用于自主配置网格网络中的中继节点装置的装置和方法

摘要

一种用于去激活包括多个节点的网格网络中的中继节点的中继特征的方法，其中所述中继节点制定包括到所述网格网络中的信标节点的路由信息的连接性报告，所述路由信息基于从所述信标节点接收到的连接性控制消息。该方法包括以下步骤：由所述中继节点向相邻节点传送所述连接性报告；由所述中继节点向所述相邻节点传送查询消息，以用于查询所述中继节点的所述中继特征是否可被去激活；响应于所述查询消息，由所述中继节点从所述相邻节点接收响应消息，其中所述响应消息中的每个指示所述中继节点的所述中继特征可被去激活；以及由所述中继节点基于来自所述相邻节点中的所有所述相邻节点的响应消息来去激活所述中继节点的所述中继特征。本文中还提出了用于执行根据本公开的方法的装置和补充方法。

说明书

技术领域

根据本公开的本发明总体上涉及网格通信网络（mesh communication network）领域，并且更具体地说，涉及配置网格网络中的节点装置的中继特征（relay feature）。

背景技术

2017年7月发布的蓝牙网格配置文件规范（Bluetooth Mesh profilespecification）引入了针对蓝牙低能量BLE技术的网格联网。在链路层上，蓝牙网格使用基于竞争的广播，而消息的网络层中继基于消息洪泛（message flooding）。简单地描述，在消息洪泛的情况下，消息的发送方将消息发送给它的所有邻居，这些邻居又将该消息中继给其所有邻居等；用这种方式，消息扩散到网络中的所有节点，并且因此消息也被递送到其目的地。洪泛是一种简单且强健的联网技术。例如，它固有地应对节点移动性和拓扑改变，然而，它浪费了带宽。

为了避免消息的无限制中继，蓝牙网格通过采用以下方式来使用具有一组限制的洪泛：

-消息高速缓存。消息高速缓存被用于跟踪中继的消息，并限制节点重新中继它已经中继的消息。

-生存时间（Time-to-live）TTL计数器。每个消息都包括TTL计数器，该计数器由消息发送方初始化，并在每跳（hop）递减。当TTL计数器到期时，消息不在网络中进一步中继。

在蓝牙网格中，这种方法被称为受管理的洪泛。此外，蓝牙网格网络中的中继只能由支持中继特征的节点来执行，并且这样的节点通常被称为中继节点。中继节点中的中继特征能被配置成处于打开/活动状态或关闭/去激活状态（deactivated state）。因此，消息只由支持中继特征并且已经打开了该特征的节点进行中继。

蓝牙网格网络的性能高度地依赖于中继节点部署和配置。一方面，中继节点部署应该足够密集，以向所有节点提供网络连接性，并提供一定程度的路径冗余。另一方面，活动中继节点的密度过高意味着空中冲突和消息丢失的风险增加，这降低了性能。最后，任何可行的中继节点部署和配置解决方案都必须声称维持（maintain）网络连接性，即，网络中的任何节点与任何其它节点之间都有一条路径，并且网络没有减少成多个连接的组件。也就是说，网络不应减少到之间没有任何连接的独立网络部分。

拓扑控制是在分布式计算中用于更改底层网格网络以降低分布式算法如果在新的结果图上运行的成本的技术。在无线传感器网络领域内，拓扑控制的目标是节省能量，减少节点间的干扰，并且延长网络的寿命。拓扑控制技术通常被分类为两个类别——即网络覆盖和网络连接性。

这里，网络覆盖是指在其上网络具有感测能力的区域，或者传感器网络监测目标场有多好。另一方面，网络连接性是指传感器节点相互连接以及网络中的消息递送有多好。对于本发明，连接性部分有相关性，而传感器覆盖方面在此不进一步讨论。

连接性拓扑控制可进一步被归类为时间域和空间域。在时间类别中，无线电占空比（即，活动/去活计划表（active/deactive schedule））被配置为延长节点和系统寿命，而同时保持拓扑意义上的等效能力。空间连接性控制调整节点的输出功率，以改进节点之间的连接性。

从文献中已知的连接性控制技术集中于调整节点的占空比或输出功率，以改进网络的连接性。以“低”占空比操作增强了网络的寿命，然而，它也降低了网络吞吐量和容量，并且不一定能解决由中继节点密度过高而引起的空中冲突的蓝牙网格问题。另一方面，基于输出功率调整的连接性控制能被用于减少空中分组冲突的问题，但是这样的方法的缺点包括跳计数增加，这又导致消息延迟增加、吞吐量降低和容量减少。没有已知的方法考虑在蓝牙网格中利用的链路层广播和网络层消息洪泛的特定属性。

此外，用于蓝牙网格网络中的中继节点配置的现有方法涉及由本领域技术人员执行的人工执行的任务。人工的涉及通常成本很高，并且缺乏技术人员会带来网络配置不当或根本不配置的风险，从而导致网络性能差。

此外，在动态状况下，例如，当节点被添加到网络和从网络移除时，或者当节点是移动的时，中继节点配置必须定期执行，以确保随时间过去而维持较高的网络性能。对于蓝牙网格，从实际角度和纯粹的大小角度两者来看，人工重新配置中继节点将是不可行的，而且从成本角度来看也是如此，因为蓝牙网格是一种其吸引力与低成本和简单性相关的技术。

因此，期望找到促进网格网络中的中继节点的自动配置的新方法和设备。促进分布式解决方案的方法和设备是特别感兴趣的，因为这样的分布式解决方案通常限制信息收集并且不太复杂。

发明内容

根据本公开的发明的一目的是提供一种配置网格网络中的中继节点的自主、分布式解决方案。

在本公开的第一方面，提出了一种用于去激活包括多个节点的网格网络中的中继节点的中继特征的方法，其中所述中继节点制定（formulate）包括到网络中的信标节点（beacon node）的路由信息的连接性报告，所述路由信息基于从所述信标节点接收到的连接性控制消息。

该方法包括以下步骤：由所述中继节点向相邻节点传送所述连接性报告；由所述中继节点向所述相邻节点传送查询消息，以用于查询所述中继节点的所述中继特征是否可被去激活；响应于所述查询消息，由所述中继节点从所述相邻节点接收响应消息，其中所述响应消息中的每个指示所述中继节点的所述中继特征可被去激活；以及由所述中继节点基于来自所述相邻节点中的所有所述相邻节点的响应消息来去激活所述中继节点的所述中继特征。

该方法引入了由网格网络中的信标节点周期性广播的连接性控制消息和由每个节点基于接收到的连接性控制消息制定的连接性报告的概念。信标节点是网格网络中周期性地发送连接性控制消息的节点，并且具有总是活动的中继特征，并且可以是例如物理上位于网关装置内的逻辑实体。通过引入这个概念，网格网络中的每个节点都能够估计其与信标节点和网格网络中其它节点的连接性。中继节点向其相邻节点中的所有相邻节点发送包括去激活请求的查询消息。网格网络包括至少一个信标节点。

技术人员理解，相邻节点是离网格网络中的特定节点仅一跳的节点。连接性报告可由所有中继节点传送，而不管中继特征是否活动。然而，查询消息仅由其中继特征目前处于活动状态的中继节点传送。

例如，通过将生存时间TTL值设置为等于0，可确保仅向相邻节点发送出该请求。相邻节点能批准（approve）或不批准该请求。在接收到来自其相邻节点中的所有相邻节点的批准时，中继特征可被去激活。即使从相邻节点中的一个接收到不批准，也意味着，如果中继特征被去激活，则网格网络内该节点的连接性可能受到负面影响。因此，中继特征将不被去激活。

通过执行根据本公开的方法，可实现配置网格网络中的中继节点的自主方法。该解决方案基于使用连接性报告估计的本地状况来激活和去激活中继节点，使得确保高网络性能。一方面，该解决方案保持足够数量的中继节点活动，以声称中继节点覆盖，并维持网络连接性。另一方面，该解决方案避免了过高密度的活动中继节点，限制了空中分组冲突和网络性能降级。根据本公开的解决方案也是动态的，并且使中继节点配置适应由例如节点移动性或节点被添加到网格网络或从网格网络移除节点引起的网络拓扑的改变。

根据实施例，连接性报告包括信标节点的标识符和到达信标节点所要求的跳数。连接性报告可被制定为到特定节点——网络中的信标连接性节点的跳数。

根据实施例，跳数根据包括在所述连接性控制消息中的初始生存时间TTL值和接收到的TTL值来确定。技术人员理解，这些值通常被包含在正在网格网络中传送的消息中。备选地，连接性报告还可包含附加信息，诸如到一个或多个区域信标节点的跳数。

在实施例中，传送查询消息的步骤以预确定的时间周期（time period）周期性地发生。具有活动中继特征的每个节点可周期性地检查其中继特征是否可被去激活。该周期可与接收连接性控制消息的频率相关。例如，在发起去激活过程之前，节点可等待至少3个连接性控制消息。可理解，网络中的不同节点被指配不同的周期用于发起去激活过程，使得没有两个节点同时发起去激活过程。

一个选项是基于网格网络中的中继节点的数量来确定平均周期，并使用将平均周期的一半用作期望值的随机实验来确定实际定时（timing）。

在示例中，所述方法进一步包括以下步骤：由中继节点从网格网络中的中央实体接收指令，以发起到相邻节点的查询消息的传送。备选地，去激活可以是基于令牌的，其中在任何时间点，网络中只有一个中继节点正在持有该令牌。在特定中继节点已经估计去激活之后，令牌可被传递到另一个中继节点。这些动作可由网格网络中的中央实体（诸如，网关装置）控制。

根据示例，向相邻节点传送所述连接性报告的步骤以预确定的周期周期性地发生。技术人员理解，传送连接性报告所用的周期和传送查询消息所用的周期可以是两个不同的周期。

在示例中，连接性报告进一步包括所述中继特征的当前状态。这对于相邻节点来说可能是有益的，以便确定其相邻中继节点中的哪些是活动的，并且哪些处于去激活状态。

在本公开的第二方面，提出了一种用于支持去激活包括多个节点的网格网络中的中继节点的中继特征的方法，其中所述中继节点制定包含到所述网络中的信标节点的路由信息的连接性报告，所述路由信息基于从所述信标节点接收到的连接性控制消息。

该方法包括以下步骤：由节点从其相邻中继节点中的每个相邻中继节点接收连接性报告；由该节点从至少一个相邻中继节点接收查询消息，该查询消息被布置成查询中继节点的中继特征是否可被去激活；由该节点基于接收到的多个连接性报告来确定中继特征可被去激活；以及响应于查询消息，由该节点传送指示中继特征可被去激活的响应消息。

该方法由网络中从相邻中继节点接收到激活请求的所有节点执行。这样的节点可能已经是具有激活或去激活的中继特征的中继节点。

根据实施例，接收到的连接性控制消息包括当由信标节点传送时的初始生存时间TTL值，并且其中节点基于初始TTL值和接收到的TTL值来确定连接性状态。

根据示例，确定的步骤基于以下至少一项：

-由节点确定在去激活中继节点的中继特征时，到信标连接性节点的连接性将不丢失；

-由节点确定到信标连接性节点的跳数不增加大于绝对值（例如，八）或相对阈值（例如，50%）；

-由节点确定具有活动中继特征的相邻中继节点的数量不减少到低于阈值（例如，4）。

这里定义的准则仅仅是示例性的。也可利用诸如接收消息的时延的其它准则来建立连接性状态。

在本公开的第三方面，提出了一种包括多个节点的网格网络中的节点，所述节点包括能被激活或去激活的中继特征，其中在活动状态下，所述节点能够在网格网络中转发由所述装置接收到的消息。

该节点包括：处理设备（process equipment），所述处理设备被布置用于基于从信标控制节点接收到的连接性控制消息来创建连接性报告；传送设备，所述传送设备被布置用于向其所有相邻节点传送连接性报告，该传送设备被进一步布置用于周期性地向相邻节点发送查询消息，其中该查询消息被布置用于查询该节点的中继特征是否可被去激活；接收设备，所述接收设备被布置用于从相邻节点接收响应消息，其中该响应消息指示中继特征可被去激活；以及去激活设备，所述去激活设备被布置成在从其相邻节点中的所有相邻节点接收到响应消息时去激活该节点的中继特征。

在本公开的第四方面，提出了一种包括多个节点的网格网络中的信标节点，该信标节点支持总是活动的中继特征，该信标节点包括被布置成周期性地传送连接性控制消息的传送设备。

根据实施例，信标节点是例如物理上位于网格网络的网关装置中的逻辑实体。将信标节点放置在网格网络中的网关装置内可能是有利的，因为网格网络的大部分业务穿过网关装置，并且网格网络内的连接性可通过确定与网关装置的连接性来建立。

在本公开的第五方面，提出了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储指令的计算机可读存储介质，所述指令当在至少一个处理器上执行时，使所述至少一个处理器实行根据本公开中提出的方法中的任何一种方法的方法。

附图说明

图1示意性地图示了根据本公开的网格网络中的信标节点的动作。

图2示意性地图示了根据本公开的网格网络中的中继节点的动作。

图3示意性地图示了根据本公开的网格网络中的节点的动作。

图4示意性地图示了根据本公开的中继节点。

图5示意性地图示了根据本公开的信标节点。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述本文中设想的实施例中的一些实施例。然而，在本文中公开的主题的范围内包含其它实施例，所公开的主题不应被解释为仅限于本文中陈述的实施例；而是，这些实施例是通过示例的方式提供的，以向本领域技术人员传达主题的范围。

图1示意性地图示了根据本公开的网格网络中的信标节点的动作10。信标连接性节点以规则的间隔广播11信标连接性控制消息。信标连接性控制消息的目的是促进网络节点中的连接性监测。只要所有节点都接收到连接性控制消息，就在有可能找到从网络中任何节点到任何其它节点的路径的意义上连接网络。

典型地，连接性控制消息被设计成使得有可能根据接收到的信标连接性控制消息评估到信标连接性节点的连接性状况（例如，从跳数方面）。信标节点在再次广播11信标连接性控制消息之前等待12指定的时间量。信标节点处于初始状态13，并在执行步骤11-12之后返回到初始状态13。

图2示意性地图示了根据本公开的网格网络中的中继节点的动作20。每个中继节点向其相邻节点发送21连接性报告消息。术语“相邻节点”是指在特定节点的一跳内的节点。中继节点通常在再次向其所有相邻节点重传送连接性报告之前等待22预确定的时间量。通过周期性地传送连接性报告，能确保相邻节点具有关于中继节点和整个网络的连接性状态的最新信息。中继节点处于初始状态14。在执行本文中指定的可能的动作中的任何可能的动作之后，它返回到初始状态。

可理解，发送连接性报告的周期大于接收信标连接性控制消息的周期。备选地，可想象，中继节点在发送出连接性报告之前等待至少一个信标连接性控制消息。连接性报告由具有中继特征的每个中继节点发送出，而不管中继特征是否是活动的。可能进一步有益的是，在连接性报告中包括中继特征的当前状态。

在接收到23信标连接性控制消息时，中继节点确定24其与信标节点的连接性状态。可通过估计从中继节点到信标节点的跳数来确定连接性状态。例如，信标连接性控制消息以初始生存时间TTL值广播。中继节点在接收到信标连接性控制消息时，能根据接收到的TTL值和初始TTL值来确定到达信标节点所需的跳数。然后，可制定连接性报告，其中连接性报告包括信标节点的标识和从中继节点传送的消息到达信标节点所需的跳数。

在步骤25中，中继节点开始去激活过程，以关闭中继节点的中继特征。去激活过程可周期性地发起。如果定期执行，则与信标连接性控制消息的传输周期相比，这样的中继节点去激活的周期必须很长。一个选项是基于网络中的中继节点的数量来确定平均周期，但用将平均周期的一半用作期望值的随机实验来确定实际计时。这样做来限制同时去激活多个中继节点的风险。备选地，可在从中央实体接收到指令时发起去激活过程。这样的去激活可以是基于令牌的，其中在任何时间点，网络中只有一个中继节点正在持有该令牌。在持有该令牌的中继节点估计去激活之后，该令牌被传递到另一个中继节点。

在步骤26中，确定中继节点的所有相邻节点是否批准关闭中继节点的中继特征。这是通过向相邻节点发送出查询消息并响应于查询消息而从相邻装置接收批准或拒绝来确定的。如果所有相邻装置都批准关闭中继特征，则关闭27中继节点的中继特征。另一方面，如果中继节点接收到至少一个具有拒绝的响应，则中继特征维持在活动状态，直到发起进一步的去激活过程为止。

可由相邻网格节点来请求中继节点激活，并且这样的网格节点定期或按需估计中继节点激活的影响。例如，网格节点可每当它接收到新的信标连接性控制消息或新的连接性报告消息时都估计中继节点激活的影响。如果估计指示激活一个或几个其去激活的邻居中继节点将对节点的连接性具有显著的正面影响，则该节点可请求中继节点打开中继特征。

具有去激活中继特征的中继节点，在从相邻网格节点接收到28打开中继特征的请求时，激活29该中继特征。

图3示意性地图示了根据本公开的网格网络中的节点的动作。网络中的所有节点都接收31信标连接性控制消息。由此，可建立网格网络中的信标节点和接收连接性控制消息的节点之间的连接性状态。例如，连接性状态可被建立为从该节点到信标节点的跳数。跳数可根据连接性控制消息中的初始TTL值和接收到连接性控制消息时的接收到的TTL值来确定。步骤31以预确定的周期周期性地重复。

网格节点还周期性地从其相邻中继节点接收32连接性报告消息。接收连接性报告消息的周期可与接收连接性控制消息的周期相同。该节点可从相邻中继节点接收33去激活所述相邻中继节点的中继特征的请求。

在步骤33中接收到用于去激活的请求时，节点估计34网格网络内的节点的连接性。这可通过例如确定到网格网络中的全局信标节点的跳数来完成。在中继节点（从其接收到去激活请求）的中继特征被去激活的情况下，该节点还可估计连接性。在批准去激活请求之前的准则的样本列表可以是：

-到信标连接性节点的连接不丢失。

-到信标连接性的跳数不增加大于绝对或相对阈值——例如3跳或50%，或者朝向信标连接性节点的绝对跳计数不超过绝对阈值，例如10跳。

-相邻中继节点的数量不减少到低于阈值级别（例如，2）。

如果满足指定的准则，则节点发送35指示中继特征可被去激活的响应消息。然而，如果不满足该准则，则节点发送36指示保持中继特征活动的消息。技术人员理解，网格网络中的每个节点可具有不同的准则，以用于批准或不批准去激活网格网络中的中继特征的请求。这种准则可在网格网络中试运行节点的时候本地存储在节点处。

该节点还可周期性地估计37其在网格网络中的连接性，而与从相邻中继节点接收用于去激活的请求无关。在步骤37中，确定用以确定连接性的不同参数，诸如，到信标连接性节点的跳数、活动相邻中继节点的数量。在步骤38中，节点检查估计的参数是否满足网格网络内的节点装置的连接性准则。

如果连接性良好，则该节点不采取进一步的动作，并且如果估计的参数不满足该节点的连接性准则，则该节点向当前去激活的中继节点发送39请求激活中继特征的消息。该节点处于初始状态15，并且在执行本文中指定的可能的动作中的任何可能的动作之后返回到初始状态15。

图4示意性地图示了根据本公开的中继节点50。中继节点50包括处理设备55，所述处理设备55被布置用于基于从信标控制节点接收到的连接性控制消息来创建连接性报告。传送设备53、54被布置用于向其所有相邻节点传送所述连接性报告。传送设备53、54被进一步布置用于周期性地向相邻节点发送查询消息，其中该查询消息被布置成查询该节点的中继特征是否可被去激活。

中继节点50还包括接收设备51、52，所述接收设备51、52被布置用于从相邻节点接收响应消息，其中响应消息指示中继特征可被去激活。技术人员理解，接收设备51、52还被布置用于从信标节点接收连接性控制消息。中继节点50进一步包括去激活设备56，所述去激活设备56被布置成在从其相邻节点中的所有相邻节点接收到响应消息时去激活中继节点50的中继特征。

中继节点50还包括处理器57和存储器58。存储器58被布置成存储一组处理器可执行指令，所述指令当由处理器57执行时，使得节点执行根据本公开的方法。各种内部设备经由总线59相互通信。

图5示意性地图示了根据本公开的信标节点100。信标节点100包括传送设备101、102，所述传送设备101、102被布置成在网格网络中周期性地传送信标连接性控制消息。信标节点100还包括处理器103和存储器104。存储器104被布置成存储一组处理器可执行指令，所述指令当由处理器103执行时，使得节点执行根据本公开的方法。各种内部设备经由总线105相互通信。信标节点100可以是物理上位于网格网络中的另一个节点（诸如例如，网关节点）内的逻辑实体。注意信标功能性位于其中继特征总是维持在活动状态的节点中可能进一步有益。

该方法用示例进一步说明。例如，想象一下，节点n0根据全局信标连接性控制消息计算出到全局信标连接性节点b0有6跳。它还从分别与跳计数2和5相关联的区域信标连接性节点b1和b2接收信标连接性控制消息。进一步想象，节点n0有6个邻居中继节点[r0，r1…r5]，并且相应的中继连接性报告消息如下表中所示。

在这种情况下，节点n0可断定:

-它有4个活动的中继节点邻居——r1、r2、r4和r5，以及两个去激活的中继节点邻居——r0和r3。每个邻居中继节点都有朝向全局信标连接性节点b0的路径。

-从n0朝向b0的最佳可用路径是通过r2。

-如果r0被激活，则n0到b0的连接性从6跳改进到5跳，并且n0将有5个活动的中继节点邻居。

-如果r2被去激活，则n0朝向b0的连接性从6跳降级到10跳，并且n0将有3个活动的中继节点邻居。

-n0的邻居中继节点中的一些从区域信标连接性节点b1或b2接收信标连接性控制消息

节点n0当估计它是否能准予其活动的邻居中继节点中的任何活动的邻居中继节点关闭中继特征时，以及当估计它是否应该请求其去激活的邻居中继节点中的任何去激活的邻居中继节点打开中继特征时，使用这些度量。

进一步假定，节点n0的目标是具有至少3个活动的中继节点邻居（“等级3”），并且如果朝向b0的跳计数增加不超过3，则准予去激活邻居中继节点。为了简单起见，可假设节点n0不需要改进朝向b1和b2的连接性。然而，技术人员理解，对于区域信标连接性节点，也能用附加的连接性要求来容易地扩展这些要求。

如果n0现在从r2接收到去激活请求，则它估计：

-活动中继节点邻居的数量将从4减到3，并且

-朝向b0的跳计数将从6增加到10。

节点n0能接受第一结果，但不能接受第二结果，因为新情形下的跳计数将会增加4，并且因此拒绝来自r2的去激活请求。

类似地，如果n0从r5接收到去激活请求，则它估计：

-活动中继节点邻居的数量将从4减到3，并且

-朝向b0的跳计数将不变。

因为n0能接受第一和第二结果两者，所以它准予来自r5的去激活请求，并且中继节点r5可被去激活。

根据对附图、公开和所附权利要求书的研究，实践所要求保护的公开的本领域技术人员能理解和实现公开示例的其它变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除多个。单个处理器或其它单元可实现权利要求书中阐述的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中阐述某些措施的纯粹事实不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可被存储/分布在合适的介质（诸如，作为其它硬件的一部分或与其它硬件一起供应的光存储介质或固态介质）上，但是也可以以其它形式（诸如，经由因特网或其它有线或无线电信系统）分布。权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为限制其范围。

本公开不限于上面所公开的示例。本领域技术人员能在不必应用创造性技能的情况下，在所附权利要求书中所公开的本公开的范围之外对它们进行修改和增强。