專利名稱：建立無線多跳網(wǎng)絡的方法
建立無線多跳網(wǎng)絡的方法發(fā)明領域本發(fā)明描述建立包括在設備布置(device arrangement)中的多個設備的無線多 跳網(wǎng)絡一優(yōu)選地是網(wǎng)狀網(wǎng)絡，尤其是ZigBee型網(wǎng)絡一的方法。本發(fā)明還描述包括用于連 接無線多跳網(wǎng)絡的網(wǎng)絡接口的設備。
背景技術：
在商業(yè)(商務的、工業(yè)的、社會公共機構的)以及還有消費者市場中，對于各種設 備布置的自動控制，無線網(wǎng)的使用正變得越來越廣泛。例子是例如用于照明、供暖與通風、 安全等等的大樓自動化系統(tǒng)，包括諸如燈鎮(zhèn)流器、開關、調(diào)光器或其它控制單元、日光/占 用傳感器(occupancy sensor)、致動器、計量器等等那樣的設備。無線控制的使用使得自 動化設備獨立于作為控制媒介的主電源，因為設備的控制不再依賴于電源線和電源插座， 因此允許設備放置的自由度，并且至少是對于可以由電池供電的那些設備，諸如開關和傳 感器而言，允許更大的設備便攜性。這樣的無線個人網(wǎng)(WPAN)的典型例子是ZigBee (IEEE 802. 15. 4)、藍牙、HomeRF 或 Wi-Fi 網(wǎng)絡。在許多情形下，在設備之間的空中接口的發(fā)射范圍小于網(wǎng)絡的尺度，并且對于應 用級別連接，第一設備可能必須經(jīng)由若干第三設備建立到第二設備的網(wǎng)絡路徑(在下面也 稱為“路由”)，該第三設備把消息從第一設備傳遞到第二設備。這樣的網(wǎng)絡一其中在應 用級別上，發(fā)送設備通過使用作為中間站的其它設備而傳送消息到接收設備一被稱為“多 跳”網(wǎng)絡。由此，在發(fā)送設備與接收設備之間的網(wǎng)絡路徑可以按照相關的網(wǎng)絡標準的規(guī)則以 自組織的方式被建立。對于它，使用了物理連接和邏輯連接，物理連接即設備直接處在相互 的無線電范圍中的事實，特別是在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中；而邏輯連接即在節(jié)點之間的特殊關系，特別 是在基于樹的拓撲中。在設備之間的物理連接和邏輯連接可以在初始化過程中，例如當設 備加入網(wǎng)絡時被建立。在另一個例子中，網(wǎng)絡路徑可以在需要它時以ad-hoc方式被建立， 特別是當先前的網(wǎng)絡路徑例如由于路徑上的中間設備的故障而被破壞時。當前，ZigBee是僅有的標準低功率、低覆蓋區(qū)(low-footprint) WPAN技術，它在很 大程度上允許自組織。ZigBee提供兩種建立網(wǎng)絡拓撲的方式‘DirectJoin(直接加入)’ 和自由關聯(lián)，由此在這兩種情形下可以建立樹結構，這對于較小的網(wǎng)絡是優(yōu)選的配置，或者 可以建立隨機結構，這對于較大的網(wǎng)絡可以是有利的解決方案。新設備通過其來加入的設 備被稱為該加入設備(‘子設備’)的‘母設備(parent device)’。DirectJoin方法需要用戶為網(wǎng)絡中的所有設備預先定義母子關系。除了給用戶增 加較大負擔以外(特別是在具有幾千節(jié)點的大網(wǎng)絡中)，這還需要專家工具來測量無線電 范圍和/或關于無線傳播的專家知識，以及當必須對網(wǎng)絡作出更改或適配時，這還與高維 護努力相關聯(lián)。這在不穩(wěn)定的、易受多徑影響的無線環(huán)境下是不合需要的。自由關聯(lián)過程允許打算加入網(wǎng)絡的探尋設備(seeking device)(或者是完全新的 設備，或者是以前在網(wǎng)絡中的設備)按照預定義的準則選擇母節(jié)點。在ZigBee標準中，功能 減少的ZigBee終端設備(在下面也稱為7ED’ )和ZigBee路由器(在下面也稱為‘ZR’ ) 都試圖選擇這樣的路由器作為母設備，即對于該路由器以下所有條件均成立
1.路由器屬于由特定的網(wǎng)絡標識符(在ZigBee標準中是‘ExtendedPANId參數(shù)， 或‘EPID’ )標識的網(wǎng)絡；2.路由器對于有正確設備類型(ZigBee路由器或ZigBee終端設備)的加入請求 和告知能力是開放的；3.宣告的‘更新id’是最近的；4.對于從這個設備接收的幀的鏈路質(zhì)量是使得產(chǎn)生至多3的鏈路成本。 [ZigBee-2007,053474rl7, sec. 3. 6. 1. 4. 1. 1，ρ· 352，1. Iff],由此，鏈路成本被計算為7, C{1} =min 7, round'2、、(i)其中P1是鏈路1上的分組遞送的概率，它可以通過分析分組差錯率和/或諸如能 量檢測和/或信噪比值那樣的信號屬性而得到；這由ZigBee實施者自行處理。5.如果有一個以上的設備滿足這四個要求，則按照ZigBee標準，加入設備應選擇 具有最小樹深度的母設備。[ZigBee-2007,053474rl7, sec. 3. 6. 1. 4. 1. 1，p. 352，1. 18ff]。 如果一個以上的潛在母設備具有最小的深度，則設備從這些潛在母設備中自由選擇。在初始網(wǎng)絡形成時，設備可能還沒有對鏈路成本的良好的估計，因為到那時候將 只有很少的分組被發(fā)送/接收。當為鏈路成本取缺省值7時(見方程式(1))，所有的可能 的母設備均滿足要求1-4，在第四要求上是平手，這實際上將使得節(jié)點只應用第五規(guī)則，即， 選擇在網(wǎng)絡樹中最高(具有最低的樹深度)的母設備。所以，以上的自由關聯(lián)方法可能導致在接近樹根——即ZigBee PAN協(xié)調(diào)器(下面 也稱為‘ZC’)，其形成網(wǎng)絡邏輯結構(特別是樹)一處非常密集的網(wǎng)絡拓撲，并可能導致 潛在地質(zhì)量差的母-子鏈路(至少，可能有更高質(zhì)量的鏈路是可得到的)。結果，網(wǎng)絡的性 能在分組遞送的延遲和可靠性方面可能比最佳性能差。對于合并了 ^D的網(wǎng)絡尤其如此， ZED被標準迫使而只是經(jīng)由它們的母設備進行通信。預計在ZigBee那樣的網(wǎng)絡中有許多ZED那樣的功能減少的、電池供電的設備，因 為無線控制的長處在于它獨立于主電源。預計控制設備一開關、傳感器、遙控器(RC)等 等，它們主要使用無線電來對用戶輸入或感測的環(huán)境改變作出反應一是電池供電的^D。 多個設備可以由它們控制，包括分組丟失敏感的和時間關鍵的應用，比如照明開關，從而需 要一盡管ZED有減少的功能性一某種網(wǎng)絡性能水平。而且，希望通過把與命令相關聯(lián)的 重傳次數(shù)保持為最小而使得網(wǎng)絡可靠性最大化，且由此節(jié)省ZED的能量。所以，本發(fā)明的目的是提供用于形成無線多跳網(wǎng)絡一尤其是包括^D的ZigBee 型網(wǎng)絡一的更智能的自組織方法，以及提供包括用于按照本方法連接無線多跳網(wǎng)絡的網(wǎng) 絡接口的設備。發(fā)明概要 為此，本發(fā)明描述了建立包括設備布置中的多個設備的無線多跳網(wǎng)絡的方法，在 該方法中，設備在自組織過程中建立與網(wǎng)絡的至少另一個設備的物理的無線連接，在該自 組織過程中
-打算加入網(wǎng)絡的探尋設備偵聽由已經(jīng)在網(wǎng)絡中的候選母設備發(fā)射的信標信號， 其中信標信號包括發(fā)射設備的設備標識符和網(wǎng)絡標識符；-在母設備選擇過程中，探尋設備按照給定的選擇規(guī)則，根據(jù)網(wǎng)絡標識符(EPID)、 候選母設備的接受能力、以及關于該設備與候選母設備的鏈路質(zhì)量參數(shù)值，從候選母設備 中間選擇母設備，在該母設備選擇過程中，還應用探尋設備和/或候選母設備的應用級別連接數(shù) 據(jù)；-以及探尋設備經(jīng)由所選擇的母設備而物理地以及優(yōu)選地還邏輯地連接(在 ZigBee標準中使用的術語是“關聯(lián)(associate)”)到該網(wǎng)絡。在ZigBee網(wǎng)絡中，候選母設備是觀(或ZC)，它們在作為對探尋設備的信標請求信 號的應答信號的所謂“信標”信號中發(fā)送它們的ExtendedPANId參數(shù)作為網(wǎng)絡標識符以及 發(fā)送它們的IEEE地址作為設備標識符。接受能力是候選母設備接受特定類型的設備(例 如ZED或ZR)作為另外的子設備的能力，這個信息也被包括在該信標信號中。鏈路質(zhì)量參 數(shù)值可以是按照方程式(1)確定的鏈路成本。與當前的標準相比，應用級別連接數(shù)據(jù)現(xiàn)在在母設備選擇過程中被考慮。這樣的 應用級別連接數(shù)據(jù)可以是揭示以下內(nèi)容的任何數(shù)據(jù)一個設備在應用級別上與哪個其它設 備直接或間接地綁定或連接、以及這種綁定有多重要，例如，開關是否綁定到由該開關控制 的照明設備，或兩個或更多個照明設備是否處在相同的功能組中并由共同的開關控制，或 傳感器必須更頻繁地向兩個監(jiān)視站中的哪個監(jiān)視站報告。通過使用這個方法，最緊密綁定 的設備，即具有最好的鏈路質(zhì)量且被綁定到探尋設備的候選母設備，優(yōu)選地被選擇為母設 備。正如后面顯示的，因為可以顯著地減少被使用來建立網(wǎng)絡路徑的跳數(shù)，所以這個辦法以 非常簡單的方式導致用自組織方法建立的樹結構網(wǎng)絡的性能的巨大改進。適當?shù)脑O備包括用于連接這樣的無線多跳網(wǎng)絡的網(wǎng)絡接口，該網(wǎng)絡接口包括-偵聽單元，它在該設備打算加入網(wǎng)絡時偵聽由已經(jīng)在網(wǎng)絡中的候選母設備發(fā)射 的信標信號，該信標信號包括候選母設備的設備標識符和網(wǎng)絡標識符，-母設備選擇單元，用于按照給定的選擇規(guī)則，根據(jù)網(wǎng)絡標識符(EPID)、候選母設 備的接受能力、以及對于在該設備與候選母設備之間的鏈路的鏈路質(zhì)量參數(shù)值，從候選母 設備中間選擇母設備，該母設備選擇單元被實現(xiàn)成使得它在母設備選擇過程中還應用該設備和/或候 選的母設備的應用級別連接數(shù)據(jù)，-以及連接單元，用于在該網(wǎng)絡中建立在該設備與所選母設備之間的物理的以及 優(yōu)選地還有邏輯的連接。本發(fā)明優(yōu)選地被使用于ZigBee型的網(wǎng)絡，但也可以使用于其它類似的、能夠在自 組織過程中建立在網(wǎng)絡節(jié)點之間的物理的以及優(yōu)選地還有邏輯的連接的多跳網(wǎng)絡。從屬權利要求和隨后的描述公開了本發(fā)明的特別有利的實施例和特征，由此，具 體地，按照本發(fā)明的設備可以按照從屬方法權利要求被進一步開發(fā)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，探尋設備發(fā)送請求信號到已經(jīng)在網(wǎng)絡中的設備。接收 到請求信號的多個候選母設備然后可以每個都發(fā)射信標信號作為應答。這樣的用于搜索可 能的母設備的請求信號可以由網(wǎng)絡接口的搜索單元或模塊廣播。這個方法是較簡單的并且能量消耗較小，因為候選母設備不需要連續(xù)不斷地廣播信標信號，而僅僅在設備打算加入 網(wǎng)絡時才廣播。如果探尋設備接收到具有正確的網(wǎng)絡標識符的來自設備的信標信號，則探尋設備 可以請求那個發(fā)射的候選母設備接受它作為子設備。為了減少數(shù)據(jù)業(yè)務量，候選母設備的 信標信號優(yōu)選地已經(jīng)包括對于那個設備類型(在ZigBee中JR或觀D)的接受能力。而且，信標信號可以已經(jīng)包括發(fā)射的候選母設備的樹深度信息，指示在發(fā)射的候 選母設備與網(wǎng)絡樹結構的根一例如在ZigBee網(wǎng)絡中的ZigBee協(xié)調(diào)器一之間的節(jié)點的數(shù) 量。這樣的樹深度信息然后也可以在母設備選擇過程中被考慮。例如，在有兩個同樣地合 適的候選母設備的情形下，考慮到應用級別連接數(shù)據(jù)，可以以類似于當前的ZigBee標準的 方式選擇具有較小樹深度的候選母設備。如上所述，應用級別連接數(shù)據(jù)可以是定義設備在應用級別上與哪個其它設備直接 或間接地綁定或連接或者是這種綁定的重要性的任何數(shù)據(jù)。根據(jù)這個數(shù)據(jù)，探尋設備可以 有利地把在應用級別上充當用于那個探尋設備的控制器、或者在應用級別上被那個探尋設 備控制的設備選擇為母設備。例如，在ZigBee網(wǎng)絡中，開關(ZED或ZR)可以選擇由它控制 的觀照明設備之一。這要求設備知道它將在應用層與其通信的其它設備。這可以容易地達到，例如在 應用級別連接數(shù)據(jù)包括各設備在應用級別上應當被連接到的其它設備的設備標識符的集 合的情況下，所述集合例如是簡單的列表。這個標識符集合或列表(下面稱為“綁定表”) 可被存儲在網(wǎng)絡接口的適當?shù)拇鎯ζ髦?。這樣，例如，控制器可以通過比較在信標信號中的和被存儲在綁定表中的設備標 識符，從而選擇它被綁定到的設備之一作為母設備。為此，在ZigBee網(wǎng)絡中的設備的獨特 的64比特長的地址被優(yōu)選地用作為設備標識符。在對上述辦法中為控制器ZED定義的規(guī)則的擴展中，要由相同控制器控制的其它 設備，如果有可能的話，特別是如果它們本身是的話，可以選擇控制器的母設備作為它 們的母設備，以使得跳數(shù)最小化。設備布置中的設備可被分組成功能組，以及應用級別連接數(shù)據(jù)可包括組成員資格 數(shù)據(jù)。通過把共同的組成員資格也用作為用于母設備選擇的準則，可以達到在應用級別連 接中減小的跳數(shù)。然而，這需要在進行關聯(lián)之前的組成員資格配置以及其它組成員的知識， 這可以在信標信號中以簡單的組標識符的形式提供。綁定和/或功能組優(yōu)選地在通常的試運行階段被配置，以使得應用級別連接數(shù) 據(jù)對用于打算加入可操作網(wǎng)絡的設備的母設備選擇是可得到的。它們也可以例如由設備 (組)廠家或者系統(tǒng)集成者來靜態(tài)地預先配置，例如經(jīng)由帶外方法來建立。在ZigBee網(wǎng)絡的優(yōu)選實施例中，應用級別連接數(shù)據(jù)包括在應用支持子層(APS)中 的綁定數(shù)據(jù)。替換地，可以向應用直接提供這個信息，即，應用級別連接數(shù)據(jù)直接地與設備 的應用對象相關聯(lián)，而無需使用APS綁定機制。所以，在下面，為了簡明起見，不管是否使用 了 APS綁定機制，在源設備與目的地設備之間的、在應用級別上的任何邏輯連接可被稱為 “綁定”，以及相應的設備可被稱為“綁定設備”。如以上說明的，探尋設備優(yōu)選地應當從它被綁定到的候選母設備中間選擇母設 備。然而，尤其是當新的網(wǎng)絡正在建立時，在探尋設備試圖加入時那些綁定設備可能還沒有處在網(wǎng)絡中。因此，在優(yōu)選實施例中，如果探尋設備在第一請求信號之后，沒有從按照應用 級別連接數(shù)據(jù)該請求設備應當在應用級別上被連接到的候選母設備接收到應答信號，那么 探尋設備發(fā)送新的請求信號。這樣，因為探尋設備“知道”綁定設備將加入網(wǎng)絡，所以探尋 設備，特別是ZED，可以優(yōu)選地在給定的期限內(nèi)推遲關聯(lián)，直至至少N個綁定設備(N是1或 更大)通過初始搜索可發(fā)現(xiàn)為止。這將允許形成甚至更有效的拓撲，而并不延遲網(wǎng)絡形成。 關于哪些綁定設備位于鄰域的信息(如果有的話)，例如可以在試運行階段期間被收集和 被存儲。例如，在試運行階段期間收集的潛在的母設備的信標信號可以與應用級別連接數(shù) 據(jù)一起被存儲在探尋設備的存儲器中。當探尋設備加入網(wǎng)絡，尤其是處在被建立過程中的網(wǎng)絡時，探尋設備可以找到在 那時最接近的綁定的母設備。然而，其它可能的合適的、甚至更接近的母設備可能稍后才啟 動，所以在關聯(lián)期間不能被那個探尋設備發(fā)現(xiàn)。為了補救這種情形，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例 中，在探尋母設備之前，設備在初始啟動后等待給定的延遲時間。例如，探尋設備可以缺省 地延遲它們的初始關聯(lián)過程(這可能牽涉到廣播請求信號)，以使得它們可以從大量可得 到的、已關聯(lián)的設備中選擇母設備。這可以被實現(xiàn)為例如在加電和/或復位后的缺省的睡 眠期；優(yōu)選地僅僅是在可操作的模式而不是在試運行模式中。與在當前的ZigBee標準中僅 僅擴展kanDuratior^搜索持續(xù)時間)對照，這個方法不增加探尋設備的初始能量消耗。ZigBee技術規(guī)范允許全功能設備或者作為觀進行關聯(lián)，或者一如果由于潛在的 母設備的尋址空間或用于子設備的存儲器條目被耗盡而不可能作為觀的話一作為ZED進 行關聯(lián)。對于不能作為觀來按照標準ZigBee辦法找到母設備(特別是，由于未滿足的準則 2和4)的全功能設備，可能更有利的是變?yōu)檫@個設備附近的綁定的路由器的ZED子設備， 而不是作為觀關聯(lián)到更遠的綁定或未綁定的路由器。所以，在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例 中，具有全功能設備能力的探尋設備可以作為功能減少的設備物理地連接到對于網(wǎng)絡路由 器設備沒有更多接受能力的另一個路由器設備，如果那個網(wǎng)絡路由器設備按照應用級別連 接數(shù)據(jù)是最合適的候選母設備的話。這個辦法將進一步改進采用樹路由的網(wǎng)絡的性能。如果滿足以上其中一個方法的準則的許多候選母設備是可得到的，則探尋設備可 以選擇具有最強信號的那個。優(yōu)選地，按照上述的標準ZigBee關聯(lián)過程的準則4，在母設備 選擇過程中應用有關探尋設備和候選母設備的鏈路質(zhì)量參數(shù)值。這樣，探尋設備增加遞送 應用消息到至少一個綁定設備的概率，并減小這種遞送所需要的網(wǎng)絡跳數(shù)。在另一個實施例中，為了從在探尋設備附近的、滿足所有的以上討論的網(wǎng)絡和應 用準則的許多綁定設備中間選擇母設備，探尋設備可以使用任何的、采用關于應用消息將 有多頻繁地被發(fā)送到特定的綁定設備的指示(諸如由應用設置的最大或最小更新間隔)的 形式的、另外的應用數(shù)據(jù)。探尋設備然后可以選擇它將與之最頻繁地通信的設備作為母設 備，這樣，通過把這個通信減小到一跳而針對其業(yè)務流量的最大貢獻者進行優(yōu)化。在再一個實施例中，如果優(yōu)先權和/或服務質(zhì)量指示符被定義，例如，對于所選擇 的命令和/或參數(shù)的重要性水平被加于特定的邏輯連接、端口或插座或完全的應用，不管 是由設備制造者指派的還是在試運行過程中指派的，則探尋設備可以從綁定設備中間為它 的母設備選擇具有最高優(yōu)先權和/或最嚴格的QoS(服務質(zhì)量)要求(例如，最小延遲，最 大可靠性)的那個設備。為此，對于在探尋設備和在應用級別上被綁定到該探尋設備的設 備之間的給定的應用級別連接，應用級別連接數(shù)據(jù)優(yōu)選地可包括服務質(zhì)量指示符和/或優(yōu)先權數(shù)據(jù)和/或關于在探尋設備與對應的綁定設備之間的估計的應用級別消息頻率的 數(shù)據(jù)。例如，在ZigBee中，這樣的指示符可被包括在探尋設備的綁定表中。按照本發(fā)明的方法的可應用性可限于僅僅某些設備類型或設備角色。某些設備， 不管是終端設備和/或電池供電的，可能不需要這個方法。例如，.用于整個建筑物的中央 照明開關可能不是處在任何的它的綁定設備緊鄰的附近地區(qū)，和/或可能不需要快速響應 時間。在試運行階段收集的信息，如果被使用的話，可被使用來確定這種情形。作為另一個 例子，便攜式遙控器可能不被永久地綁定到任何設備；它可以受益于以合理的鏈路成本快 速地關聯(lián)到在它附近的第一設備。當探尋設備確定沒有一個綁定設備具有接受新的子設備的能力時一或者因為它 們不是路由器，或者因為它們的子設備容量被耗盡，或者因為它們不滿足其它的母設備選 擇準則一探尋設備可以回復到標準過程。優(yōu)選地，如果已經(jīng)加入網(wǎng)絡的設備接收了新的應用級別連接數(shù)據(jù)，則它也可以交 換它的母設備。例如，如果在網(wǎng)絡形成后(按照標準方法或上面公開的其中一個方法)，應 用層消息被不可靠地遞送，則探尋設備可以決定替換它的母設備。在ZigBee網(wǎng)絡中，這可 以例如由于缺乏端到端應用級別響應、APS級別ACK、MAC級別ACK(來自母設備)、和/或改 變的鏈路成本而被觸發(fā)。如果綁定信息僅僅在加入網(wǎng)絡后才變?yōu)榭傻玫降?，例如，如果沒有 使用試運行階段，則可能需要母設備的搶先的(proactive)替換。與上面描述的相同的過程可以由試圖重新加入網(wǎng)絡的設備，例如孤兒設備使用， 孤兒設備即例如由于母設備遷移或無線傳播改變而失去與它的母設備的連接的設備。依賴 于先前在加入到網(wǎng)絡時收集的鏈路成本和性能數(shù)據(jù)，該設備可以考慮應用層數(shù)據(jù)來選擇新 的母設備。顯然，母設備也可以在接受來自子設備的關聯(lián)請求或加入請求之前使用應用層數(shù) 據(jù)。例如，當母設備可以僅僅接受一個子設備、并且它基本上同時地從兩個潛在的子設備 (其中僅有一個被綁定到母設備)接收到關聯(lián)請求時，母設備路由器可能更喜歡該綁定設 備。優(yōu)選地，路由器設備可以應用上述的方法來選擇它們的到除母設備之外的其它相 鄰設備的物理連接。嵌入的設備一無論是觀還是ZED-的存儲器通常是有限的，允許僅 僅存儲預定義數(shù)量的鄰居設備、子設備和路由器。在密集的網(wǎng)絡中，每個路由器可能具有大 大地超過在鄰居表中的可得到的空間的多個物理連接。因此，當填充鄰居表時，代替只是依 賴于發(fā)現(xiàn)次序和/或鏈路成本指示符，路由器也可以使用應用層連接數(shù)據(jù)，諸如像應用層 連接的存在或它的優(yōu)先權。通過結合附圖考慮的以下的詳細說明，本發(fā)明的其它目的和特征將變得明顯。然 而，應當明白，附圖只是被設計用于說明的目的，而不是作為本發(fā)明的限制的定義。附圖簡述

圖1顯示用于說明按照當前標準的母設備選擇過程的ZigBee協(xié)議棧的圖示；圖2顯示按照當前標準的、未連接的探尋設備的關聯(lián)過程的流程圖；圖3顯示包括有在不同房間中的、幾個功能組的設備的設備布置的實施例的圖 示；圖4顯示按照當前標準的、用于自由關聯(lián)樹拓撲的、圖3的設備布置的示范性ZigBee關聯(lián)圖；圖5顯示用于說明按照本發(fā)明實施例的母設備選擇過程的ZigBee協(xié)議棧的圖 示；圖6顯示按照本發(fā)明實施例的、未連接的探尋設備的關聯(lián)過程的流程圖；圖7顯示按照本發(fā)明實施例的、用于自由關聯(lián)樹拓撲的、圖3的設備布置的示范性 ZigBee關聯(lián)圖。在圖上，全文中同樣的數(shù)字是指同樣的對象。圖上的對象不一定按比例畫出。實施例的詳細說明在下面，在無論如何不限制本發(fā)明的情況下，假設網(wǎng)絡是ZigBee型網(wǎng)絡，因為 ZigBee是當前最普遍的無線網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)標準。然而，本發(fā)明也可以使用于類似的多跳網(wǎng)絡。圖1顯示ZigBee協(xié)議的典型的協(xié)議棧。ZigBee設備需要遵守IEEE802. 15. 4-2003 低速率無線個人域網(wǎng)絡(WPAN)標準。該標準規(guī)定較低的協(xié)議層一物理層PHY，和數(shù)據(jù)鏈路 層的媒體接入控制MAC部分。這個標準規(guī)定在不需執(zhí)照的2. 4GHz,915MHz和868MHz ISM頻 帶上運行。網(wǎng)絡層NWK負責尋址和分組路由，提供端到端數(shù)據(jù)傳輸服務給作為應用框架AF 組成部分的協(xié)議棧的更高層。應用框架AF包括應用支持子層APS、多個(多達每個ZigBee 設備240個)應用對象AO1,.. . ,AO240和ZigBee設備對象ZDO的一部分。應用支持子層APS 例如負責綁定管理。應用對象AO1, ...，AO240由使用ZigBee接口的設備的開發(fā)者來實施， 且可以遵循私有的或標準化的ZigBee應用簡檔，諸如像家庭自動化(HA)、商用大樓自動化 (CBA)或智能能量(ΜΕ)簡檔。ZigBee設備對象ZDO管理ZigBee設備，且尤其負責網(wǎng)絡選 擇、ZigBee層的初始化(應用對象AO1, · · . , AO240除外)、ZigBee設備QEDJR或ZC)的實 際功能的定義、網(wǎng)絡中的其它設備的發(fā)現(xiàn)、以及發(fā)送綁定請求的發(fā)起。安全服務提供者SEC 負責交換和維護安全憑證，以及負責安全操作，諸如加密和鑒別。參照圖2，將大略說明未連接的ZigBee設備可以如何按照當前的ZigBee標準加入 現(xiàn)有的ZigBee網(wǎng)絡。由此，打算加入網(wǎng)絡的、仍未連接的探尋設備將通過廣播請求信號、偵 聽來自范圍內(nèi)的設備的信標信號、以及確定對于每個應答設備的鏈路成本，而搜索潛在的 母設備。搜索可以由媒體接入控制層MAC的偵聽單元LU執(zhí)行(見圖1)，以及鏈路成本計算 單元LC可以按照以上的方程式(1)計算鏈路成本。來自每個被發(fā)現(xiàn)的潛在母設備的信標信號的數(shù)據(jù)，具體地是網(wǎng)絡標識符EPID、16 比特和64比特地址、子設備接受能力和樹深度(它們都隨信標信號一起發(fā)射)，以及計算的 鏈路成本被傳遞到網(wǎng)絡層NWK，網(wǎng)絡層收集信標信號的數(shù)據(jù)。在下一個步驟中，網(wǎng)絡層NWK 的母設備選擇單元PS按照以上說明的ZigBee標準選擇準則1到4、根據(jù)與信標一起被接收 的數(shù)據(jù)和鏈路成本，從候選的母設備中間選擇母設備。為了只選擇正確網(wǎng)絡中的母設備，母 設備選擇單元PS被提供以來自ZigBee設備對象ZDO的網(wǎng)絡選擇單元NS的所選擇網(wǎng)絡的 網(wǎng)絡標識符EPID。如果只找到一個滿足準則的候選母設備，則媒體接入控制層MAC的連接單元CU將 發(fā)起與那個選擇的母設備的物理連接(關聯(lián))，即，探尋設備將在所選擇的母設備處加入具 有所選擇的EPID的網(wǎng)絡。如果滿足準則的候選母設備的數(shù)量大于1，則母設備選擇單元將 根據(jù)樹深度(上面提到的準則幻來選擇母設備。這樣的關聯(lián)過程的細節(jié)是本領域技術人 員熟知的，所以在這一點上不需要進一步的詳細說明。
應當指出，偵聽單元LU、鏈路成本計算單元LC、母設備選擇單元PS、綁定管理單元 BM、網(wǎng)絡選擇單元NS、以及連接單元⑶都被實現(xiàn)為在ZigBee設備的ZigBee接口的處理器 上運行的軟件模塊或算法，為了更容易理解，它們在圖1的協(xié)議棧中的特定的ZigBee層中 被指明。可以證明，由ZigBee技術規(guī)范提出的這個缺省的母設備選擇機制導致次最佳網(wǎng) 絡拓撲，所以，也導致次最佳網(wǎng)絡性能，特別是如果牽涉到ZED的話。在典型的辦公室環(huán)境下的設備布置D被取為基準，并被顯示于圖3。該辦公室環(huán)境 由十個房間和引導到每個房間的走廊組成。設備布置D在這種情形下是照明布置，但在這 一點上將指出，本發(fā)明無論如何不限于照明系統(tǒng)。

每個房間配備有六盞燈(是ZigBee路由器7-12，16-21，25-30，34-39，43-48， 52-57，61-66，70-75，79-84，88-93)，每個房間由一個開關(是 ZED 15，24，33，42，51，60， 69,78,87,96)來控制(即，綁定到該開關)。在每個房間中，安裝有未綁定的^D電源插座 14，23，32，41，50，59，68，77，86，95 和未綁定的 ZED 光學傳感器 13，22，31，40，49，58，67，76， 85,94.在走廊中的燈0，...，5由樓層開關6控制。所有的這些設備0，1，2，...，96按照設 備所安裝到的房間被分組為功能組R1, &，...，R10, F。每個設備0，1，2，...，96用簡單的圓 圈代表。對于這個設備布置D，按照如上所述的標準ZigBee過程執(zhí)行初始網(wǎng)絡形成。假設 可靠的鏈路質(zhì)量參數(shù)值仍是不可得到的(例如，由于實施集成功能的事實，使得實際上為 ZigBee鏈路成本取缺省值7)，使得母設備是根據(jù)母設備在網(wǎng)絡樹中的位置(深度)來選擇 的。還假設，設備0是第一設備，以及它充當ZigBee協(xié)調(diào)器。用這個方法達到的、對于自由 關聯(lián)拓撲的示范性ZigBee關聯(lián)圖顯示于圖4。用于邏輯樹形成的ZigBee Cskip參數(shù)被設 置為Cm = 30, Rm= 12, Lm = 4。具有樹深度“1”的邏輯連接用虛線表示；具有樹深度“2” 的連接用實線表示，由此，這些線起源于表示母設備的圓圈的中心處，并終結在表示子設備 的圓圈的周界處。正如可以看到的，更接近于根的節(jié)點(沿邏輯樹結構以跳來測量)是母 設備；被連接到這個節(jié)點的節(jié)點是它的子設備。這個網(wǎng)絡的性能已通過使用網(wǎng)絡仿真器‘NS-2’進行測量。由此，最壞情況的情景 被仿真全部11個開關在完全相同的時刻被扳動，每個開關以單播(imicast)來發(fā)送消息 到全部六個相關聯(lián)的燈，導致66個消息的風暴。實驗重復了 10000次，以得到統(tǒng)計學上相 關的數(shù)據(jù)。在對于圖4所示的關聯(lián)圖的仿真中得到的性能結果在以下的表中給出
權利要求
1.一種建立包括設備布置(D)中的多個設備(0，1，2，...,96)的無線多跳網(wǎng)絡 (NW)-尤其是ZigBee型網(wǎng)絡一的方法，在該方法中，設備(1，2，3，. . .，96)在自組織過程 中建立與網(wǎng)絡(NW)的至少另一個設備(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73， 79，88)的物理的無線連接，在該自組織過程中-打算加入網(wǎng)絡的探尋設備偵聽由已經(jīng)在網(wǎng)絡中的候選母設備發(fā)射的信標信號，該信 標信號包括發(fā)射設備的設備標識符和網(wǎng)絡標識符；-在母設備選擇過程中，探尋設備按照給定的選擇規(guī)則，根據(jù)網(wǎng)絡標識符(EPID)、候選 母設備的接受能力、以及關于探尋設備與候選母設備的鏈路質(zhì)量參數(shù)值，從候選母設備中 間選擇母設備，在該母設備選擇過程中，應用探尋設備和/或候選母設備的應用級別連接數(shù)據(jù)(L，Bi)；-以及探尋設備經(jīng)由所選擇的母設備(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71， 73，79，88)物理地連接到該網(wǎng)絡(NW)。
2.按照權利要求1的方法，其中探尋設備發(fā)送請求信號到已經(jīng)在網(wǎng)絡(NW)中的設備， 以及接收到請求信號的多個候選母設備每個都發(fā)射信標信號。
3.按照權利要求1或2的方法，其中信標信號包括相應的候選母設備的接受能力。
4.按照前述權利要求的任一項的方法，其中信標信號包括發(fā)射的候選母設備的樹深度 信息，該樹深度信息被應用在母設備選擇過程中。
5.按照前述權利要求的任一項的方法，其中應用級別連接數(shù)據(jù)(L，Bi)包括所述設備 在應用級別上應當被連接到的其它設備的設備標識符的集合(L)。
6.按照前述權利要求的任一項的方法，其中探尋設備選擇在應用級別上充當對于那個 探尋設備的控制器的、或在應用級別上被那個探尋設備控制的設備作為母設備。
7.按照前述權利要求的任一項的方法，其中設備布置(D)中的設備(0，1，2，...，96)被 分組成功能組(R1, R2，…，R10, F)，以及應用級別連接數(shù)據(jù)(L，Bi)包括組成員資格數(shù)據(jù)。
8.按照前述權利要求的任一項的方法，其中應用級別連接數(shù)據(jù)在設備布置的試運行期 間被配置。
9.按照前述權利要求的任一項的方法，其中應用級別連接數(shù)據(jù)包括在應用支持子層 (APS)中的綁定數(shù)據(jù)(L)，和/或應用級別連接數(shù)據(jù)(Bi)被關聯(lián)到設備的應用對象(AO 1，…，AO 240)。
10.按照權利要求2到9的任一項的方法，其中如果探尋設備在第一請求信號之后沒有 從按照應用級別連接數(shù)據(jù)該請求設備應當在應用級別上被連接到的候選母設備接收到應 答信號，則該探尋設備發(fā)送新的請求信號。
11.按照前述權利要求的任一項的方法，其中在探尋母設備之前，探尋設備在初始啟動 后等待給定的延遲時間。
12.按照前述權利要求的任一項的方法，其中具有網(wǎng)絡路由器設備能力的探尋設備作 為網(wǎng)絡終端設備物理地連接到對于網(wǎng)絡路由器設備沒有更多接受能力的另一個路由器設 備，如果那個網(wǎng)絡路由器設備按照應用級別連接數(shù)據(jù)是最合適的候選母設備的話。
13.按照前述權利要求的任一項的方法，其中關于在探尋設備與在應用級別上被綁定 到該探尋設備的設備之間的給定的應用級別連接，應用級別連接數(shù)據(jù)包括服務質(zhì)量指示符，和/或優(yōu)先權數(shù)據(jù)，和/或關于在探尋設備與相應的綁定設備之間的估計的應用級別消 息頻率的數(shù)據(jù)。
14.按照前述權利要求的任一項的方法，其中如果已加入網(wǎng)絡的設備接收到應用級別 連接數(shù)據(jù)，則它可以改變它的母設備。
15.一種包括用于連接無線多跳網(wǎng)絡(NW)的網(wǎng)絡接口的設備，該網(wǎng)絡包括設備布置 (D)中的多個設備(0，1，2，...，96)，以及在該網(wǎng)絡中設備(1，2，3，...，96)在自組織過程中 建立與網(wǎng)絡(NW)的至少一個其它設備(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73， 79,88)的物理的無線連接，所述網(wǎng)絡接口包括-偵聽單元，它在設備打算加入網(wǎng)絡的情況下偵聽由已經(jīng)在網(wǎng)絡中的候選母設備發(fā)射 的信標信號，該信標信號包括候選母設備的設備標識符和網(wǎng)絡標識符，-母設備選擇單元，用于按照給定的選擇規(guī)則，根據(jù)網(wǎng)絡標識符(EPID)、候選母設備的 接受能力、以及關于該設備與候選母設備的鏈路質(zhì)量參數(shù)值，從候選母設備中間選擇母設 備，該母設備選擇單元被實現(xiàn)成使得它在母設備選擇過程中應用該設備和/或候選母設 備的應用級別連接數(shù)據(jù)，-以及連接單元，用于建立在該設備與所選擇的母設備(0，1，11，16，17，29，30，39,48, 52，53，55，64，71，73，79，88)之間在該網(wǎng)絡中的物理的連接。
全文摘要
本發(fā)明描述一種建立包括設備布置(D)中的多個設備(0，1，2，...，96)的無線多跳網(wǎng)絡(NW)—尤其是ZigBee型網(wǎng)絡—的方法，在該方法中，設備(1，2，3，...，96)在自組織過程中建立與網(wǎng)絡(NW)的至少另一個設備(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73，79，88)的物理的無線連接。在該自組織過程中，打算加入網(wǎng)絡的探尋設備偵聽由已經(jīng)在網(wǎng)絡中的候選母設備發(fā)射的、包括發(fā)射設備的設備標識符和網(wǎng)絡標識符的信標信號。然后，在母設備選擇過程中，探尋設備按照給定的選擇規(guī)則，根據(jù)網(wǎng)絡標識符(EPID)、候選母設備的接受能力、以及關于該設備與候選母設備的鏈路質(zhì)量參數(shù)值，從候選母設備中間選擇母設備。在這個母設備選擇過程中，應用探尋設備和/或候選母設備的應用級別連接數(shù)據(jù)(L，BI)。至少，探尋設備經(jīng)由所選擇的母設備(0，1，11，16，17，29，30，39，48，52，53，55，64，71，73，79，88)物理地以及優(yōu)選地還邏輯地連接到網(wǎng)絡(NW)。本發(fā)明還描述包括用于按照本方法連接無線多跳網(wǎng)絡(NW)的網(wǎng)絡接口的設備。
文檔編號H04W84/18GK102057731SQ200980120701
公開日2011年5月11日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權日2008年6月4日
發(fā)明者A·M·M·萊爾肯斯, B·埃爾德曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司