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TWI477171B - 用於無線多跳型網路之節點的網路介面單元及在無線多跳型網路之節點間建立網路路徑的方法 - Google Patents

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TWI477171B
TWI477171B TW098118249A TW98118249A TWI477171B TW I477171 B TWI477171 B TW I477171B TW 098118249 A TW098118249 A TW 098118249A TW 98118249 A TW98118249 A TW 98118249A TW I477171 B TWI477171 B TW I477171B
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TW098118249A
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Bozena Erdmann
Armand Michel Marie Lelkens
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Koninkl Philips Electronics Nv
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Description

用於無線多跳型網路之節點的網路介面單元及在無線多跳型網路之節點間建立網路路徑的方法
本發明描述一種無線多跳型網路(較佳的是網狀網路)之節點之介面單元，及在無線多跳型網路(較佳的是在一ZigBee型網路)之諸節點間建立網路路徑之方法。
以自我組織方式操作之多跳型網路可應用於許多領域，例如工業控制、大樓自動化、嵌入式感測等。該網路中之裝置以無線方式彼此通信，其使用低功率、低成本之無線電。此允許更自由放置裝置，這是因為主要連接對於無線裝置間通信是不需要的。
該種網路之無線控制標準是由ZigBee聯盟開發之ZigBee標準，其被快速建立。該ZigBee標準描述使用低功率數位無線電之裝置間之大量通信，且係基於IEEE 802.15.4標準，該標準繼而為無線個人區域網路(WPAN)指定實體層(PHY)及媒體存取層(MAC)。
一多跳型網路之實例可為一具有各種裝置(例如燈、開關、通風機、運動感測器等)的大樓自動化網路。此等裝置，其中每一個都是一個網路「節點」(亦即裝備有一無線介面)，可自我組織成為一個網路，該網路中一裝置作為協調器，其他裝置作為「路由器」或「終端裝置」。一路由器，相較於一終端裝置，作為中間節點而從一節點傳遞訊息到另一節點。例如，一房間中的多個燈可為終端裝置，其受控於一具有路由器功能的開關。
在此無線網路中之裝置或節點藉由交換訊框形式之訊息或網路命令進行通信。訊框之結構以合適規範安排佈置，例如，一個訊框通常包括一資料標頭、一有效負載，在訊框之特定「位置」的某些欄位可通知接收者被傳遞之命令的類型。因為用於此類低功率、低成本之網路中之發送器的無線範圍是有限的，所以訊息可以藉由使用中間裝置，以一被稱作「多跳」選路的方式，從一發送裝置發送至一遠端接收裝置。目標節點位置越遠，傳輸訊息所需「跳」的數目將越多。在發送一訊息到目的節點(也被稱作目標節點)之前，一源節點(也被稱作發動者節點或發端節點)必須首先建立一網路路徑到該目標或目的節點，亦即其必須首先發現到該目的節點的選路。在一多跳型網路中，一源節點可在任何數目之可能選路上連接到一目的節點。顯然，一具有少量中間節點的選路(因而具有少量「跳」)，每個節點均有滿意的鏈結品質，其優於一具有更多跳或更弱鏈結的選路。許多技術被開發，以幫助確定源節點到目的節點的最佳選路。
使用現行標準，例如使用AODV(特別隨選距離向量)選路技術執行的選路發現是一非常耗費資源的任務。選路請求命令(RREQ)儘管事實上可能已到達其目的，仍然從源開始在規定半徑(在TCP/IP網路中被叫做存活時間(TTL))上被每個路由器重新廣播。此外，用於提高廣播可靠性，尤其是用於基於共用媒體之通信(例如多跳無線)的技術，進一步提高單選路請求封包的數目。一實例是用於ZigBee標準之被動確認技術，其中一路由器在重新廣播一RREQ封包之後，於一給定時間中追蹤是否所有臨近路由器進一步將其重新廣播，若至少一個沒有進一步廣播，則該路由器重新發送該RREQ封包。此外，在一具有更好路徑成本之路徑上接收到一相同之RREQ封包時，該封包必須再重新廣播。顯然，每條訊息亦將到達許多節點，對於該等節點來說，該訊息可能是不需要的，例如，該等節點遠離於源及目標節點，且不位於該等節點中。結果是一大量突發訊務，被稱作一「廣播風暴」，其可能(在大型網路中)持續數秒。由於對頻寬及因一單選路發現請求所觸發之大量訊務的限制，封包可能碰撞以致於請求及回應沒被傳輸，而請求可能失敗。即使該選路請求傳輸是成功的，廣播風暴造成的碰撞及媒體佔用可能會阻塞目的確認選路回應封包(通常沿著所發現路徑單播至該源節點)到達源節點，以致選路發現最終失敗。此將強迫發動節點重複整個選路發現程序，亦即開始另一個廣播風暴。
此外，根據現行標準之選路發現必須針對每個源目的對獨立執行，亦即，每次在一節點需要另一節點之選路時將觸發一廣播風暴。對於一需要建立選路到其他多節點之節點，此會引起一動作(例如在照明控制網路掀動一個開關)與預計反應(打開所有受控於此開關之燈)之間之明顯延遲。而且，由廣播風暴產生之大量訊務不僅導致選路發現過程效率低下，而且其還能阻塞重要應用層命令，使此等命令需要再次發送。
明顯地，一消除該等選路發現之低效率之方法是使得網路中每個裝置清楚自身在網路樹或網格之位置或地理位置，及該裝置應將其命令或資料封包所發送到的該等裝置之位置。明顯地，該資訊在每次裝置移動或重置時會改變。人工配置該等位置資訊係不合實際的，尤其是在大型網路中，此等糾正措施甚至可能需要每天實行，導致大量維護及一不可接受之成本因素。此外，必須提供路徑資料或使用特定基於位置的選路演算法。另一方面，樹選路機制通常導致太長，因此次優及潛在超載的選路，若一節點在選路(暫時)失敗則沒有備份可能。由ZigBee實施之該樹選路機制基於Cskip樹定址方法，該定址方法限制可能網路拓撲且對於較大型網路是不實用的。其他基於樹之選路機制需要大量通信及計算投入以建立及維護重疊樹形結構。對於後者，自我組織無線網路之優點(靈活性及易用性)將有效地被抵消。明顯地，樹選路是一不實用之解決方法。
因此，本發明之目的是提供一種在一多跳型網路中執行選路發現同時避免上述所列問題之更有效方法。
為此目的，本發明描述一無線多跳型網路(較佳的是一ZigBee網路)中一節點之網路介面單元，該網路包括複數個節點，該等節點可藉由源節點與目的節點之間之網路路徑而連接，其中一從源節點到目的節點之網路路徑被建立，該網路路徑可能經過一些中間節點。該網路路徑由一些鄰近節點(在下文中，一網路路徑可能被簡單稱作一「選路」)間之若干實體連接組成。通常，在一多跳型網狀網路中，一源節點與一目的節點之間具有許多中間節點，但是也可能出現一源節點是一目的節點之直接鄰居，使得不再需要中間節點(這樣即不必執行任何選路發現)。根據本發明之該網路介面單元包括集合多選路請求訊息之一多選路請求集合模組，使得一源節點之多選路請求訊息包含特定多個目的節點之複數個位址，該等網路路徑即建立在該等節點上。該網路介面單元還包括一用來發送訊息到該無線多跳型網路單元之其他節點之發送單元。
從網路中選路發現的角度來看，一節點可為選路開始處之一源節點，在選路結束處之一目的節點，或一源節點與目的節點間之中間節點。一源節點藉由廣播稱為「選路請求」之網路層命令發動選路發現程序。一目的節點是一具有在選路請求中之指定位址之節點。一中間節點是接收(並重發)該選路請求訊息之任何其他節點，作為選路上介於源與目的之間之一潛在節點。如上所述，在最先進的選路發現中，一選路請求被限定在發現單一目的路徑，使得該網路由於每個選路被建立而必須至少被充溢一次。因此，在一包含數百個節點或更多，每個都有數個應用層連接之大型網路中，將會有數千選路發現之廣播風暴，因此會有效阻塞或嚴重妨礙網路中之其他訊務。此外，對於包含數百節點之大型網路，一個廣播風暴可以持續數秒，若對一目的之選路發現是不成功的，例如，由於仍在重新廣播之選路請求訊息與單播選路回覆封包間之碰撞，或另一個發端之廣播風暴與該封包間之碰撞，使整個選路發現程序可能需要重複，給網路帶來甚至更大之不穩定。
由於有根據本發明之網路介面，一源節點之選路請求含有建立該源節點與複數個目的節點而不是一個目的節點之間之網路選路所需要之資訊。使用根據本發明之網路介面，使用一單選路請求建立從源節點到複數個目的節點之選路，因此只觸發一單一廣播風暴，亦即該網路只需被充溢一次。一明顯優點是網路中之訊務維護量之減少(一個選路請求廣播風暴代替許多)，因此整體上改良網路之可靠性。另一明顯優點是相當時間被節省，因為一源節點可以一單一請求建立到多個目的節點之選路。任何攔截選路請求之中間節點可相應地作出反應(此將在下文描述)當其偵測到多個選路被該源節點請求時。根據本發明之該網路介面之另一種可能優點是諸節點可發送較少封包，因此在電池供電裝置情況下節省電池電能。尤其在一信標致能網路之情況，節點僅當一訊息被傳遞時才啟動，藉由根據本發明之網路介面造成的訊務之減少因允許電池供電之節點較快轉到睡眠或休眠狀態，故在相當程度上可延長節點之壽命。
一種在無線多跳型網路一源節點及多個目的節點間建立一網路路徑之合適方法，包括集合一多選路請求訊息之步驟，該多選路請求訊息包含該等網路路徑將建立在其上的特定多個目的節點之複數個位址。該方法進一步包括發送該多個選路請求訊息到該無線多跳型網路中之其他節點。
至少一些節點，較佳的是網路中之所有路由器，應該可恰當處理多選路請求訊息，例如在網路介面中合適的多請求處理模組中。
相依請求項及隨後的說明揭示本發明之特定較佳實施例及特點。
在下文中，不以任何方式限定本發明，一無線多跳型網路將被假定為一ZigBee網路，其符合ZigBee 2007標準，具有一ZigBee協調器(ZC)、若干ZigBee路由器(ZR)、及若干ZigBee終端裝置(ZED)。當然，本發明絕不是僅僅限定在該標準上，而是可使用其他標準，例如IEEE802.11或未來發展之ZigBee標準。在下文中，術語「裝置」及「節點」還可交換使用。下文使用之特定術語，例如網路封包負載中個別欄位之名稱或應用層變數之名稱應為熟悉標準(例如ZigBee標準)之技術熟悉者所熟知。根據本發明之該網路介面及該方法所需之新增術語或欄位皆會被指出。
在一ZigBee網路中，當一發端裝置發送一選路請求時，其中該發端裝置可為ZC、ZR之任一者，選路發現被發動。ZED不發送選路請求，但是單純地發送資料給其等之親裝置，然後該親裝置發端該選路請求。然而，只有ZC及ZR能作為中間節點；ZED不參加選路及選路發現。一選路請求為一資料封包，其結構係由ZigBee標準所定義。根據本發明建立網路選路之網路介面及方法提議改寫選路請求封包結構，以允許多個選路指定在一單一封包負載中。本發明提議改寫標準選路請求(RREQ)訊息以包含在一新的「多選路請求(MREQ)」訊息中之多個目的之資訊。因此，在本發明之一特定較佳實施例中，一網路命令負載之先前未使用命令選擇(Command Options)欄位之位元(位元7)被用來指出(在該封包中)到多個目的之選路受到請求。本發明提議稱呼該位元為「多選路請求」指示符位元或旗標，「MR」是其簡寫。若該MR位元或旗標在該網路命令負載之CommandOptions欄位經設定，一接收到此命令封包之網路介面將作出相應反應，這將在下文解釋。
除了多選路請求訊息之Command Options欄位中新指定的「多選路請求」指示符位元，使用根據本發明方法集合的該網路命令負載還包含一「多請求(Multiple Requests)」欄位，其宜包括一位元組。此新欄位指定待發現之單播選路及多播選路之數量。例如，該「Multiple Requests」欄位之四個位元可被用來指示有多少個單播選路待發現，而該「Multiple Requests」欄位之其餘四個位元可指示多達15個多播選路待發現。單播及多播目的之總數量最終係被設置在封包負載大小上之界限所限定。如適當標準之規劃，一網路命令負載被限定在最大81位元組(若網路層安全被使用)及99位元組(若網路層安全沒被使用)。每個單播目的需要一共多達12位元組(兩個位元組用於短位址，八個位元組用於長位址(若已知)，一位元組用於路徑成本，一位元組用於選路請求ID)，而一多播目的需要4位元組(因為一多播目的無長位址，只有短群組位址)。在一較佳實施例中，一單一路徑成本欄位可被用於所有多選路請求，而不是每個目的有一個路徑成本欄位。這樣，負載可以容納更多目的。
負載與封包之集合被網路層基元觸發，該網路層基元傳遞所需參數(例如多播位址清單、單播位址清單、每個單播及多播選路之數量等)到一訊框集合模組以填充訊息訊框及負載中的合適欄位。然後，其為所有請求目的生成各合適的選路表項目。然後，所集合訊息被傳遞至較低各層用來發送。所集合訊息然後經由廣播(或受限制廣播)被網路介面之發送單元發送至網路中。
明顯地，根據本發明之該新多選路請求訊息，在下文也被稱作「MREQ」，必須由任何接收該訊息之節點正確解讀。因此，在一根據本發明之網路介面單元之特定較佳實施例中，當一多選路請求訊息被一中間節點接收且該「多選路請求」指示符位元已被設定時，每個多目的節點之選路表項目及每個RREQ ID之選路發現表項目係由含在多選路請求訊息之中的每一目的節點位址之中間節點所生成。此等表項目後來被中間節點使用，例如其可發送一回應到正確節點上。此等表項目之目的與用途應為熟悉此項技術者所熟知，被適當標準定義，此處不需要詳細解釋。應留意，對於一MREQ訊框而言，一多請求之一目的同時亦是其他目的之一中間節點。因此，緊接在生成以自身為目的之RREQ選路回覆訊息之後，該節點還應該生成選路表項目及其他目的之選路發現項目，並重新廣播該命令，像任何其他中間節點一樣。該節點在重新廣播之前可從目的清單中將自身移除，以達成最佳化。
為了更加有利地使用本發明之理念，可以主動發現至「重要」裝置之選路。例如，在多對一選路情況下，一集中器(例如一橋接器或閘道器)可能「知道」基礎裝置(例如一ZigBee協調器、一連結快取、一網路管理器、一認證中心等)。因為此等節點最有可能對網路中許多其他節點感興趣，所以該集中器可使用一單一選路請求主動為所有此等裝置建立選路。
一些裝置可能有多應用層連接，因此需要建立多網路層連接，例如，一ZigBee開關及許多受控(例如啟動或停用)於該開關之ZigBee裝置。例如，一燈開關可具有「屬於」該開關的應用層連接至燈或燈具上(通常燈在同一房間)，而(例如)另一HVAC(加熱、通風及空調)控制器可具有應用層連接至一辦公大樓等之數個房間中的各空調單元。使用本發明之方法，此一開關可快速發現其所有裝置的選路。取決於屬於該開關之裝置的數量，即網路封包負載所應包含位址的數量，該開關可能需要一個或更多個多選路請求。
顯然，為發現其所有應用層連接之選路，該發端裝置必須知道各合適位址。因此，在本發明之一進一步較佳實施例中，該無線多跳型網路中一節點之網路介面包括一配置介面，藉由該配置介面可提供其他功能性相關之指定節點的位址給該節點。例如，藉由一合適介面，呈連結資訊形式之數位資料可以被下載至該裝置之一記憶體，然後儲存備用。
如導言所述，由於網路中的碰撞，最先進的廣播風暴可能會無法在一源節點與一目的節點間成功建立一選路。甚至當一選路請求成功到達一目的節點，且此目的節點發送一單播選路回應以確認該選路，當選路回應訊息與媒體碰撞或由於選路請求仍然被網路中其他節點廣播而不能存取媒體時，選路發現仍有可能失敗。因此，在本發明之一特定較佳實施例中，該網路介面經實現以向一源節點至少發送兩次選路回應訊息，使得以一特別簡單但是有效之解決方案，使選路回應成功到達源節點的機會顯著增加。該等重複宜可在時間上分離，例如被一合適之重複間延遲值所定義。發送一訊息將重複之次數被指定為一合適變數(例如稱為「nwkRouteReplyTransmission」)，可被定義為一重複計數值，例如三次或四次。發送一訊息之重複時間間隔指定為一合適變數(例如叫做「nwkRouteReplyTimeout」)，(例如)可設定為0.5秒。
在本理念之進一步發展中，該網路介面單元較佳地被實現以在一延遲之後發送一初始選路回應訊息。藉由在發送一選路回應前等待一短暫間隔，廣播風暴在強度上(至少在回到選路請求源的路上)下降之機會較大，降低一選路回應由於碰撞或媒體忙碌之失敗可能性。該延遲值可為一預先定義或是一配置值，可被一合適變數指定，根據本發明之網路介面若預先定義，其可有一固定值或一取決於網路大小或其他網路參數(例如路由器之子路由器之最大數量nwkMaxRouters)或取決於對於節點可用之其他資料(例如在其鄰近之路由器密度)。該提議變數可能被稱作(例如)「nwkRouteReplyDelay」，其可衍生自ZigBee標準定義的已在使用之變數。一實例是其可能是一已經使用於控制程序之變數，例如應答超時、廣播重試、重試間隔等。例如，nwkRouteReplyDelay變數之一固定值可能由以下等式獲得：
nwkRouteReplyDelay=2‧nwkPassiveAcktimeout‧nwkBroadcastRetries
而一網路相依值可能被給定為：
nwkRouteReplyDelay=nwkMaxDepth‧nwkcRREQRetryInterval
其中變數nwkPassiveAcktimeout、nwkBroadcastRetries、nwkMaxDepth及常數nwkcRREQRetryInterval係由ZigBee標準定義。
該網路介面宜包括一儲存媒體，例如一儲存該等資料變數之小記憶體。例如，該記憶體可儲存複數個目的節點及/或一重複發送一訊息之次數之重複計數值，及/或一延遲值，藉由該延時值而在發送一選路回應訊息之前優先發送(例如)一選路回應訊息。
顯然地，該重複發送選路回應及/或延遲發送選路回應沒有限定在一多選路請求之回應上。事實上，此等方法可獨立於一多選路請求之外應用，例如，最先進的ZigBee多跳型網路的狀態，其使用已知(單一)選路請求命令建立選路。尤其對於該種網路，其可達到節省相當時間及能量。該網路由於碰撞導致選路請求失敗需要被再次充溢之可能性將頗低，該多跳型網路之裝置不太可能在重複選路請求上花費能量。
一般言之，選路被反應性地發現，即當需要其等時。只要一選路沒有斷(例如當一中間節點失效時)，此選路被認為是有效的。顯然地，此一以前建立之選路之某些或所有部分可被另一對發動及目的節點重新使用，使得在該節點對之選路發現步驟中，整個網路不需要被充溢。因此，在本發明之進一步較佳實施例中，當接收節點已經是一先前建立至選路請求中指定之目的節點之網路路徑之一部分時，接收到一選路請求訊息之一節點之網路介面單元被實現以發送一選路回應訊息到選路請求之源節點。因此該接收節點無須進一步廣播選路請求，因為使用已經建立之到目的節點之路徑，一完整路徑將在源節點與目的節點之間被發現。這樣，廣播風暴可在該點停止，因此，該選路發現過程被有效縮短。
另一種減少廣播風暴之持續時間之方法是減少重發選路請求之中間節點之數量，亦即，藉由限定廣播風暴之範圍。因此，在本發明之進一步較佳實施例中，該網路介面單元經實現使得被一源節點發送之選路請求訊息之廣播半徑被限定在先前定義之範圍。該範圍可能是重發訊息之中間節點之數量，這樣，例如，廣播半徑為3，一選路請求可被3個中間節點重發，亦即，在第三個中間節點停止經過網路之路徑之前該訊息有3個「跳」。在一選路因為目的節點在廣播範圍之外而選路無法建立之情況下，此半徑可以擴大直到一目的節點被發現，選路被建立於該源節點與目的之間。
一無線網路可包括具有不同網路介面之裝置或節點，例如，一些裝置可具有根據本發明之網路介面，其餘裝置可能有尖端技術之網路介面。然而，為最大限度利用此處描述之網路介面的優點，一無線多跳型網路較佳包括裝置或節點，其中每個裝置或節點都有一能夠應用本發明之方法之無線介面。
本發明之其他目標或特點將在下面結合附圖之詳細描述中變得明顯。然而，應瞭解該等圖式僅出於闡釋性目的而不是作為限定本發明之定義。
在圖中，全部相同數字指的是相似之物件，圖中之物件不需要根據比例繪製。
圖1顯示一包括630個ZR節點之先前技術網路中選路請求(RREQ)訊息之傳播；每個「+」表示被一節點廣播之一RREQ訊息。其縱軸表示源節點發送之初始RREQ訊息與一特定節點發送RREQ訊息之時間間隔，而橫軸表示特定節點到源節點之距離，單位為米。如圖所示，廣播風暴在強度上增大直到離源節點最遠之最後節點轉發RREQ訊息。直到到達此等節點，3.5秒過去了。在此段時間，該網路被RREQ訊息充溢以致於其他應用訊息或此RREQ之選路回應訊息可能都無法通過。
圖2a根據本發明之一第一實施例示意顯示一多選路請求網路命令MREQ之結構。如導言所述，從一節點發送至另一節點之一網路命令包括一網路標頭1及一網路負載2，如熟習此項技術者將所熟知。一網路命令訊框被網路層訊框集合器所集合，回應於一NLME-MULTIROUTE-DISCOVERY.請求基元。縮寫「NLME」代表「網路層管理實體」服務存取點。如熟習此項技術者所應知，此一基元指定欄位值或參數被該基元所發送之層使用，以處理及/或構建訊框。下面是根據本發明之變數清單，由基元傳送至訊框集合器：
其中DstAddrMode包括兩個位元組，該兩個位元組指定提供之目的位址之種類及數量。位元3至0指定多對一選路發現之16位元目的位址之數量，位元7至4指定多播群組之16位元網路位址之數量，位元11至8指定16位元個人裝置之位址之數量，位元15至12是保留備用。變數ListOfMany-to-OneAddresses含有諸多對一位址之一清單。該NoRouteCache是一布林值，代表當多對一選路待被發現時，一選路記錄表應被建立(TRUE)或不需建立(FALSE)。變數ListOfMulticastAdresses及ListOfUnicastAddresses含有位址清單，變數Radius則是一可選參數，其指定網路中選路請求所應執行之跳之數量。
使用基元提供之資訊，一訊框集合器集合一具有標頭1及負載2之多請求訊息MREQ，如圖所示。為了說明，不同功能巢狀區1、2、3、4用不同陰影表示出來。該訊息標頭1包括許多提供控制及安全資訊等等之欄位。該負載2被一長度為1位元組之Command Identifier欄位20指示，以指示接下來之內容3是一命令負載3。該命令負載3開始於一長度為一位元組之Command Options欄位30，其接著係根據本發明之一長度為一位元組之Multiple Requests欄位31。該Command Options欄位30及Multiple Requests欄位31之內容被顯示在該圖較低部分。該Command Options欄位30之前七位元，亦即，位元0至6被用符合於ZigBee標準之通常方式解譯。根據本發明，此Command Options欄位30之最後位元，位元7現在被用來指示命令負載3包含多個請求。下面Multiple Requests欄位31之前四位元指示單播選路之數量，剩餘四位元被用來指示待由此多選路請求MREQ訊息發現之多播選路之數量。網路訊框負載之大小在ZigBee-2007中被限定在總共82位元組，因此使用根據本發明之多選路請求可發現之單播及多播選路之數量也被限定。因為網路Command Identifier、Command Options、Multiple Requests欄位需要三位元組，所以79位元組的負載留給單播/多播選路請求。
負載2剩餘之第4區包括請求ID、路徑成本及單播選路請求及多播選路請求之位址資訊。
在此實施例中，每個單播選路請求一共需要時二個位元組，一個RREQ識別符位元組40，二個目的位址位元組41，一個路徑成本位元組42，及八個目的IEEE位址位元組43。為了每個單播選路被發現，此等四個欄位之樣式被重複。六個單播選路可被負載容納，需要最大72個位元組。相似地，因為每個多播選路請求一共需要四個位元組(一個RREQ識別符位元組44，兩個目的位址位元組45，及一個路徑成本位元組46)，可被負載容納之多達15個多播選路請求需要一最大為60個位元組。為使每個多播選路被發現，此等三個欄位之樣式被重複。為簡潔起見，圖中只有第一單播請求或多播請求欄位被計數。
當Command Options欄位30之「位元7」被設定，亦即，「1」，其通知該中間節點接收該封包，接下來之欄位31是一Multiple Requests欄位31。該中間節點此時可為每個將被發現之單播及多播選路生成路徑表項目及發現表項目。實際上，藉由設定Command Options欄位30之「位元7」，該源節點通知中間節點負載內容不同於標準選路請求(RREQ)負載，因此中間節點將相應地反應。
如上所述，網路訊框負載之大小被限定在總共82個位元組，因此可被發現之選路數量也被限定。然而，在一替代實現例中，選路之總數量可以增加。如圖2b所示，負載之整體結構基本上保持相同。然而，不是每個單播選路請求及多播選路請求有一個專門之路徑成本欄位，就像圖2a中之實例之情況，一單一路徑成本欄位48可被使用。一單播選路請求此時只需要一個RREQ識別符位元組40，兩個目的位址位元組41，及八個目的IEEE位址位元組43，同時一多選路請求只需要一個RREQ識別符位元組44及二個目的位址位元組45。此意味著七個位元組可被節省，允許一個額外的單播選路得以被發現。再次，每個待被發現之單播及多播選路之總數量被指定在上述圖2a描述之Multiple Requests欄位31中。
使用根據本發明之方法之優點，該網路負載還可用在多對一選路發現上，例如，在一期望在一些重要裝置之前建立選路之閘道器裝置的情況。負載2之結構在圖2c中顯示。該Command Options欄位30之第三及第四位元被設定以指示多對一選路被執行。該Command Options欄位30之最後一位元指示多請求將被處理。下面Multiple Requests欄位31之前四個位元現在指示多對一選路被建立之節點之數量，而其餘四個位元則未被使用，該長度為1位元組之Path Cost欄位32指示源，亦即，該設定集中器之成本，而一個位元組長度之RREQ識別符欄位33，與網路標頭之源位址一起，唯一地識別該RREQ封包。其餘負載被所需多對一節點之位址使用。再一次，每個選路請求一共需要10個位元組，兩個源位址位元組41，及八個源IEEE位址位元組42，這樣多達七個多對一選路可被建立在一個MREQ訊息中。再一次，為使每個選路被發現，此等欄位之樣式被重複，只有前兩個欄位40及41在圖中被編號。多對一選路可被主動建立，較佳的是在裝置之後，例如一集中器、橋接器、閘道器等發現其等之後。根據上述描述，接收到一MREQ命令與多個多對一目的，所有集中器範圍內之節點為多個多對一選路目的之每一者創建選路表項目。
正如已經解釋，根據本發明之方法由於具有中間節點已經在到需求目的之選路上，可減少廣播風暴強度，發送一選路回應直接到該源節點。該選路請求不需要被該等中間節點再次廣播。為允許此種選路重新使用，根據本發明之方法，在一選路請求訊息(MREQ或甚至RREQ)中之FrameControl欄位之DiscoverRoute旗標被設定為「11」。此圖示於圖3a中，其顯示一具有FrameControl欄位50之一選路請求訊息MREQ，其包括兩個八位元位元組，位元6及位元7，當被設定時，其指示需要選路重新使用。根據本發明之方法此等位元之使用被交叉斜線之陰影指示。當此等被設定之位元被接收該選路請求之一中間節點偵測時，且其已經有一到指定目的之選路時，該中間節點相應地集合一選路回應RREP。圖3b之上部顯示一先前技術Command Options欄位60'，其中前四個位元0-3是備用的。根據本發明之一集合選路回應之Command Options欄位60，顯示於圖3b之下部，位元3被設定以顯示由該中間節點提供之選路是一次優選路。根據本發明之方法該位元之使用由交叉塗畫斜線表示。
圖4a顯示一些裝置D、D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc 在一無線網路WN之可能佈局中之圖示。每個裝置D、D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc 具有一ZigBee相容網路介面10，其允許在無線多跳型網路WN中發送及接收訊息，因此其可與其他裝置D、D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc 交換訊息。在此實例中，該裝置D是一運動感測器形式之開關或任何可偵測一房間中一人存在之存在偵測器，其可控制照明器具D1 、D2 、D3 。該等照明器具D1 、D2 、D3 包括一功能多播群組G及具有一群組位址。該無線網路中其他裝置Da 、Db 、Dc 可為燈感測器、恆溫器、通風器等。為簡單起見，照明器具D1 、D2 、D3 及開關D可被假定在同一房間內，但是其他裝置可安排在任何地方。此實例被有意保持簡單，熟習此項技術者將會知道一無線多跳型網路可包括數百甚至數千個節點或裝置。
圖4b顯示一圖4a中之無線網路之多跳型網路示意圖。該示意圖顯示被建立在裝置D、D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc 之間之網路路徑或選路。在此方案中，該開關D(存在偵測器)建立網路路徑到受控於該開關D之群組G(該等照明器具)及另外裝置Da 、Dc (一HVAC裝置)。該等照明器具D1 、D2 、D3 及該HVAC裝置Dc 不是直接在開關D之範圍內；從D到G之群組成員之選路經過Db 到最近之群組成員D1 ，其在成員模式中被多播發送至D2 及D3 ；而從D到Da 之選路是直接的，從D到Dc 之選路經過Db 及D2 。在一先前技術選路發現程序中，為建立此等選路，源節點D將連續兩次用一選路請求(RREQ)充溢該網路WN，每個目的G、Db 及Da 各一次。在根據本發明之方法中，源節點D可用兩個單播位址(針對裝置Db 及Da )集合一多選路請求訊息，一照明器具群組G之多播位址包括裝置D1 、D2 、D3 。
根據本發明一網路介面10之非常簡化方塊圖顯示於圖5中。必須強調只有現關於本說明書之該等方塊或單元被指示，一熟習此項技術者將知道任何其他模組或單元被需要於一合適之功能網路介面。此處，一訊框集合單元11可集合一訊框，例如，一多選路請求MREQ或一選路回應RREP，取決於藉由被網路介面10合併之節點所實行之行為。一配置介面14允許一裝置之網路介面10被配置，例如在一認證階段，以包含該節點被連結之裝置之位址資訊。例如，一燈開關可被連結在其將啟動之該燈或照明器具上。一記憶體15，此處其作為配置介面14之一部分顯示，但是可被單獨實現，其可儲存資訊如裝置位址，及其他參數例如一重複計數值及發送一選路回應訊息之延遲值。當合併該網路介面之節點作為一源節點及期望建立選路到位址儲存在記憶體15之目的時，該等位址取自於該記憶體，該訊框集合模組集合一多請求訊息MREQ，其隨後經由發送介面12在該無線網路中廣播。如圖2a所解釋，該多選路請求訊息之特徵在於該集或該訊框之CommandOptions欄位之有效多請求位元MR。
該網路中，一中間節點也具有一網路介面10，其用一接收介面13偵測一訊框，開始解碼一解碼單元16之訊框之各欄位。當其偵測該有效MR位元之存在時，其知道一多選路請求訊息正在被接收，並著手確定有多少個單播及/或多播選路待藉由該MultipleRequests欄位被建立，且使用該資訊生成表項目T1 、T2 、T3 ，例如，此等目的之選路表項目及選路發現表項目。此資訊可在後面一點當傳遞源節點與目的節點之間之訊框時被中間節點使用，如熟習此項技術者所熟知。明顯地，發送器12及接收器13，為簡潔起見作為一獨立實體顯示於該圖中，可被實現為一組合收發器模組。
一自身為一目的節點被指定在一多選路請求MREQ中之節點將編譯一選路回應訊息RREP。此選路回應可被發送如一由記憶體15儲存之值指定之次數，再一次根據一儲存在該記憶體中之一值，其可在發送之前被延遲。若沒有該值被儲存，該選路回應RREP只能以通常方式單純地被發送一次。
此外，該目的節點將重新發送該MREQ，可能在刪除該目的清單中之自身位址之後，然後只有當還有一些目的位址剩餘在清單中時。在發端之隨後行為中，中間及目的節點將被熟習此項技術者所熟知，此處不再需要進一步說明。
上述任何技術可進一步與其他根據本發明之方法之變更結合，即應用受限制之廣播半徑以限定廣播風暴之範圍。圖6顯示一包含選路發現及廣播傳輸參數值之廣播半徑值之表。根據本發明，一發端裝置之網路介面可選擇一低廣播半徑，例如2，使該選路請求只前進兩個「跳」。由於一低值之廣播半徑，可期盼一回應時間會較短，因此時間相關參數「nwkcRouteDiscoveryTime」及「nwkBroadcastDeliveryTime」，其各自指定一應保持選路發現項目等待一RREP封包被接收之發端節點及中間節點之時間及一關於特定廣播封包被保持在廣播處理表(BTT)以避免重複之時間，其各被指定值以符合相應之廣播半徑值。若此低廣播半徑不見效，即該源節點接收不到在由相應參數指定之給定時間內之選路回應，則該廣播半徑，亦即，跳之數量，可增大。若需要，則廣播半徑可連續增大直到選路發現成功且每個目的節點之選路回應被接收到。
藉由應用根據本發明之該等方法，如本文所述，建立選路到多目的之所需時間可因此明顯減少，整個網路之充溢可被避免，一更可靠之選路發現程序之確定是可能的，所有都僅需最小之付出。
儘管本發明揭示較佳實施例及其變異形式，但是應瞭解在不脫離本發明之範圍下，可對其作出大量額外的修改及變更。為簡潔起見，應該理解「一」或「一個」在本申請案中之使用並不排除複數個，且「包括」不排除其他步驟或元件。一「單元」或「模組」可包括一些單元或模組，除非另有聲明。
1．．．訊息標頭
2．．．負載
3．．．命令負載
4．．．負載2之剩餘部分
10．．．網路介面單元
11．．．訊框集合單元
12．．．發送介面
13．．．接收介面
14．．．配置介面
15．．．記憶體
16．．．解碼單元
20．．．命令識別符欄位
30．．．命令選擇欄位
31．．．多請求欄位
40．．．RREQ識別符位元組
41．．．目的位址位元組
42．．．路徑成本位元組
43．．．目的IEEE位址位元組
44．．．RREQ識別符位元組
45．．．目的位址位元組
46．．．路徑成本位元組
50．．．訊框控制欄位
60．．．命令選擇欄位
60'．．．先前技術之命令選擇欄位
D．．．開關
D1、D2、D3．．．燈
Da、Db．．．目的裝置
Da、Db、Dc．．．燈感測器
Dc．．．HVAC裝置
G．．．燈組
T1 、T2 、T3 ．．．表項目
圖1是一繪示在一例示性先前技術網路中一選路請求命令訊框之傳播之圖。
圖2a繪示根據本發明之一第一實施例之一ZigBee選路請求命令訊框之示意圖。
圖2b顯示根據本發明之一第二實施例之一ZigBee選路請求命令訊框之示意圖。
圖2c顯示根據本發明之一第三實施例之一ZigBee選路請求命令訊框之示意圖。
圖3a顯示根據本發明之進一步實現之一選路請求之CommandOptions欄位。
圖3b顯示一先前技術選路回覆封包之一先前技術CommandOptions欄位元及根據本發明之一實施例之一選路回覆封包之一CommandOptions欄位。
圖4a顯示根據本發明之一可能實施例之無線多跳型網路中之各裝置之示意圖。
圖4b顯示圖4a中之無線網路之一多跳型網路圖。
圖5顯示根據本發明之實施例之一網路介面之方塊圖。
圖6顯示用於根據本發明之實施例之一方法之具有相關的選路發現及廣播傳輸參數值之一廣播半徑值表。
1．．．訊息標頭
2．．．負載
3．．．命令負載
4．．．負載2之剩餘部分
20．．．命令識別符欄位
30．．．命令選擇欄位
31．．．多請求欄位
40．．．RREQ識別符位元組
41．．．目的位址位元組
42．．．路徑成本位元組
43．．．目的IEEE位址位元組
44．．．RREQ識別符位元組
45．．．目的位址位元組
46．．．路徑成本位元組

Claims (10)

  1. 一種用於一無線多跳型(multi-hop)網路(WN)中之一節點(D、D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc )的網路介面單元(10)，該無線多跳型網路(WN)包括複數個節點(D、D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc )，該等節點可藉由諸源節點與諸目的節點之間之諸網路路徑而連接，該網路介面單元(10)包括：一多選路請求集合模組(multiple route request assembly module，11)，用於集合一多選路請求訊息(MREQ)，使得一源節點(D)之該多選路請求訊息(MREQ)包括複數個特定多個目的節點(D1 、D2 、D3 )的位址(41、43、45)，在該等節點上建立各網路路徑，該多選路請求集合模組(11)被實現以集合一多選路請求訊息(MREQ)以包括一多選路請求指示符(MR)以指示於該無線多跳型網路(WN)中之該源節點(D)與多個目的節點(D1 、D2 、D3 )之間需要若干網路路徑，該多選路請求指示符(MR)包括該多選路請求訊息(MREQ)之一位元；一發送該訊息(MREQ)到該無線多跳型網路(WN)中其他節點(D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc )的發送單元(12)；及一解碼單元(16)，其用於在當該多選路請求訊息(MREQ)中之該多選路請求指示符(MR)被偵測時，對該等多個目的節點(D1 、D2 、D3 )之每一者創建一表項目(table entry；T1 、T2 、T3 )。
  2. 如請求項1之網路介面單元(10)，其包括一用以獲得該無線多跳型網路(WN)中之其他特定節點(D1 、D2 、D3 )之各 位址(41、43、45)的配置介面(14)。
  3. 如請求項1或2之網路介面單元(10)，其中該網路介面單元(10)經實現以至少兩次發送一選路回應訊息(RREP)到一源節點(D)。
  4. 如請求項1或2之網路介面單元(10)，其中該網路介面單元(10)經實現以在一根據一延遲值之延遲之後發送一選路回應訊息(RREP)。
  5. 如請求項1或2之網路介面單元(10)，其包括一儲存媒體(15)，用於儲存：用於複數個目的節點(D1 、D2 、D3 )之諸位址(41、43、45)；及/或用於重複發送一選路回應訊息(RREP)之次數之一重複計量值；及/或一延時值，其在一選路回應訊息(RREP)之發送之前。
  6. 如請求項1或2之網路介面單元(10)，其中當一節點(D2 、Db 、Dc )係在先前建立之到一目的節點(D1 、D2 、D3 )的一路徑上時，該節點(D2 、Db 、Dc )之該網路介面單元(10)經實現以發送一選路回應訊息(RREP)到該源節點(D)。
  7. 如請求項1或2之網路介面單元(10)，該網路介面單元(10)經實現使得一源節點(D)發送之一選路請求訊息(MREQ)之廣播半徑被一先前定義之範圍限定。
  8. 一種無線多跳型網路(WN)，其包括複數個具有如請求項 1至7中任一項之網路介面單元(10)之節點(D、D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc )。
  9. 一種在一無線多跳型網路(WN)中於一源節點(D)與多個目的節點(D1 、D2 、D3 )之間建立一網路路徑之方法，該方法包括以下步驟：由發端(originator)節點集合一多選路請求訊息(MREQ)，該多選路請求訊息(MREQ)包含特定多個目的節點(D1 、D2 、D3 )之複數個位址(41、43、45)，在該等節點上建立各網路路徑；及一多選路請求指示符(MR)以指示在該無線多跳型網路(WN)中介於該源節點(D)與多個目的節點(D1 、D2 、D3 )之間需要諸網路路徑，該多選路請求指示符(MR)包含該多選路請求訊息(MREQ)之一位元；發送該多選路請求訊息(MREQ)到該無線多跳型網路(WN)中之其他節點(D1 、D2 、D3 、Da 、Db 、Dc )；及當該多選路請求訊息(MREQ)中之該多選路請求指示符(MR)被介於該源節點(D)與一目的節點(D1 、D2 、D3 )之間之一中間節點(D2 、Db 、Dc )偵測時，該中間節點(D2 、Db 、Dc )為指定於該多選路請求訊息(MREQ)中之該等多個目的節點(D1 、D2 、D3 )之每一者創建一表項目(T1 、T2 、T3 )。
  10. 如請求項9之方法，其中藉由一配置介面(14)提供用於該等特定多個目的(D1 、D2 、D3 )之該等位址(41、43、45)給該源節點(D)。
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