[发明专利]一种具有无线消息局部激活快速激活调度的无线网状网络

说明书

技术领域

本发明涉及无线网状网络。特别地，本发明涉及一种无线网状网络， 其中该网络中的节点基于未满足的消息需求而局部地确定消息的调度。

背景技术

在为低功率、基于传感器/致动器(actuator)的应用设计的无线网 状网络系统中，网络中的许多设备必须由长寿命的电池或由低功率能量采 集(energy-scavenging)电源来供电。电源插座，例如120VAC的设施 (utility)，典型地不放置或不允许放置在危险区域的附近或内部，在危 险区域必须放置仪器(传感器)和致动器而不会引起很大的安装花费。对 低安装成本的需要驱使了对作为无线网状网络一部分而通信的电池供电 设备的需要。对很好运行无线设备来说，对诸如不能再充电的原电池这样 的有限电源的有效利用是至关重要的。希望电池能持续多于5年，最好是 持续和产品寿命一样长的时间。

在真实的无线网状网络中，每个设备必须能够为它自己和网状网络中 的其他设备路由消息。消息通过网络在节点间跳跃(hop)的概念是有益 的，因为可使用低功率RF无线电设备且网状网络仍然能够跨越相当大的 物理区域从一端向另一端传送消息。与使用与中心基站直接对话的远程设 备的点对点系统相反，在网状网络中不需要大功率无线电设备。

网状网络协议允许在多个设备之间以及在多个设备与数据采集器、网 桥或网关(面向更高级、更高速的数据总线)之间形成消息的备选路径 (alternatepath)。通过确保即使另一条路径由于环境影响或由于干扰 变得拥塞或恶化，也会存在用于消息流动的至少一条备选路径，使得具有 用于无线消息的备选、冗余路径提高了数据可靠性。

一些网状网络协议是确定性地路由的，这样每个设备都具有指定的父 亲(parent)和至少一个备选的父亲。在网状网络的体系中，很像在人类 家庭中，父亲有孩子，孩子有孙子等。每个设备(或“节点”)通过网络 为它们的后代(descendant)将消息中继到某个最终目的地，例如网关。 父设备可能是电池供电的或有限能量供电的设备。节点具有越多后代，它 就必须路由越多的通信量，这反过来直接增加了它自己的功率消耗并且缩 短了它的电池寿命。

为了节省功率，通过仅在有限的时间内打开节点的无线电设备以监听 消息，一些协议限制在任意时间期间任一节点能够处理的通信量。因此， 为了减少平均功率，该协议将允许无线电设备在开和关状态之间轮停 (duty-cycling)。一些协议使用全局工作周期(globaldutycycle)来 节省功率，这样整个网络在同一时间开和关。其他协议(例如基于TDMA 的)使用局部工作周期，其中只有链接在一起的通信节点对被调度以在预 定的时间以同步的方式打开和关闭。典型地，通过向节点对分配用于通信 的特定时隙、将由无线电设备使用的RF频道、在该时刻谁接收(Rx)、谁 发送(Tx)来预先确定该链接。

一些协议采用了按照定期的重复调度为节点分配链接的概念，从而使 得能定期的传送来自网络中设备的更新和消息。一些高级的基于TMDA的 协议将采用多个激活调度(activeschedule)的概念，这些多个调度全 部在同一时间运行，或者当出现需求时以全局网络控制器激活/去激活的 特定调度来运行。例如，低速激活调度对消息间以较长时间期间(长周期 时间)发送消息的节点进行链接，以实现低功耗。为了更好的吞吐量和更 低的延迟，快速激活调度对更快速发送消息的节点进行链接，但是导致在 节点中更高的功耗。使用允许多个激活调度的协议，可为上行通信量优化 一些调度，而其他的可用于下行通信量，还有一些被用于诸如设备加入和 配置这样的网络管理功能。为了在不同时间满足不同的需求，在整个网络 中全局地激活/去激活各种调度，这为实现功耗和低延迟之间的有利平衡 提供了少量的灵活性，但是却对所有节点应用相同的调度，因此未提供局 部优化。

在同步系统中，节点在能够传送消息之前不得不一直等到它们的下一 个预定开启时间才能够发送。等待增加了延迟，如果没有被合适地约束和 管理，在许多应用中这将非常的有害。如果被链接在一起的节点对没有合 适地同步，它们将不能成功的传递消息，因为无线电设备将在错误的时间 打开或者在错误的时间处于错误的模式(Rx或Tx)。如果仅有的激活调度 具有长的周期，被调度的链接之间的时间将变长，而且将遭遇延迟。如果 快速调度被激活，调度链接之间的时间将变短，但是电池寿命将随着时间 显著地减少。