跟踪”。MN、NN和簇头节点具有处理能力，其可由，诸如与多个能够感应环境特征的传感器通信的微处理器提供。所有类型的节点的处理和计算能力使得能够通过计算机指令(软件、固件等)执行本发明的方法，该计算机指令由通用计算机或者专用计算机执行。
图61说明了具有数个不同簇配置的示例性网络，簇配置由环绘出。可以看到，网络具有至少一个控制节点；在该示例中，在树状分层结构中存在数个不同的控制节点，包括两个簇头，由小的黑环表示；存在三个不同的网关节点，表示为变形的十字；还存在网络协调节点，由星形标志表示。为了讨论，控制节点可以是这些不同类型的控制节点中的一个或者多个，或者是它们的某中功能组合，控制节点能够管理网络中所具有的MN的加入、维护、离开、移动和消息传递。在这种意义上，控制节点可以是控制功能的代表。在MN希望控制节点直接用作其连接节点的情况中，将由控制节点完成更新网络的控制功能，使网络了解通过控制节点转交发送给MN的消息。
NN由开环表示，而MN作为黑盒示出。在分层结构中，可以看到，簇的簇头可以通过NN与网关节点通信，其依次连接到网络协调节点。网关节点可以同其他的网关节点通信或者直接与网络协调节点通信，这两种情况均得到说明。簇头、网关节点和网络协调节点均是本发明意义中的控制节点的示例，并且在图62～65中将其示为黑色的菱形。在本示例中，移动节点被示出与NN通信；然而，如图62～65所示，MN也可以连接到其他的网络设备，只要它们不是其他的MN。
现在参考图62，网络具有多个NN，其包括NN1和NN2，还具有移动节点MN和控制节点(由黑色菱形表示)。MN连接到(连接到)NN1，其依次连接到控制节点，另外的具有控制功能的网络节点，诸如簇头节点、网关节点或者网络协调节点，能够在网络中管理MN的关联、断开关联和维护。因此控制节点可以具有处理和存储能力。NN1作为MN节点的连接节点进行操作。
在图63中，示出了MN连接到NN1，其依次连接到簇头。NN1是MN的连接节点。簇头通过两个NN与控制节点通信。如前面所讨论的，该配置中的控制节点可以是另外的簇头、网关节点或者网络协调节点。在图64中，示出了MN直接与簇头节点通信，回避了对NN的连接。在该情况中簇头节点作为MN的连接节点进行操作。簇头依次连接到控制节点，诸如另一簇头、网关节点或者网络协调节点。在图65中，MN直接连接到控制节点，诸如簇头、网关节点或者网络协调节点。在该情况中，MN在不干预NN连接的情况下连接到控制节点。
既然已经研究了MN可以加入的或者MN可以成为其一部分的网络配置的类型，那么现在讨论MN加入网络的实际过程，其被称为关联。MN不是分层树状网络的一部分，并且因此不参与网络中的信息路由，而是简单地加入用以发送和接收消息。因此，它不具有与其相关的可改变的逻辑地址，仅具有静态地址用以确认它；由于它们在整个网络中移动，所以使MN获得新的逻辑网络标识符是不可行的。因此MN不需要遵循前文所述的由其他节点类型所使用的网络加入程序。
图68说明了MN关联到网络的过程的流程图；图66～67说明了在尝试加入或者重新尝试网络的过程中可由MN发出的连接请求的类型。在框210中，MN选择一个节点，其将作为MN连接到网络的连接节点。如图62～65所示，MN几乎可以选择任何类型的节点作为其连接节点，包括控制节点，但是不能选择另一MN执行该功能。可能存在很多的标准用于确定MN将从数个与之相邻的可能的候选者中选择哪一个非MN作为其连接节点。作为示例而非限制，这些标准可以包括：候选的非MN节点的接收信号强度的测量结果；每个不同的候选非MN在网络的树状分层结构中的逻辑位置(即该节点与分层结构的根有多接近)；候选非MN与该MN的物理接近程度，其有可能是通过使用全球定位系统(GPS)技术确定的；和节点以某种方式服务于MN以及服务于MN所需时间的感知到的能力，包括节点的能力储备、有多少节点连接到所选节点和节点的通信业务历史。
需要将MN的“静态地址”传递到网络的控制节点。如将要解释的，取决于如何对静态地址进行设置，该操作可以在MN在其连接请求中将静态地址传递到所选节点时开始。
适当的地址分配对于逻辑树状网络结构中的有效的消息递送是极为重要的。由于移动节点使用静态选址，因此它们的地址在逻辑树中可能不是清晰可见的，可以使用与在网络树的固定节点中分送包的方式不同的方式来完成MN的数据包路由。MN利用“代理选址”或者“转发选址”，其中用于MN的消息通过其连接节点使用相关的连接节点的逻辑地址路由至MN。连接节点的逻辑网络地址在中继的消息的选址字段中清楚地标示出来，尽管事实上MN是消息的真实发送者或接收者；因此连接节点为其所服务的MN扮演了代理的角色。需要维持MN和其连接节点之间的通信，以确保MN能够适时地接收消息并通过连接节点将它们发出。网络中的所有消息仅通过非MN节点进行路由，并不通过MN。
如前面所述，由于MN在整个网络中移动，所以使MN获得新的逻辑网络标识符是不可行的。作为替代，MN具有用于确认它们的“静态”地址，其是不需要改变的，即使MN改变在网络中的地理位置。取决于应用和所使用的移动设备的数目，MN以不同的方法获得它们的静态地址。MN的静态地址可由网络的控制节点分配，诸如NC，其被称为MN的网络静态地址，或者其可以是MN的预先编程的IEEE地址，诸如64位IEEE地址，其被称为MN的MN静态地址。在使用了MN的唯一的MAC物理地址的情况中，地址的尺寸可以变化，96位、64位、48位等是典型的尺寸。或者MN静态地址可以是截成16位地址的MN的MAC地址，或者可替换地，可以是截成8位地址的MN的MAC地址，其具有特别留出用于移动设备/节点的唯一的8位CID。在诸如根节点或者簇头节点的控制节点分配网络静态地址的情况中，控制节点可以从网络为MN留出的地址池中选择。例如，8位CID可以是253，其是保留用于移动设备的，而8位NID可以是0～255。可替换地，网络静态地址可以仅是随机选择的ID，诸如16位ID，其中8位CID可以是0～253，254和255保留用于其他功能，而8位NID可以是0～255。
现在参考图68的框220，MN向所选节点发送连接请求。如图66所示，相比于前面在图39中示出的NN的连接请求，MN的连接请求更加简单。包类型、所选节点的目标地址、源字段和有效负载是由MN向所选节点传递的字段。所选节点的地址在中继的消息的选址字段中清楚地标示出来，尽管事实上MN是消息的真实发送者或接收者。在源字段中，MN可以传递关于其自身的连接状态信息，诸如其是从未加入过的MN，抑或是使其自身重新加入(重新关联)到网络中的MN，等等。该字段可以包括对应于MN适当状态的代码。在该MN是与网络重新关联的MN的情况中，其可以传达这样的信息，即如果控制节点有责任向网络的MN分配静态地址，则需要将静态地址分配给该MN。任选地，连接请求可以是关于MN所需用以做出决定的附加信息的询问，其确定该节点是否将成为MN的良好的连接节点。
取决于如何确定MN的静态选址，连接请求可能包含也可能不包含MN的静态地址。例如，如果MN的静态地址是通过节点制造商或者制造商的某些变化形式给出的其固有的预先编程的MAC地址，诸如MAC地址被截取的部分，则该MN静态地址在通信请求中传递给目标节点。如图67中所示出的情况，其中静态地址是在连接请求过程中由MN传递给其所选节点的字段；静态地址可以包含在连接请求消息中的有效负载字段，并且该静态地址指出，该信息与MN相关并且说明了MN的静态地址。该静态地址可以是设备自身的物理MAC地址、永不改变的固有标识符，不论MN在网络中何处移动；此外，静态地址可以是物理MAC地址的变化形式，诸如该地址的截取部分。
作为发送到MN所期望的成为其连接节点的节点的连接请求的结果，所选节点发送响应。在判决框230处，如果连接响应是肯定的，意味着该节点同意成为连接节点，则流程继续进行到框240，其中所选节点变成MN的连接节点。在框250处，取决于MN及其连接节点与网络的关系，连接节点通知控制节点，该控制节点可以是簇头节点、网关节点、网络协调节点或者其他能够将所有的用于MN的数据业务路由至其连接节点的节点。控制节点必须了解连接节点的新的状态，使得在框260处，将针对MN的所有消息通过代理发送到连接节点。如果在判决框处针对连接请求的响应是否定的，则流程返回到框210，使MN选择另一候选者以向其发送连接请求。
一旦MN加入了网络，其可以在网络中物理地移动，促使该MN断开其自身的关联并且同另一连接节点建立连接。现在参考图69，可以看到，MN已经移动并且不再与NN1相邻，而是与NN3和NN4更加接近。在该情况中，如所示出的，MN选择了NN3作为其连接节点并与其通信。
当MN被移位时，其可以保留其静态地址，但是该移位需要放弃其现存的连接节点转而支持新的连接节点。作为选择新的连接节点的直接结果，经由MN通过发送的重新关联连接请求而进行的初始化，连接节点将更新具有新的MN关联和其本身的网络。这将保证，关于MN的所有数据消息将经过新的连接节点的“转发”处理，并且将据此通过新的连接节点进行路由。甚至在MN改变了其关于网络的物理位置的情况中，网络能够“找到该MN”并且通过连接节点的转发使消息路由至该MN。当然，MN可能通过相同的连接节点与网络重新关联，在该情况中不需要MN改变地理位置。
图70的流程图300说明了MN在网络中移动位置时所出现的过程的实施例。在框310处，MN移动到新的物理位置，与MN从NN1移动到NN3附近的情况相似。在框320处MN选择新的节点作为其连接节点，在该示例中是NN3，并且在框330处MN向NN3发送连接请求。如前面所讨论的，该连接请求可以包含MAC地址或者其他的MN固有的MN静态地址。在该情况中MN在网络中的移位或者地理移动不会影响MN的静态地址。在控制节点向MN分配网络静态地址的情况中，只要MN不离开网络，其就可以保留该网络静态地址，并且因此连接请求可以包含前面由控制节点分配给MN的该网络静态地址。在静态地址是由控制节点分配的网络静态地址的情况中，当MN离开网络时，针对该MN断开关联，网络控制节点可以收回该网络静态地址，并且在随后的网络静态地址需求中，使得该网络静态地址对于其他MN是可利用的。当MN变得不能同其连接节点通信时，即断开关联事件的发生，可以认为该MN“离开”网络。表示MN不能同网络通信的断开关联事件的示例包括，但不限于，例如，MN物理地离开网络、具有耗尽的电池、MN附近的RF干扰源、关闭或者MN未针对来自其连接节点的轮询(poll)消息发送信标(beacon)答复。可以在出现某些条件时进行针对MN离开网络的确认，诸如在轮询和得知MN不能进行通信之后，或者在MN的一段预定的静默时间之后。在下文中将讨论MN与网络通信的方法。如果由于MN已物理移出了范围而使其与网络进行了较长时间的通信，也可以认为该MN离开了网络。
回过来参考图70，在判决框340处，询问是，所选节点，在该示例中是NN3，是否已同意成为MN的节点。如果否，则流程返回到框320，使得MN可以寻找另一用于连接节点的候选者。如果是，则在框350处，连接节点通知适当的控制节点其状态是用于MN的连接节点，在框360处促使控制节点更新其数据库以反映目前的正确的用于MN消息传达的代理地址。这允许控制节点将用于移动节点的消息业务路由至其代理，即框370中的连接节点。
当MN有效地决定从网络断开关联时，其可以选择性地向其连接节点发送断开关联消息，用以警告其即将发生的断开关联，由此允许连接节点通知控制节点，其可以更新适当的网络表格以防止控制节点从失效的连接节点路由用于MN的消息。MN的断开关联消息还可以指示连接节点继续其正常的设备操作，诸如在NN情况中的其正常的感应功能。
由于MN与网络断开连接并重新附着到网络，所以当它们移动时它们可能不是“移交的”，意味着网络可能不支持所谓的“漫游(roaming)”操作。在该情况中，它们必须在重新关联到网络之前停止。而且，网络可能不支持快速移动的NM的连续跟踪，在该情况中MN的位置可以在MN停止移动时或者在MN相对缓慢地移动时进行更新，诸如在慢于步行速度时。
上面的用于具有将MN整合到其操作中的能力的网络的通信协议，有必要地意味着MN必须同其相关的连接节点通信。图71～74说明了这是如何发生的不同的实施例；在这些图中，在时间线上面说明了固定的连接“F1”节点的通信周期，而在时间线下面说明了MN，即“M1”节点的通信周期。
M1可以在其活跃时周期性地发送信标。该信标可以处于与MN的连接节点相同的频率下，或者MN的信标可以不像其连接节点那样频繁发送。现在参考图71，说明了时间线，其中M1MN在与其连接节点F1相同的速率下发送信标。该方法允许M1非常容易地与F1同步，用以接收F1为其准备的数据，并且用以立刻返回确认消息。在图72中，MN M1在相比于连接节点F1是减小的速率下发送信标。F1进行收听以寻找M1，但是并不能立刻找到它。其将重复直到后面的帧重复了“x”次，x是M1相对于F1的信标频率减小其信标频率的因数。在图中所示的实例中，F1能够在下一个通信周期中收听到M1，并且因此使数据传输与M1同步。由于信号不是频繁地发送，因此该方法使用了较少的M1电池储量，但是其可能使出现的F1和M1之间通信时间更长。
现在参考图73，示出了一个示例，其中移动节点M1不发送信标，但是可操作用于在与连接节点F1相同的速率下接收数据。在F1的第三个通信传送周期中，可以看到F1在其信标中赋予了用于M1的消息，用以使M1了解其具有关于M1的消息。在第四个通信周期中，由于M1和F1在相同的数据率下通信，因此该周期对于二者而言是公共的，M1通过发送消息作出响应，使F1了解其准备好接收数据，由此允许F1立刻向M1发送数据消息。在下一个周期中，M1向F1通知接收到数据。应当注意，M1可以进行接收的接收窗口长度可以是很大的，但这不是有利的。如果M1的接收窗口小于全帧长度，如示例中所示，则M1接收窗口必须与F1信标同步，如所示出的。
最后，如图74所示，移动节点M1可以不传送信标信号，而是在相比于连接节点速率是减小的速率下接收数据。可以看到，在该情况中，M1有必要在F1的全帧周期中进行接收。F1通过其信标通知其具有关于M1的消息，该信息随后由M1接收并了解。M1发送消息使F1了解其准备好接收消息并且立刻这样进行操作。随后的数据应答消息发送到F1。
在MN不具有信号但是可以收听网络上关于该MN的消息的情况中，已经示出了，其可以仅限于列出的所有时刻或者可以常常激活以进行收听。在该模式中，不存在信标，其节约了MN的电池寿命。
具有移动节点的网络中的组播和其他通信
此外，MN专用选址和相应的本发明的代理连接节点的使用提供了用于具有MN的网络的多种通信模式。由于移动节点不是分层网络的生成树的逻辑路由主干的一部分，并且由于其不参与网络中的消息路由，因此MN通过使用经由连接节点的代理消息传递，能够发送和接收消息，其中连接节点如上文所述将MN连接到逻辑网络。如将讨论的，消息传递的类型可以是点播、广播或者组播。
鉴于已经描述了静态选址的使用，其用以允许针对MN的代理消息传递，所以这是不需要的。事实上，有可能在常规的固定节点和MN加入网络时向其分配逻辑地址，但是仍然是以使MN同其他非MN相区别的方式进行分配的。在本发明的某实施例中，当固定节点和MN加入网络时，向其分配逻辑地址，尽管是按照类型使它们相互区分的方式进行分配。例如，逻辑地址空间可以分为至少两个不同的地址池，一个用于固定的非MN设备而另一个用于MN节点。这样，固定设备和MN设备仍然是通过它们的逻辑选址进行区分的，并且如将讨论的，有助于固定设备和MN设备的不同类型的选址。根据另外的实施例，MN可以在其加入网络后仍然保留它们的物理MAC地址，如前文所详细讲述的。在每种方法中，根据可能出现的情况，MN和固定设备在网络中通过地址或者通过它们的选址模式进行区分。
网络的固定节点和MN节点的地址的知识，通常驻留在网络协调节点或者其他适当的网关节点中，用于准许使用多种通信类型，包括：上文所讨论的MN和非MN设备之间的直接通信或者点播通信；组播通信或者点到多点通信，其中源通信设备或者节点希望向多个目标设备发送消息或者讯息(并且其中源节点或者目标节点是MN，或者两者都是MN)；和广播通信，其中源通信设备或者节点希望向范围中的每个设备发送消息或者讯息(发送者和/或一个或者多个接收者可以是MN)。在这些通信类型中的任何一个的情况中，消息将被路由至所有的固定目标设备，并且被路由至所有与目标MN相关的并与之连接的连接节点。如果消息的发送者(源)不能访问确认目标MN和其相关的连接节点的数据库(由控制节点管理)，则该发送者将消息路由至最有可能访问数据库的设备(控制节点)。然后接收消息的设备，诸如控制节点，有责任将消息分送到所有的“代理”固定设备，其用作同目标MN的连接节点。
在本发明的另一实施例中，组播消息发送到仅具有一种节点/设备类型的子网，诸如仅发送到MN的子网或者固定节点的子网。该消息可以包含目标地址的唯一地址部分，其指定是移动节点或者固定节点的目标节点。当接收到消息时，固定设备仅需要解读地址部分。此时，固定设备可以不再继续读包，并且如果其不是所期望的接收者，则其中继该消息。由于网络的分层结构允许通过将地址作为默认路由机制，所以该消息将通过点播经由网络的生成树主干中继到所期望的接收者。可替换地，在消息需要一个或者多个MN的情况中，该消息可以使用另一种已建立的无线路由表方案来中继，诸如Ad Hoc按需矢量路由协议(Ad Hoc On Demand Vector Routing，AODV)、动态源路由协议(Dynamic Source Routing，DSR)等。在每种方法中，路由策略通过使组播消息包更加有效地路由至其最终的操作，减少了所交换的消息总数。这对于在整个网络中洪泛(flood)组播信息是优选的。
根据本发明的另一实施例，利用了MN能够相对频繁地改变其物理位置的能力，用作MN的连接节点并附着于其上的固定节点可以使用MN向远离该固定节点的固定节点的子网发送消息。该固定节点可以使MN部署在远程位置，并且一旦其处于适当的位置，则使MN向所期望的接收者广播包。这对于网络中的不同的地理部分可以是重复的。对于该方法，连接节点及其MN所需要的关于网络的地理信息可以由网络的控制节点提供给该固定节点。
在上述方法中，设备的网络地址字段可以是过滤机制，其能够以减少通常与传统的组播消息相关的网络洪泛的方式使用于不同通信类型的路由方案能够运行。而且，MN的变换位置的能力受到杠杆作用的影响，使通信超越单独固定设备的通信范围扩展至网络的其他部分。在许多潜在的情况中这是非常方便的，包括持有用于远程位置的重要信息(诸如紧急信息、维护信息或者控制信息)的固定节点所具有的、使得与其通信的一个或者多个MN重新部署到该远程位置并且随后在该处广播信息的能力。以相似的方式，可以通过使在多跳通信过程中可能发生的“空中传播”的窃听和干扰的机会降到最小的方法，使高度安全的信息传递到具体的目标设备。而且，使用MN向距离固定设备很远的网络地理位置处传递消息可以消除另外需要的干扰多跳传输的传输，在干扰设备或节点的电源上的显著地节约了能量。而且，当然，减少所需的使消息到达其期望目标的跳跃次数还可以通过减小沿线路的消息重传的次数提供另外的减小消息干扰的优点。
存在许多基本上关于网络控制和电池寿命的本协议的优点。本方法简化了能够维护和管理MN的网络的方式。当MN改变其在物理网络中的位置时，逻辑网络不必删除或者改变节点地址，并且不需要逻辑网络的重新配置。事实上，MN相对于网络的状态不会改变，除了需要获取新的连接节点。本协议减少了计算和控制消息传递的需求，通过MN的移动可能会另外经历这些需求。因此这意味着消耗更少的稀缺的和宝贵的电池资源。
参考图75，示出了可用于本发明的网络的节点的内部操作的功能性框图400。图中在接收装置430、处理器440、路由器450、存储器470和传送装置480中获得的基本功能适用于不同类型的节点，包括网络中的MN、NN、CH、网关节点和网络协调节点，在上文中概述的其控制和处理功能的变化方案已被并入。进入的消息410首先由消息接收装置430接收，其调制进入的消息410用于由消息处理器440处理。消息处理器440与存储模块470、音频/视频指示器460和消息路由器450进行交互，以便于正确地处理进入的消息410。节点400还包括消息传送480(接收机)能力，其允许节点400调制由消息路由器450或者消息处理器440创建的外发消息420。再次取决于所讨论的节点的类型，外发消息420可以包括状态消息、路由数据消息、针对节点400范围中的节点的消息或者任何相似类型的消息业务。再来参考图75，注意到尽管所示的功能被安置在分立的模块中，但是在不偏离本发明的精神和范围的前提下，所示的内部模块可以进一步地在功能上拆分或者组合。
本领域的技术人员将认识到，基于使用具体的消息设置按照示例性实施例描述了本发明。然而，本发明不应限于此，因为本发明可以在功能上实现用于等效的消息。
节点本身可以包括多种硬件部件，其包括特种用途硬件和/或专用处理器。相似地，通用计算机、基于微处理器的计算机、数字信号处理器、微控制器、专用处理器、定制电路、ASIC和/或专用硬连线逻辑，可用于构建本发明的可替换的等效实施例。
每个节点由计算机程序管理引导。本领域的技术人员将认识到，程序步骤和相关的用于实现上文所述的实施例的数据，可以使用磁盘存储器以及其他存储形式来实现，例如，只读存储器(ROM)设备、随机存储器(RAM)设备、光学存储元件、磁存储元件、磁光存储元件、闪速存储器、磁芯存储器和/或其他的不偏离本发明的等效存储技术。该可替换的存储设备可被认为是等效的。
尽管结合具体的实施例已经描述了本发明，但是显然的是，对于本领域的普通技术人员而言，根据前文描述，许多替换方案、修改方案和变化方案将是显而易见的。因此，本发明意旨涵盖所有落入权利要求的范围中的此替换方案、修改方案和变化方案。

Claims (9)

1.一种包括多个节点的网络的自组织的方法，所述多个节点中的至少一个可用作网络的控制节点，所述方法包括：
移动节点向多个节点中的一个节点发送连接请求，以请求该节点用作该移动节点连接到网络的连接节点(220)；
如果该节点同意成为移动节点的连接节点，则移动节点连接到该节点，并且该节点作为该移动节点连接到网络的连接节点进行操作(230)；
该节点将其作为移动节点的连接节点的状态传递到网络的控制节点(250)；
所述控制节点更新网络，以反映该节点是网络中移动节点的连接节点；
向所述移动节点分配静态地址；
所述控制节点将用于移动节点的消息路由至所述连接节点的逻辑地址，其中所述消息包含移动节点的静态地址；以及
所述连接节点传递用于移动节点的消息。
2.权利要求1的方法，其中，断开关联发生后，进一步包括：
移动节点向网络的多个节点中的第二节点发送重新关联请求，以请求该第二节点用作该移动节点连接到网络的连接节点(330)；
如果该第二节点同意成为移动节点的连接节点，则移动节点连接到该第二节点，并且该第二节点作为该移动节点连接到网络的连接节点进行操作(340)；
该第二节点将其作为移动节点的连接节点的状态传递到网络的控制节点(350)；和
控制节点更新网络，以反映该第二节点是网络中移动节点的连接节点(360)。
3.权利要求1的方法，进一步包括：
该节点使移动节点部署到网络的地理位置；和
该节点使移动节点向网络的多个节点的节点子集传送组播消息，其中节点子集位于地理位置处的移动节点的通信范围之中。
4.权利要求1的方法，向移动节点分配静态地址，其中，静态地址是移动节点静态地址，并且进一步包括：
移动节点在连接请求中向该节点传送移动节点静态地址；
该节点在传递其作为移动节点的连接节点的状态时将移动节点静态地址传送到控制节点；
向该节点的逻辑地址传送用于移动节点的消息；
该节点将用于移动节点的消息传送到移动节点的移动节点静态地址。
5.权利要求4的方法，进一步包括：
移动节点在发生断开关联事件时与网络断开关联；和
移动节点在与网络断开关联时保持移动节点静态地址。
6.权利要求5的方法，在发生断开关联事件之后，进一步包括：
移动节点向网络的多个节点中的第二节点发送重新关联请求，以请求该第二节点用作该移动节点连接到网络的连接节点，其中，重新关联连接请求包含移动节点的移动节点静态地址；
如果该第二节点同意成为移动节点的连接节点，则移动节点连接到该第二节点，并且该第二节点作为该移动节点连接到网络的连接节点进行操作；
该第二节点将其作为移动节点的连接节点的状态和移动节点静态地址传递到网络的控制节点；和
控制节点更新网络，以反映该第二节点是网络中移动节点的连接节点。
7.权利要求1的方法，向移动节点分配静态地址，其中，静态地址是网络静态地址，并且进一步包括：
在该节点将其作为移动节点的连接节点的状态传递到控制节点之后，控制节点向移动节点分配网络静态地址，并且将网络静态地址传递到该节点。
8.权利要求7的方法，进一步包括：
移动节点在发生断开关联事件时与网络断开关联；和
移动节点在发生断开关联事件时将网络静态地址释放给网络。
9.权利要求1的方法，进一步包括：
向移动节点分配地址，其中，移动节点的地址的一部分表示该移动节点是网络的多个移动节点的一部分；
传送用于多个移动节点的组播消息；
当接收到组播消息时，该节点解读该地址部分；和
该节点向移动节点传送消息。
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