TWI499327B - 於包含無電池群蜂裝置之網路中通信的方法及其網路與裝置 - Google Patents

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TWI499327B
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Description

於包含無電池群蜂裝置之網路中通信的方法及其網路與裝置
本發明係關於一種用於在一無線控制網路中通信之方法。更特定言之，本發明係關於一種用於確保維持一無線網路中之一通信裝置與一路由器之間的一通信鏈路之方法。
本發明係(例如)關於包括具有低功率資源之資源受限裝置之無線網路。在一特定應用中，本發明係關於使用順從於IEEE802.15.4及亦與基於IEEE802.15.4之協定(例如群蜂(ZigBee)協定)之通信協定之無線網路。
無線控制網路最近已成為通信領域(尤其用於建築物管理系統)中之一十分普遍的趨勢。因為不需要拉電纜及打洞，所以就裝置放置之自由、裝置可攜性及安裝成本減小而言，無線技術呈現重要優點。因此，此等技術對於使用必須在遠距離處彼此分離及離開其等控制之裝置(例如燈)而設定之感測器裝置(諸如燈開關、調光器、無線遠端控制器、移動或光偵測器)之互連、偵測、自動化、控制或監測系統尤其具有吸引力。
出現在類似網路中之若干缺點之一缺點係關於裝置供電。確實，因為裝置未被佈線，所以其等不能再從主電源或經由與控制器之連接接收執行該網路中所需之所有操作所需之電力。因此，已設想使此等裝置裝備內建電池。然而，因為該等裝置係極尺寸受限，所以電池不可為一大尺寸，此導致一減小之裝置壽命或勞力密集之電池替換。
已建議藉由使感測器裝置裝備自持續能量源(自其之環境獲取能量)來改正此問題。不過現成能量獲取器可得到之能量數量係非常有限，此意指無電池裝置之特徵及功能受到嚴重限制。
對於一無線網路中之良好操作，強制維持之功能之一為鏈路連接，其有可能在任意時候確保一資源受限裝置被鏈結至代表其轉遞訊息之一路由器。因此，在既有實施方案中，建立介於通常資源受限之一終端裝置與其之父代路由器之間的一父子關係。子代終端裝置將所有其之通信定址至父代，以被轉遞至其等之最終目的地。然而，在能量獲取裝置之情況下，因為若該父代鏈路被中斷，則再也不能成功地執行來自該終端裝置之通信，所以此關係產生該網路中之一單一失效點。此外，在大多數情況下，歸因於該資源受限裝置上不存在或不使用接收電路或等待並接收回饋之能量不充足，此一父代鏈路失效甚至不能被該終端裝置所偵測。確實，因為該終端裝置具有非常有限的資源，所以當通信斷線時，其不能執行一完整搜尋以找到一新父代路由器，由此自使用者之角度，危及該網路中之操作以及該終端裝置之操作。
至於改正由資源受限裝置之該父代鏈路所產生之單一失效點之問題，已提出使用MAC級廣播通信之解決方案。在此等方法中，一源裝置僅傳輸資料而無需追蹤該資料是否被其之相鄰者轉遞且無需預期任何認可。在較高層上，注意轉遞，同時亦可藉由額外機制濾除或阻止潛在複製。因此，藉由允許具有不同傳播條件之若干節點接收且(若需要)轉遞該訊框而達到可靠性。此等較高層機制之一機制為802.15.4/群蜂網路級多播通信：一給定範圍內之各節點接收該訊息，且各群組成員一次或若干次轉遞該訊息。另一此種較高層機制為802.15.4/群蜂網路層廣播。然而，其之可靠性係基於被動認可機制，該被動認可機制需要該發起者以及任意其他轉遞節點追蹤其之相鄰者是否轉遞該訊息，且若一些相鄰者未轉遞則重新嘗試。
兩種機制暗指(例如)由終端裝置不能支援之回應追蹤及/或可能之重新嘗試之高能量消耗。此外，歸因於一給定鄰域中之多重裝置重新傳輸若干次(其可再次導致網路超載)，使用廣播/多播引起高頻寬消耗，且因此引起自一使用者觀點之減小的可靠性或臨時失效。
因此，本發明之一目的為提出一種方法，其允許維持一資源受限裝置與一無線網路之間的正確通信而不會產生單一失效點且無需涉及發端一通信之一資源受限裝置(例如一無電池裝置)所耗費的過多電力。
本發明之一目的亦為提出一種用於在一網路中通信而盡可能減小涉及該終端裝置之方法。
本發明之又另一目的為提出一種方法，與使用廣播及多播之既有可靠通信方法相比，其允許減少頻寬消耗，同時允許該終端裝置利用其附近之多重可用之有代理器能力的裝置。
本發明之另一態樣係關於用於在一網路中實行根據本發明之一方法之一路由器裝置以及此一網路。
依照此觀點，本發明提供一種用於在一網路中之無線通信之方法，該網路包括一資源受限終端裝置及至少一路由器裝置，其中該方法包括下列步驟：
-　該終端裝置傳輸一待轉遞之資料訊框至該網路中之一目的地裝置；
-　該路由器裝置接收該資料訊框；
-　該路由器裝置使一延遲關聯至該資料訊框並在此延遲後排程該訊框之傳輸；及
-　假使該路由器裝置收聽另一路由器裝置已轉遞該資料訊框，取消該資料訊框之經排程傳輸。
因此，根據本發明之一方法使得該終端裝置不需以該等代理器之識別碼預組態，該終端裝置亦不必追蹤其等。另外，該等代理器亦無需預組態。
在本發明之含義內之一資源受限裝置(亦稱為終端裝置)係關於一通信裝置，其至少在能量資源方面受到限制，擔任該網路中之一簡化功能裝置。此一方法有可能使一終端裝置在一網路中通信而無需使該終端裝置以該代理器之識別碼預組態或發現該代理器之識別碼，因為該終端裝置傳輸一待轉遞訊框而不必知道將處置該傳輸之路由器裝置之識別碼。此外，此方法允許該代理器承擔其之責任而無需較早以該終端裝置之識別符預組態。因此，發送該資料訊框係該終端裝置所執行之唯一行為，其意指電力消耗減小到一最小值。
此方法亦解決先前提及之在該網路中未偵測失效之問題，因為路由器裝置係非提前預指派而是以一特定方式立即指派。
在本發明之一實施例中，當排程傳輸時，以一隨機方式至少部分判定與一資料訊框相關聯之延遲。在其他實施例中，藉由考慮其他參數(諸如至目的地裝置之傳輸之總路徑成本或鏈路成本；諸如路由最新度、以此路由轉遞之封包數目、該路由上之封包成功率之路由狀態資訊)判定該延遲。
在本發明之一些實施例中，該方法包括一或若干之下列步驟：
-　以確保涵蓋兩倍之該終端裝置之範圍之一傳輸功率轉遞該資料訊框之一步驟。
-　在轉遞該資料訊框之前，該路由器裝置執行該目的地裝置之路由路徑發現程序之一步驟。在此情況下，轉遞資料訊框(在一實例中)引起至該目的地裝置之路由路徑之建立。
在一例示性實施例中，經轉遞之資料訊框亦含有路由發現資訊且根據路由發現機制在該網路中傳播。
本發明之另一態樣係關於一路由器裝置，其包括：
-　接收構件，其用於在一無線網路中接收來自一終端裝置之資料訊框；
-　傳輸構件，其用於在該網路中轉遞該資料訊框朝向一目的地裝置；
-　一計時器，其用於在傳輸一資料訊框之前測設一延遲；
-　取消構件，其用於在收聽另一路由器裝置已傳輸該資料訊框時，取消一資料訊框之一經排程傳輸；
-　記憶體構件，其用於儲存預建立路由。
本發明之又另一態樣係關於根據本發明之包括至少一資源受限裝置及至少一路由器之一網路。
現在將參考隨附圖式，藉由實例，更詳細地描述本發明。
本發明係關於一種在如圖1中所示之一無線控制網路中通信之方法。該網路包括一終端裝置。此裝置為(例如)一群蜂無電池裝置(ZBLD)，但是本發明找到關於任意資源受限無線裝置(尤其電池供電或能量獲取裝置，諸如燈開關、調光器、無線遠端控制器、移動偵測器或光偵測器)之應用。該網路亦包括若干路由器裝置(R1、R2、R3、R4、R5)。在一例示性實施例中，此等路由器裝置係順從於群蜂通信協定。在另一有利實施例中，該群峰無電池裝置及該等路由器係順從於一輕量型基於802.15.4之群峰無電池協定。
在根據本發明之一網路中，該等路由器裝置未經提前組態以便於鏈接至一特定群蜂裝置。實際上，每次必須傳輸一資料訊框時，該等路由器以一特定方式在其等自身中立即決定代理器角色。
該ZBLD起始該網路中之一通信。例如，與該ZBLD之一使用者互動、一經ZBLD實施感測器事件或一內部計時器可觸發該ZBLD傳輸一資料訊框。在一例示性802.15.4/群蜂實施例中，藉由使用MAC廣播或間接通信透過MAC層傳輸此訊框。在另一實施例中，仍然在802.15.4/群蜂網路中，藉由使用合適定址(亦即用於接觸單一裝置之單播，用於接觸一群裝置之多播或用於接觸所有裝置之廣播)透過應用支援子層傳輸該訊框。可將關於該ZBLD封包之最終目的地之知識儲存在該ZBLD中且包含於該ZBLD所發送之封包中，或由該代理器路由器處置並由此當轉遞該訊框時新增。
位於該ZBLD鄰域中之所有路由器R1、R2、R3、R4及R5由此接收該訊框或封包P。在一可選實施例中，該等路由器檢查此封包是否實際上來自一ZBLD。例如，此可藉由將裝置類型資訊(例如)以來自一預定義位址集區內之一旗標、識別符之形式或所使用的訊框格式包含在該封包中而達成。然後，各路由器在一預定延遲後排程轉遞該封包。此延遲對應於(例如)在一廣播協定方法中之一時間窗。
在一實例中，以一隨機方式判定與該資料訊框相關聯之延遲。然而，在一些情況下，可能有用的是，鑒於該網路及該等路由器裝置之不同參數，調適該隨機延遲。確實，假使該ZBLD資料訊框將被轉遞至一單播目的地，可能必要的是，該ZBLD之鄰域中之該等路由器裝置發現並維持至該等目的地之預建立路由。在此一情況下，關於至該目的地之傳輸之總鏈路成本之資訊可用於調適該隨機延遲。
在一例示性實施例中，該隨機延遲計算為：
延遲=5ms*total _path _cost +random(0.10*nwkMaxBroadcastJitter )，
其中total _path _cost 為自一給定路由器至該ZBLD訊息之目的地之總路徑成本，且nwkMaxBroadcastJitter 為根據本發明之一網路中之一廣播抖動之最大值。
在一有利實施例中，各路由器包括一路由表，其包含用於記憶各目的地之總鏈路成本之一欄位。此外，在一些實施例中，該路由表亦包含關於路由狀態(諸如該路由之最新度或其之成功率)之一些欄位，且此等欄位之內容亦可用於判定在轉遞一資料訊框之前之延遲。
另一方面，根據本發明之一些網路支援ZBLD及/或代理器行動能力。在此情況下，ZBLD不能總是依賴已預建立至一需要目的地之路由之鄰域路由器，因為該等路由器或該ZBLD可能已自先前傳輸以後在該網路中移動。因此，在一替代實施例中，當判定與轉遞一資料訊框相關聯之延遲時將該路由器或ZBLD裝置之可能行動能力考慮在內係有用。可藉由(例如)鄰域監測(例如追蹤鄰近裝置之封包)而偵測位置變化。該等封包可為資料封包或命令封包，諸如活動信號(heartbeat)、鏈路狀態訊息或關聯/參與/委任命令。
確實，若一路由器已在該網路中將其自身移動至一新ZBLD之鄰域中，則位於該ZBLD附近之其他路由器可能已經建立該ZBLD所需之路由，因此實行一特徵(其允許使該等路由器優先於最近已移動之路由器)係更有效。依照此觀點，最近已移動之路由器將轉遞延遲之路徑成本相依值設定為最大可能值，且由此僅若無其他路由器已轉遞該訊息，才代表該ZBLD轉遞該訊息。
相反地，若該ZBLD在一網路內部移入一新的附近，則極可能鄰近路由器不具有至該ZBLD目的地之一路由，故無論如何必須要建立路由路徑。因此，並無該新代理器指派之延遲點。在此一情況下，該路由器將轉遞延遲之路徑成本相依值設定為最小可能值。
因此，各路由器R1、R2、R3、R4或R5在一隨機延遲後排程資料封包P之傳輸。假設路由器R5為已與最短延遲相關聯之路由器。然後，在一超時，路由器R5以足夠確保兩倍於該ZBLD所涵蓋之通常範圍之涵蓋範圍之一高功率傳輸封包(PFW )。鄰域之其他路由器(即R1、R2、R3及R4)將由此接收路由器R5所轉遞之封包PFW ，且由此其等取消其等之經排程傳輸以避免該資料訊框之任意雙重傳輸。
如先前所解釋，在一些情況下，一網路中之路由器裝置代表該ZBLD執行特定路由發現。此發現係(例如)藉由在接收來自該ZBLD之一資料封包之後發送一路由請求訊息而完成。此解決方案具有引起傳輸中之一額外延遲之缺點，因為該ZBLD發端之資料訊框僅在路由準備就緒之後予以轉遞。為避免此缺點，在一替代實施例中，代理器路由器發送由路由請求欄位所擴充之資料訊框。該代理器路由器所發送之總訊息具有含有所需之路由發現資訊之一擴充的標頭。使用一廣播方法發送該訊息，且該訊息引起該代理器路由器與該ZBLD之目標裝置之間的路由路徑之建立。
本發明找到關於用於控制網路(尤其照明控制網路、建築物自動化及家庭自動化)之無電池裝置之一特定有利應用。裝置之實例包含燈開關、燈遠端控制、調光器、光感測器及存在偵測器。
其亦可找到關於在具有有限能量儲存之控制網路(例如群蜂終端裝置，ZED)中之電池供電裝置之應用，以進一步最佳化其等之操作並增加其等之壽命。
在本說明書及申請專利範圍中，一元件前面之字詞「一」不排除存在複數個此等元件。此外，字詞「包括」不排除存在除所列元件或步驟以外之其他元件或步驟。
在申請專利範圍中之括號中包含參考符號旨在幫助理解，且並非旨在限制。
由閱讀本揭示內容，對於熟習此項技術者其他修改將為明顯。此等修改可涉及在無線控制網路技術中已知的其他特徵，且可使用其他特徵取代本文已描述之特徵或除本文已描述之特徵以外可使用其他特徵。
R1、R2、R3、R4、R5．．．路由器裝置
ZBLD．．．群蜂無電池裝置
圖1顯示根據本發明之一網路。
R1、R2、R3、R4、R5．．．路由器裝置
ZBLD．．．群蜂無電池裝置

Claims (11)

  1. 一種用於在一網路中之無線通信之方法，該網路包括一資源受限終端裝置及至少一路由器裝置，其中該方法包括下列步驟：該終端裝置(ZBLD)傳輸一待轉遞之資料訊框至該網路中之一目的地裝置，該路由器裝置(R5)接收該資料訊框，該路由器裝置使一延遲與該資料訊框相關聯並在此延遲後排程該訊框之傳輸，及假使該路由器裝置收聽(listening)另一路由器裝置已轉遞該資料訊框，則取消該資料訊框之該經排程傳輸，其中在具有一最大值及一最小值之一時間範圍中判定該延遲，該方法包括下列步驟：該路由器裝置判定該資料訊框之該目的地裝置，該路由器裝置檢查其是否佈置(disposes)至此目的地裝置之一預建立路由，假使該路由器不具有一預建立路由，則將該延遲設定為該時間範圍之該最大值。
  2. 如請求項1之方法，其中以一隨機方式至少部分判定該延遲。
  3. 如請求項1或2之方法，其包括藉由考慮至該目的地裝置之該傳輸之總路徑成本而判定與轉遞該資料訊框相關聯之該延遲之步驟。
  4. 如請求項1或2之方法，其包括藉由考慮諸如路由最新 度、經由此路由轉遞之封包數目或此路由上之封包成功率之路由狀態資訊而判定與轉遞該資料訊框相關聯之該延遲之步驟。
  5. 如請求項1或2之方法，其包括在無既有路由之情況下，藉由進一步考慮可能之路由器/終端裝置位置變化而判定與轉遞該資料訊框相關聯之該延遲之步驟。
  6. 如請求項1或2之方法，其包括以確保涵蓋兩倍於由該終端裝置所涵蓋之範圍之一傳輸功率轉遞該資料訊框之步驟。
  7. 如請求項1或2之方法，其包括在轉遞該資料訊框之前該路由器裝置執行該目的地裝置之路由路徑發現程序之步驟。
  8. 如請求項1或2之方法，其中轉遞該資料訊框引起至該目的地裝置之路由路徑之建立。
  9. 如請求項1或2之方法，其中經轉遞之資料訊框亦含有路由發現資訊且根據該路由發現機制在該網路中傳播。
  10. 一種路由器裝置，其包括：接收構件，其用於接收來自一無線網路中之一終端裝置之資料訊框，傳輸構件，其用於轉遞該資料訊框朝向該網路中之一目的地裝置，一計時器，其用於在傳輸一資料訊框之前設定(setting out)一延遲，取消構件，其用於在收聽另一路由器裝置已傳輸該資 料訊框時，取消一資料訊框之一經排程傳輸，記憶體構件，其用於儲存預建立路由，其中在具有一最大值及一最小值之一時間範圍中判定該延遲，該方法包括下列步驟：該路由器裝置判定該資料訊框之該目的地裝置，該路由器裝置檢查其是否佈置至此目的地裝置之一預建立路由，假使該路由器不具有一預建立路由，則將該延遲設定為該時間範圍之該最大值。
  11. 一種無線網路，其包括至少一資源受限裝置及至少一路由器，其中該至少一路由器包括：一接收器，其經組態以接收來自一無線網路中之一終端裝置之一資料訊框；一傳送器，其經組態以轉遞該資料訊框朝向該網路中之一目的地裝置；一計時器，其經組態以在傳輸該資料訊框之前設定一延遲；一處理器，其經組態以當自另一路由器裝置接收該資料訊框時，取消該資料訊框之一經排程傳輸，藉以避免該資料訊框之一重複傳輸；及一記憶體裝置，其經組態以儲存預建立路由，其中該計時器經組態以在具有一最大值及一最小值之一範圍中設定該延遲，其中該處理器經進一步組態以檢查該記憶體裝置是否 儲存至該目的地裝置之一預建立路由，及其中當該記憶體裝置未儲存至該目的地裝置之該預建立路由，則該計時器經組態以將該延遲設定為該範圍之該最大值。
TW099104218A 2009-02-13 2010-02-10 於包含無電池群蜂裝置之網路中通信的方法及其網路與裝置 TWI499327B (zh)

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