非时隙信道跳跃介质接入控制中的增强型广播传输方法
阅读说明：本技术 非时隙信道跳跃介质接入控制中的增强型广播传输方法 (Enhanced broadcast transmission method in non-time slot channel hopping medium access control ) 是由 K·维亚雅三克尔 R·维丹萨姆 于 2016-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明披露了非时隙信道跳跃介质接入控制中的增强型广播传输方法。披露了一种操作网状网络的方法。该方法包括将网络连接为父节点的子节点(504,506)并且接收来自该父节点(502)的下行链路广播信道。该方法进一步包括响应于该接收步骤将该下行链路广播信道设置为上行链路广播信道。(The invention discloses an enhanced broadcast transmission method in non-slotted channel hopping medium access control. A method of operating a mesh network is disclosed. The method includes connecting a network as a child node (504, 506) of a parent node and receiving a downlink broadcast channel from the parent node (502). The method further includes setting the downlink broadcast channel to an uplink broadcast channel in response to the receiving step.)
本申请是于2016年05月09日提交的名称为“非时隙信道跳跃介质接入控制中的增强型广播传输”的中国专利申请201610304742.2的分案申请。
背景技术
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2015年5月8日(TI-76056PS)提交的临时申请号62/158,702的优先权，其全部公开通过引用合并于此。
本实施例涉及无线网状通信系统，并且更具体地涉及在场局域网和个人局域网中的增强型广播传输。
无线网状网络是一种无线通信系统，其中至少一个无线收发器不仅必须接收和处理其自身的数据，而且其必须作为网络中其他无线收发器的中继。这可由无线路由协议来完成，其中数据帧通过从收发器跳跃至收发器在网络内传播以便将数据帧从源节点传输至目的节点。无线节点可以是无线接入点，诸如无线路由器、移动电话或能够接入无线场局域网(FAN)的计算机。在其他应用中，无限节点可以是外部安全监测器、房间监测器、火灾探测器或烟雾探测器、气象站或用于家庭和商务环境的任何数量的其他FAN应用。
实际的网状网络必须为所有无线节点维持连续网络路径。这需要可靠的网络形成、围绕断开或中断的网络路径的重构以及优先化的路由，以确保数据帧沿着短而可靠的网络路径从来源行进到目的地。
图1示出了如在2013Wi-SUN联盟场域网工作组的0v79版本中所披露的现有技术的示例性无线场域网(FAN)，其全部内容通过引用合并于此。该FAN包括通过无线局域网(WAN)回程电路150在FAN内直接连接至互联网并且为网络节点提供服务的高层Wi-Fi控制电路160。该FAN还包括通过C的个人局域网(PAN)电路A。每个PAN通过对应的边界路由器节点(BR)100、120和130与WAN回程电路150通信。
PAN A是可与PAN B和C相类似的示例性网络。PAN A通过边界路由器节点(BR)100与WAN回程电路150通信。BR 100与中继节点(RN)102和叶子节点(LN)114直接通信。从而，BR100是RN 102和LN 114的父节点。RN 102是RN 104的父节点并且通过RN 104与LN 106间接通信。RN 102还与RN 108直接通信并且通过RN 108与RN 110间接通信。RN 108还与LN 112直接通信。RN 108是RN 110和LN 112两者的父节点。
一旦网络节点进入PAN，其可通过传输至父节点的上行链路、通过传输至子节点的下行链路或通过点对点传输与PAN的其他节点通信。针对每一种类型的传送的机制取决于网络是否支持周期性的信标的传输。如果网络产生周期性的信标，这些机制可由网络节点用来进行同步。可替代地，网络节点可以不需要同步并且可异步进行传输。然而，对于或者同步传输或者异步传输，网络发现仍然需要信标从而使得节点可首先加入PAN。PAN内的网络通信由介质接入控制(MAC)帧来完成。这些帧包括信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。
PAN节点使用载波侦听多路接入-冲突避免(CSMA-CA)以用于或者同步传输或者异步传输。同步传输对准具有相应后退周期的PAN信标。PAN内的异步传输在非时隙CSMA-CA信道上被传输。对于异步传输，节点在监听信道的同时等待随机后退周期。如果该信道忙，该节点在再次尝试接入该信道之前等待另一个随机后退周期。当该信道空闲时，该节点传输所期望的帧。无需CSMA-CA的对应的返回确认帧确认接收。
信道跳跃已被广泛用于在许多无线和有线通信系统中的网络节点之间进行通信。信道跳跃本质上涉及许多可用子载波间以不同时间实例在不同载波频率上传输信号。对发射器和接收器均已知的伪随机序列通常被使用从而使得所指定的接收器能在正确的信道上监听。这提高对于外部噪音的通信鲁棒性并且帮助抗干扰和防止窃听。多种技术(诸如蓝牙和数字增强无绳通信(DECT))结合信道跳跃机制。信道跳跃可通过许多不同的方法被实现。其中最普通的方法是如IEEE 802.15.4e限定的同步信道跳跃或时隙信道跳跃(TSCH)和异步非时隙信道跳跃，其全部公开通过引用合并于此。也存在使用这种信道跳跃MAC来定义MAC协议以用于不同应用(诸如Wi-SUN联盟FAN)的许多标准。
参照图2，存在针对网络节点A、B和C的非时隙信道跳跃图。在非时隙信道跳跃MAC中，每个节点选取跳跃序列并且根据序列使它们的接收器跳跃至不同的信道。在跳跃至下一个信道之前，每个节点在每个信道上花费指定时间间隔或停留间隔。存在许多种方法来跟踪PAN内的相邻节点的非时隙信道跳跃序列，如由Wi-SUN联盟所提出的FH-发现方法。
然而，存在若干各种信道跳跃通信系统可能发生的问题。到特定接收器的单播传输是在节点在接收器的信道中以CSMA-CA传输帧的意义上所指向的接收器。参照图3，例如，节点A具有正常跳跃序列1-2-3-4-5。节点B具有正常跳跃序列1-5-2-4-3。节点A在信道2上接收来自节点B的数据请求。节点A在信道5上响应地传输数据至节点B。节点B接收该数据并且在信道5上传输确认(ACK)至节点A。但是数据和ACK超出了信道5的停留时间，并且致使节点B暂时在信道2上放弃其正常跳跃序列。如果PAN的另一个节点根据其正常跳跃序列在信道2上传输数据帧至节点B，该帧将会丢失，因为节点B仍然在信道5上与节点A进行通信。
在PAN内进行广播传输期间，可能出现另一个问题。如图4所示，广播传输发生在广播监听时隙期间。每个节点播发其发射器指向的广播监听时隙，并且然后对广播传输感兴趣的所有其他节点能够监听播发的节点的广播信道。当设备监听另一个节点广播时隙时，其必须将其接收器调谐至所播发的广播信道。这要求该节点偏离其播发的单播信道。然后，该节点在完成广播信道监听之后恢复其单播信道跳跃，就像没有发生偏离一样。例如，当节点A监听由节点B进行的广播时，PAN中的其他节点将不会知道节点A已经挂起其单播调度。如果另一个PAN节点基于其播发的单播调度将帧传输至节点A，该帧将会丢失。
当对节点可以监听的广播信道的数量没有限制时，出现另一个问题。在这种情况下，节点可能花费其很多时间来监听广播信道。因此，它并不遵循其单播信道跳跃调度，并且可能丢失来自PAN内的其他节点的单播传输。当节点仅监听几个其他节点广播以最大化在其单播调度上的时间时，出现类似的问题。在这种情况下，它可能丢失需要的来自其他节点的广播数据。例如，节点可能丢失路由信息，如针对低功率和有损网络(RPL)帧的路由协议。从而，当可用时，该节点可能无法选择更好的父节点。一种解决方案是遵循针对所有节点的单个全局广播调度。但是这限制了到单个调度的广播传输，并且要求对所有节点的精确时间同步。
虽然现有技术的网络方案提供了对无线网络通信的稳定改进，本发明人已经认识到，仍然有可能对网状网络协议进行进一步的改进。相应地，下文所描述的优选实施例涉及对现有技术的这项和其他改进。
发明内容
在本发明的第一实施例中，披露了一种对无线通信系统中的网状网络进行操作的方法。该方法包括：将网络连接为父节点的子节点，并且接收来自该父节点的下行链路广播信道。该方法进一步包括将响应于该接收步骤将该下行链路广播信道设置为上行链路广播信道。
在本发明的第二实施例中，披露了一种对无线通信系统中的网状网络进行操作的方法。该方法包括将信标从第一节点传输至第二节点。该第一节点引导该第二节点设置与第一节点的下行链路广播信道相同的上行链路广播信道。
附图说明
图1是示出了现有技术的一种示例性无线场域网(FAN)的图；
图2是示出了用于各自的网络节点A、B和C的示例性信道跳跃调度的图；
图3是示出了根据现有技术用于网络节点A、B和C的非时隙信道跳跃可能发生的问题的图；
图4是示出了现有技术中在单播调度与广播调度之间的关系的示例性图；
图5是示出了根据本发明的由候选节点进行网络发现和PAN进入的流程图；
图6A是本发明的广播调度信元(BS-IE)帧；
图6B是示出图6A的广播调度类型位的图；
图7是示出了根据本发明用于节点A、B和C的单播调度与广播调度之间的关系的图；
图8A是本发明的个人局域网信元(PAN-IE)帧；并且
图8B是示出图8A的广播调度模式位的图。
具体实施方式
现在参照图5，图5是示出了根据本发明的由候选节点进行网络发现和PAN进入的流程图。当尝试连接PAN的候选节点开始被动扫描时，该方法开始于步骤500。该候选节点在步骤502接收来自PAN协调器的PAN信标，并且在步骤504请求连接PAN。该PAN协调器可以在步骤506授权或者拒绝该请求。如果PAN协调器拒绝该请求，则该候选节点在步骤500恢复被动扫描。替代性地，如果该请求被授权，则该PAN协调器在步骤508将该候选节点添加为子节点。在步骤510，该新添加的节点将该PAN协调器添加到其邻居列表中。然后，该节点将其自身的信标传输至该PAN。PAN进入完成于步骤514。
现在参照图6A，图6A是本发明的广播调度信元(BS-IE)帧。此帧是对始发或播发节点的广播调度进行标识的信元或信标。多播数据或路由需要广播传输。例如，RPL路由依赖于广播消息来形成路由。不像常规的系统，非时隙信道跳跃网络中的广播传输仅在指定广播周期期间以特定频率发生。从而，传输和接收广播必须是同步的才能成功。网络节点通常使用用于至网络邻居的传输或用于路由发现过程的上行链路广播。
BS-IE的广播间隔(BI)字段是用于指示播发节点的广播调度内的广播停留间隔之间的以毫秒为单位的持续时间的32位(4个八位元)的无符号整数。广播调度标识符(BSI)字段是被设置为与PAN中目前使用的广播信道跳跃序列相对应的BSI值的16位(2个八位元)无符号整数。停留间隔(DI)字段是被设置为在其期间节点在节点的跳跃调度的每个信道上都是活动的时间(以毫秒为单位)的8位无符号整数。时钟漂移字段是被设置为报告节点的用来测量其跳频DI的最坏时钟漂移的情况的8位无符号整数。定时准确性字段是指示由节点生成的高达10毫秒分辨率的时间值准确性的8位无符号整数。信道计划字段是指示节点的信道计划的源的3位无符号整数。信道功能字段是指示节点的信道功能的源的3位无符号整数。排除信道控制字段是指示在BS-IE中是否存在排除的信道的2位整数。信道信息字段具有可变的大小，并且指示特定细节，包括信道间距、信道数量、信道跳跃计数、信道跳跃列表以及排除的信道范围。
现在转至图6B，图6B是示出了根据本发明的图6A的广播调度类型位的图。如前所述，广播调度标识符字段是被设置为与PAN中目前使用的广播信道跳跃序列相对应的BSI值的16位(2个八位元)无符号整数。前2位指示广播调度(BS)类型。剩余的14位指示PAN中当前所用的广播信道跳跃序列。该BS类型字段被设置为00以指示广播信道用于上行链路通信和下行链路通信。其被设置为01以指示广播信道仅用于上行链路通信，并且被设置为10以指示该广播信道仅用于下行链路通信。
当网络节点接收到来自父节点(502，图5)的BS-IE帧时，其设置其上行链路广播信道为父下行链路广播信道(510，图5)。这在图7的图中进行了展示，其中，节点A是节点B的父节点，并且节点B是节点C的父节点。如果节点A直接与PAN的BR节点进行通信，其将其上行链路广播信道(广播_上行)设置为与BR节点的下行链路广播相同的时间和频率。节点A还选择CH4与CH1之间的下行链路广播信道(广播_下行)。节点B将其上行链路广播信道(广播_上行)设置为与节点A的下行链路广播相同的时间和频率。节点B还选择CH1与CH3之间的下行链路广播信道(广播_下行)。节点C将其上行链路广播信道(广播_上行)设置为与节点B的下行链路广播相同的时间和频率。节点C还选择CH3与CH4之间的下行链路广播信道(广播_下行)。此过程出于若干种原因是高度有利的。首先，它假设子节点将不会丢失来自其父节点的下行链路广播。该子节点将使用CSMA-CA在父节点下行链路广播期间传输上行链路广播。因此，如果存在父下行链路广播，该子节点将接收到它。第二，该子节点可以选择任何下行链路广播调度或者重新使用现有的上行链路广播调度。第三，在网络节点进入PAN并且传输其自身信标(512，图5)之后，所选择的广播调度连同信道跳跃模式被传达至其他网络节点。第四，每个网络节点可以选择具有与其上行链路广播调度相同的下行链路广播调度。在这种情况下，所有的网络节点共享公共广播调度，并且网络维护和实施被大大简化。最后，每个节点可以独立地选择不同的广播调度以最大化广播信道多样性。
在本发明的一个替代性实施例中，边界路由器(BR)节点可以针对PAN的网络节点指定广播操作模式。图8A的图是个人局域网信元(PAN-IE)，其为根据本发明的MAC命令帧的一部分。PAN大小字段是被设置为通过BR进行通信的PAN节点的数量的16位(2个八位元)无符号整数。路由成本字段是被设置为对从节点到BR的路由路径的逻辑距离或节点数量的估计的8位无符号整数。使用父节点BS-IE字段是指示接收节点是否必须传播父节点的BS-IE的1位信号。如果该位被设置为1，则接收节点必须使用如由父节点的BS-IE所指示的父节点的广播调度。如果该节点被设置为0，接收节点可以在对应的BS-IE中创建其自身的广播调度。路由方法字段是指示PAN是否是2级或3级网络的1位信号。EAPOL准备就绪字段是指示传输节点是否可以接受EAPOL认证消息的1位信号。6位保留字段中的一个位用来指示接收节点的指示的广播(BS)模式。如图8B中所示出的，此1位字段被设置为0以指示广播信道是全局唯一的。在这种情况下，PAN的每个节点使用相同的上行链路和下行链路广播周期。替代性地，如果BS模式字段被设置为1，则接收节点针对其上行链路广播周期选择父节点下行链路广播周期，并且自行选择下行链路广播周期。当节点针对上行链路方向和下行链路方向选择不同的广播调度时，它还应该周期性地针对每个调度交换定时信息，从而使得其他节点可以分别遵循不同的调度。
节点可以选择多于一个的上行链路调度。如果是，它应当通过其消息交换通知所选调度的其他PAN节点。然而，优选的是将不同上行链路BS-IE的数量限制为节点可以监听的数量，限制为最多两个以保持网络管理易于处理。具体而言，如果网络节点选择多于一个的下行链路广播调度，那么子节点应当被通知从而使得它们能够遵循所有的父下行链路广播。节点还可以改变其监测的不同的BS-IE，并且然后在其配置信标中对该BS-IE进行播发。例如，节点可以从新的节点获得信标并且决定跟随新的节点，同时仍然遵循其父节点。在这种情况下，节点应当遵循其优选的父下行链路调度，同时也遵循替代节点的广播调度。不久后，设备可以选择改变父节点或者停止监测替代节点的调度。
当节点在其上行链路BS时隙中接收广播帧时，它向下一个更高层(NHL)指示该广播帧。NHL然后可以选择在其下行链路BS时隙中发送该帧以确保不同组节点实际接收该广播帧。因此，NHL应当因此指定是否将在上行链路或下行链路广播周期内传输广播帧。
在上行链路广播周期期间接收的数据包来自接收节点的父节点。因此，它应当在接收节点下行链路周期内进行重播以保证节点的子节点接收到广播帧。同样地，当在节点的下行链路广播周期期间接收广播帧时，应当执行互操作。由于这个帧来自子节点，其应当被重播至PAN中的节点的子节点的其他子节点。
仍进一步地，当多个示例已经因此被提供时，本领域技术人员应当认识到可以对所描述的实施例进行各种修改、替换或变更，同时仍然落入由以下权利要求书所限定的发明范围内。例如，尽管本发明的优选实施例应用于有向非循环图或树状网络，它们可以容易地适用于任何网络拓扑。其他组合将容易地对可以获得本说明书的本领域的普通技术人员而言是显而易见的。
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