无线建筑网络的分析和地址分配的制作方法
【专利摘要】一种用于诸如照明网络的无线建筑自动网络的网络节点，该节点包括：用于测量与所有无线连接的其他节点的无线连接的信号质量或信号强度的装置；存储装置，其被配置为例如基于所述信号质量或信号强度来存储连接信息和相关联的无线连接的另一节点或另外多个节点的标识符；以及用于向另一节点无线地转发所述连接信息的装置，其中，所述网络节点被配置为接收至少一个测试模式和/或重新发送该测试模式，所述测试模式包括网络节点的标识符，例如，MAC地址。
【专利说明】无线建筑网络的分析和地址分配
[0001]本发明涉及一种用于向无线网络，特别是无线建筑自动网络的网络节点分配地址(例如逻辑地址或建筑地址)的系统和方法。
[0002]特别地，本发明旨在解决将无线设备的身份(地址)映射到其物理位置的问题。
[0003]就本发明而言，无线建筑自动网络是用来连接形成无线网络的网络节点的建筑技术设备的网络，这些网络节点例如是，照明装置(例如，灯)、用于照明装置的操作设备、传感器(例如，灯传感器、移动/运动传感器、声学传感器、光学传感器……)和(例如，用于控制百叶窗的)作用物、和/或其他设备(例如，诸如用于控制灯的开关、继电器)和或控制单元。
[0004]本发明同样地可应用于其他无线网络，包括但不限于无线传感器网络(例如，用于结构健康监测)、无线工业控制网络、无线计算机网络或者无线电信网络。特别适于那些需要知道网络节点的位置并且向网络节点(人工地)分配位置地址的网络。
[0005]本发明通过提供在独立权利要求中提出的系统、方法和网络节点来解决该问题。
[0006]在一个方面，本发明提供了一种用于诸如照明网络的无线建筑自动网络的网络节点，该节点包括用于基于对相邻节点之间的无线传输信道的物理参数(例如，到无线连接的其他节点的无线连接的信`号质量或信号强度)的测量来计算连接信息(即，一个或更多个相邻网络节点的存在和距离)的装置；存储装置，其被配置为将所述连接信息连同相关联的无线连接的其他节点的标识符一起存储起来；以及用于将所述连接信息向另一节点无线转发的装置。该网络节点被配置为接收和/或发送和/或重复至少一个测试模式(testpattern),所述测试模式包括网络节点的标识符,例如，MAC地址。
[0007]节点可以是传感器，例如，光传感器、温度传感器、占用传感器、烟雾传感器或移动传感器。
[0008]节点可以是用于照明装置(例如，卤素灯、LED灯、OLED灯或气体放电灯)的操作设备。
[0009]网络节点可在邻居表(特定节点能够在无线信道上直接到达的节点的列表)中存储连接信息和节点标识符。
[0010]网络节点能够存储与多于一个网络节点的连接信息。
[0011]网络节点可被配置为接收并存储其他网络节点的邻居表和/或利用计算装置将所接收到的网络节点组合成图表(graph )或子图表。
[0012]网络节点能够提供发送装置，用以发送所存储的一个或更多个邻居表、图表和/或子图表。
[0013]诸如在无线链路上测得的物理参数可以由网络节点提供并且能够通过网络节点与第二网络节点提供的测得的连接信息进行组合。
[0014]测试模式能够例如利用不同的编码方案和/或天线配置以不同的发送功率级别在不同的子信道中被发送。
[0015]网络节点能够存储源自该测试模式的所述网络节点的标识符。该标识符能够推导出接收该模式的通信信道的信道特性。在所有接收到的测试模式中，网络节点可构成邻居表。[0016]测试模式可以是特别形成的用于测量某个信道特性优化的无线包，也可以是没有特别特性的常规网络包。也可以从常规网络业务推导出所测量的信道特性，在这种情况下，测试模式是隐性的。
[0017]网络节点可以是传感器、照明装置、控制设备、用于照明装置的操作设备、作用物和建筑技术设备中的一个。
[0018]在另一方面，本发明还提供了一种系统，该系统具有至少两个上述节点、以及计算装置，所述计算装置被设计用于基于所述至少两个节点的连接信息来构建所测量的连接图，并且另一方面用于基于所述至少两个节点的预设已知的空间布置及其建筑环境来产生模拟连接图，以及通过将所测量的连接图与模拟的连接图匹配来将连接信息的标识符与所述至少两个节点中的每一个节点的空间位置关联起来。
[0019]所述模拟可以利用射线追踪方法来模拟节点之间的连接性。
[0020]两个图表可以是至少部分匹配的。将所测量的连接信息作为邻居表提供。由网络节点提供的(例如在无线链路上)测量的连接信息可以通过网络节点与第二网络节点提供的基于测量的连接信息进行组合。
[0021]测量可以被发送到所述网络节点的特定命令触发，其中所有网络节点都激活各自的接收装置。
[0022]在另一方面，本发明提供了一种用于向具有至少两个上述节点的建筑自动网络(例如，照明网络、节点)的网络节点自动分配空间位置的方法，该方法包括以下步骤:基于所述至少两个节点的连接信息来构建所测量的连接图，另一方面用于基于所述至少两个节点的预设已知的空间布置及其建筑环境来产生模拟连接图；通过将所测量的连接图与模拟的连接图匹配来将连接信息的标识符与所述至少两个节点中的每一个节点的空间位置关联起来。
[0023]现在参考附图描述本发明的其他方面，其中:
[0024]图1示例性示出安装了网络节点(圆点)的建筑平面图；
[0025]图2示出了所测量的连接图，其中顶点(顶点是图的节点)是网络节点并且边缘(细线)是由网络节点执行的对通信信道的物理参数的测量产生的。顶点示例性地与其标识符有关。
[0026]图3示出了第一模拟连接图，其中顶点是网络节点并且边缘(粗线)是对网络节点通信信道的模拟产生的。顶点示例性地与其相应的网络节点的空间位置有关。
[0027]图4示出通过将节点标识符和每个顶点的空间位置组合的第一图表和第二图表成功匹配所得到的图(当然部分匹配和其中一个图中的单独的网络节点的出现也是可能的)。
[0028]在本发明的系统中，在网络中参与的每个网络节点优选地可以通过在制造阶段被分配给网络节点的标识符(例如，不同的网络地址，以下称为MAC地址)来识别。
[0029]在本发明的方法的第一步骤中，各个网络节点生成邻居表。各个网络节点的邻居表包含网络节点能够到达，即网络节点能够与其进行通信的网络节点。邻居表也可以包括到邻居表中的另一个节点的各个通信信道的信号强度和信号质量。就邻居表的生成来说在现有技术中是已知的，例如，具有无线个域网联盟(ZigBee Alliance)的网格路由的无线个域网(ZigBee)标准(http:// www.zigbee.0rg/)。[0030]测量相邻节点的信号强度或信号质量(例如，RSSI，接收信号强度指示)仅仅是基于对相邻节点之间无线传输信道的物理参数的测量来收集连接信息(即，一个或更多个相邻网络节点的出现和距离)的一个示例。
[0031]“基于对物理参数的测量”应当理解为连接信息可以与测量值相同或者可以是从所测量的值推导出的值。
[0032]附加地或另选地，也可以采用其他物理参数。例如，无线通信节点能够测量诸如数据包和/或测试模式的包进行无线电波传播所需的时间(“飞行时间”)。从该测量时间能够推导出节点之间的距离并且用作距离测量。该方法对于具有无线连接网络节点的户外无线网络(例如，街灯、交通信号灯、光模块、照相机、传感器、灯光广告等)的拓补分析尤其有用。在此方案中，网络节点通常比室内网络节点分开了更大的距离。利用飞行时间而不是诸如RSSI (接收信号强度指示)产生了网络节点之间更可靠和更精确的距离。该方法也可以与以上描述的方法结合，并且例如一个方法(信号质量/强度)能够用于室内分析，而其他方法(飞行时间)可用来户外分析。
[0033]在第二步骤中，例如在中央节点或控制单元上收集所有网络节点的邻居表。然后基于这些邻居表生成图，在该图中，网络节点是图的顶点并且图中的边缘表示网络节点和符合从各个设备的邻居表推导出的信息的该节点的邻居之间可能的通信信道。诸如信号强度或信号质量的附加信息被表示为属性或为图边缘的权重。因此，基于各个网络节点执行的用于生成邻居表的通信信道测量，生成的图表示了网络节点彼此之间的相对位置。在此图中，利用诸如唯一的地址(例如，MAC地址)的标识符来识别各个网络节点。在本发明的一个方面，也可以利用节点的各个标识符来识别邻居表中的节点。
[0034]接下来，基于诸如建筑的建筑/安装图(施工平面图)来生成第二图，在该第二图中，对所安装的网络节点的位置进行标记(至少根据平面图应当安装的节点)。虽然从所使用的平面图能够容易地推导出第二图的顶点，但是考虑到平面图的特征(例如，墙壁和天花板的厚度)、建筑中使用的材料和能够从使用的平面图中推导出的其他因素，利用边缘将这些顶点连接起来。
[0035]基于该信息，模拟或计算所安装的节点之间的可能的通信信道，并且边缘权重是计算出的通信信道的信号强度或信号质量。
[0036]为了模拟网络节点之间的通信信道，例如可使用射线追踪。通过设置(位于所安装的网络节点的位置处的)一个网络节点中的眼点(照相机点)并且将光源放在另一个所安装的(处于另一个所安装的网络节点处的)网络节点中，利用射线追踪可以模拟或计算所安装的节点通信信道。
[0037]考虑到所使用的平面图的信息(例如，天花板、墙壁、建筑中使用的材料)，通过对从眼点到光源的路径(或从光源到眼点的路径)进行追踪能够建立通信信道。例如也可以在表中存储顶点与其模拟邻居(即，网络节点能够连接到的网络节点)之间的通信信道。由此，在第二表中模拟的通信信道也考虑了建筑的物理条件，例如，由墙壁和天花板的反射和/或吸收弓I起的多路径传播。在此使用的平面图当然可以是3D平面图，例如CAD平面图。
[0038]基于该模拟并且考虑空间位置，直接地组建出第二图。该模拟在计算机硬件上执行并且可利用GPU (图形处理单元)加快速度。因此，第二图的顶点由定位信息或位置信息来决定(attributed)。[0039]为了将第一图的网络标识符分配到从第二图中的平面图推导出的节点位置，现在本发明的目的是将两个图进行匹配。因此，本发明的目的是向网络节点的硬件标识符自动地分配逻辑地址或位置。
[0040]因此，在接下来的步骤中，两个图被彼此匹配以找到产生地址与从使用的平面图中推导出的绝对或相对坐标的最有希望和最可能的对准。
[0041]例如，在新安装的无线网络系统中，网络节点可以处于这种模式，在该模式中，这些节点执行测量以填充它们的邻居表并获得也存储在各个邻居的邻居表中的诸如RSSI (接收信号强度指示)和/或LQI (链路质量指示)的参数。邻居表还可以包括到特定邻居的不止一个条目(entry)，作为由于建筑的特征造成的反射或类似现象导致的多路径传播的装置。类似地，由于考虑多路径传播的模拟，第二图还可包括节点间不止一个边缘。
[0042]例如，构建在GSM模块中的均衡器能够提供关于信道的多路径传播特性的测量数据，该均衡器还负责消除源自多路径传播的回波(echo)。均衡器的工作也可以包括在模拟中，例如随后将多路径传播特性并入到匹配的图中。
[0043]源自这些测量的邻居表然后可通过诸如向中心点无线地发射而能够被收集在中心点。
[0044]如仅一个特别的网络节点所示，邻居表已经表示了网络的小的子图。有可能将子图结合在一起以构建表示整个网络的更大部分的更大的子图。因此，可以建立层级，其中在最低的层级，至少结合(join) 了两个节点的邻居表(子图)，其中将该子图提交到下一级别，然后将接收到的子图与另一个子图结合，以此类推，直到结合了所有邻居表。该结合操作也可以由位于网络边缘处的网络节点执行。网络节点可被指定为输出完全结合的图。
[0045]在本发明的一个方面，第一图和第二图的匹配可能不是清楚地定义的，或者根本不可能清楚地定义。此时，由于针对网络节点的固定地址(例如建筑中的设备的位置)不能与逻辑地址匹配，因此向人类用户提供包括节点的信息。利用该信息，人类用户能够完成或执行匹配。算法的测试运行表明仅仅很少的网络节点保持不匹配，因此，通过将逻辑地址与固定的网络节点地址自动地进行匹配，该算法显著地支持人类用户。
[0046]现在提出本发明详细的和示例性的描述。
[0047]为了解决上述问题，本发明的系统和方法的特征在于以下三个部分:
[0048]1、信道估计:基于地理布局、建筑平面图和无线网络的部署计划产生对无线连接的全网估计的机制。
[0049]2、信道测量:从部署的无线网络收集实际连接信息和设备标识的机制。
[0050]3、匹配算法:将估计的信道特性和实际的信道特性匹配以产生在部署计划中绘制成图表的无线设备标识和其物理位置之间的映射的机制。
[0051]为了使无线网络服役(commission)，需要知道网络节点的标识和位置。以往存在两种解决该问题的方法:利用某种带外(out-of-band)机制在安装期间或者无线网络服役期间分配标识(地址)；以及利用某种带外机制在安装或服役期间登记之前分配的或随机分配的标识。
[0052]而本发明利用“带内(in-band)”机制解决寻址问题，从而消除了安装和启动过程中另外一个人工执行的步骤。
[0053]出于安装的目的需要产生必要的建筑、建筑平面图和/或部署计划，因此在绝大部分时间已经获得了必要的建筑、建筑平面图和/或部署计划。
[0054]对于寻址问题，存在被称为为“无线位置估计”的附带问题。与寻址问题的关键区别是无线位置估计目的在于产生坐标(仪表)中表示的位置。其将关于连接的信息映射到位置。另一方面，无线拓补分析根据连接信息来重新布置之前已知的位置以将地址映射到位置。
[0055]信道估计图，即第二图是顶点是安装的网络节点并且边缘是设备之间的无线链路的图。
[0056]顶点是由设备类型(制造商/类型设计)和设备位置决定的。边缘被分配了表示无线信道的某种质量的权重，该无线信道的质量主要是接收到的信号强度或飞行时间。图可被完全地连接，或者在图生成期间可移除权重小于某个临界值(cut-off-value)或阈值的边缘。
[0057]重要的问题是如何计算第二 (模拟的)图的权重。利用节点位置之间的距离不是足够好的估计。因此，在射线追踪算法中利用从平面图推导出的额外信息(墙壁、地板、天花板、其厚度和材料、门和窗户的位置)，该射线追踪算法通过将被障碍物反射的信号反射和穿过障碍物的信号透射的因素包括进去，针对每对设备来计算信号强度的估计。此外，在该模型中可以考虑以下因素，例如，网络节点的安装方向、天线特性、RF反射或吸收材料(例如在掉落的天花板中的金属板)、混凝土加强件、经由外部空间的RF传播、电梯井、防火门等。
[0058]信道测量图，即第一图具有与信道估计(图、顶点、属性、边缘、权重)相同的基本形式，但是利用专用的网络功能测量该第一图。无线网络在正常操作被中断期间被设置为“信道测量模式”。该过程如下:
[0059]-利用从管理设备向网络的所有网络节点广播的指令来引入该过程。
[0060]-所有网络节点都永久地激活它们的接收器，甚至是在大部分时间通常将会保持其接收器失效的网络节点。
[0061]-利用与广播类似的方案在整个网络上传播特定的测试模式。所有设备需要重新广播该模式。可以采取额外的注意以避免或减少碰撞的机会。测试模式包括各个发送网络节点的预先配置的标识符，例如MAC地址。测试模式可以在不同的子信道中利用不同的编码方案或天线配置生可能以不同的发射功率级别发送的多个消息。
[0062]-接收到测试模式的网络节点保存源发站的标识符并且推导出信道特性，例如接收信号强度。根据全部接收到的测试模式，设备构建一个含有标识符和连接信息的邻居表。由于存储约束，邻居表可被减少为仅包括被最强接收的邻居。
[0063]-然后，网络节点可以返回到关于使接收器循环的功率的接收器的正常行为。
[0064]-最后，设备发送器自身的标识符(MAC级别地址、制造商、类型名称......)并将
邻居表发送回管理设备。
[0065]此时，可通过将接收到的标识和邻居表集合成加权的、属性化的图(即第一图)来构建信道管理图。各个边缘和权重由最多两个邻居表条目(从其他的顶点接收测试模式的邻近顶点)组成。由于信道对称性、接收器和发射器的不同、以及信道的时间可变性，对应于图的一个边缘的两个接收到的信号强度可以不同或者可以缺少其中的一个。大的偏差可以是测试模式碰撞或干扰的标志。此外，上述的信道测量过程可以被重复或者是针对受到影响的子图。[0066]源自信道估计和信道测量的两个图基本类似。它们在归因于地点或位置(例如，在建筑中的位置)的信道估计的顶点方面以及归因于标识符的信道测量的顶点方面存在不同。除了属性，这两个图还在模拟和测量误差方面存在不同，更重要地，这两个图彼此被彻底地转置。
[0067]如果在这两个图中彼此对应的顶点被发现，这会导致从标识符到位置的理想映射。虽然这两个图在拓补上相似，但它们并不相同。
[0068]来自估计和测量的数值极度发散并且可能需要容忍小的拓补差异(在测量中错误安装的或有缺陷的网络节点不同地出现或者根本不出现)。
[0069]将两个在拓补上类似、加权的且具有可选属性的图彼此匹配的问题称作加权图匹配问题。关于此存在大量的学术研究，主要在模式识别领域。
[0070]由于其复杂性随着图大小而增加，因此发现最优的匹配是困难的。但是，存在多个试探的方法，如下。
[0071]该试探性的方法基于1996年由Steve Gold和Anand Rangarajan发表的论文“AGraduated Assignment Algorithm for Graph Matching”。该算法寻求找到置换矩阵 M，该置换矩阵M对所探索的在第一图和第二图之间的映射进行编码。通过对以下目标函数Ewg(M)进行最小化可以得到M:1 i I ^ I
[0072]
【权利要求】
1.一种用于诸如照明网络的无线建筑自动网络的网络节点，所述节点包括: 用于测量与所有无线连接的其他节点的无线连接的物理参数的装置，所述物理参数例如是信号质量、信号强度或飞行时间， 存储装置，其被配置为基于所测量的物理参数将连接信息连同相关联的无线连接的其他节点的标识符一起存储起来， 用于向另一节点无线转发所述连接信息的装置；以及 用于发送和/或接收和/或反射至少一个测试模式的装置，所述测试模式包括所述网络节点的标识符，例如MAC地址。
2.根据权利要求1所述的网络节点，其中，所述网络节点将所测量的连接信息和节点标识符存储在邻居表中。
3.根据权利要求1或2所述的网络节点，其中，所述网络节点存储与一个以上网络节点的连接信息。
4.根据前述任一项权利要求所述的网络节点，其中，所述网络节点被配置为接收并存储其他网络节点的邻居表和/或利用计算装置将所接收的网络表组合成图或子图。
5.根据前述任一项权利要求所述的网络节点，其中，所述用于无线转发的装置被配置为无线地发送所存储的邻居表、图和/或子图。
6.根据前述任一项权利要求所述的网络节点，其中，由网络节点将网络节点提供的例如与无线链路有关的所测量的连接信息与第二网络节点提供的所测量的连接信息组合起来。
7.根据前述任一项权利要求所述的网络节点，其中，例如利用不同的编码方案和/或天线配置、在不同的子信道中、以不同的发射功率级别发送所述模式。
8.根据前述任一项权利要求所述的网络节点，其中，所述模式用于测量飞行时间。
9.根据前述任一项权利要求所述的网络节点，其中，所述网络节点存储始发所述测试模式的所述网络节点的标识符并且推导出接收到所述模式的所述通信信道的信道特性，并且其中，根据全部接收到的测试模式，所述网络节点构建所述邻居表。
10.根据前述任一项权利要求所述的网络节点，其中，所述网络节点是以下至少一种:传感器、照明装置、控制设备、用于照明装置的操作设备、作用物和建筑技术设备。
11.一种具有至少两个无线通信节点以及计算装置的系统，该系统被设计用于: 基于至少两个节点的连接信息来构建测量连接图； 基于所述至少两个节点的预设的已知空间布置及其建筑环境来产生模拟连接图；以及 通过将所述测量连接图与所述模拟连接图相匹配来将所述连接信息的标识符与所述至少两个节点中的每一个节点的空间位置关联起来。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述无线通信节点是根据权利要求1至10中任一项所述的节点。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述模拟使用射线追踪方法来模拟所述节点之间的连接。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的系统，其中，所述两个图是至少部分匹配的。
15.根据权利要求11至14中 任一项所述的系统，其中，所测量的连接信息被提供为邻 居表。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的系统，其中，由网络节点将网络节点提供的例如与无线链路有关的所测量的连接信息与第二网络节点提供的所测量的连接信息组合起来。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的系统，其中，所述测量是由发送到所述网络节点的特定命令触发的，其中，全部网络节点激活各自的接收装置。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的系统，其中，测试模式被传播到所述网络节点，其中，所有网络节点重新发送所述模式，其中所述测试模式包括每个发送网络节点的标识符，如MAC地址，并且其中，例如利用不同的编码方案和/或天线配置、在不同的子信道中、以不同的发射功率级别来发送所述模式消息。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的系统，其中，所述测试模式用来测量飞行时间。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的系统，其中，接收到所述测试模式的网络节点存储始发网络节点的标识符并且推导出接收所述模式的通信信道的信道特性，并且其中，根据全部接收到的测试模式，所述网络节点构建所述邻居表。
21.一种用于向 建筑自动网络的网络节点自动分配空间位置的方法，所述建筑自动网络例如是照明网络并且具有至少两个无线通信节点，该方法包括以下步骤: 基于至少两个节点的连接信息来构建测量连接图； 基于所述至少两个节点的预设的已知空间布置及其建筑环境来产生模拟连接图；通过将所述测量连接图与所述模拟连接图相匹配来将所述连接信息的标识符与所述至少两个节点中的每一个节点的空间位置关联起来。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述无线通信节点是根据权利要求1至10中任一项所述的节点。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，所述模拟使用射线追踪方法来模拟所述节点之间的连接。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其中，所述两个图是至少部分匹配的。
25.根据权利要求23至24中任一项所述的方法，其中，所测量的连接信息被提供为邻居表。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中，由网络节点将网络节点提供的例如与无线链路有关的所测量的连接信息与第二网络节点提供的所测量的连接信息组合起来。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的方法，其中，所述测量是由发送到所述网络节点的特定命令触发的，其中，全部网络节点激活各自的接收装置。
28.根据权利要求21至27中任一项所述的方法，其中，测试模式被传播到所述网络节点，其中，所有网络节点重新发送所述模式，其中所述测试模式包括每个发送网络节点的标识符，如MAC地址，并且其中，例如利用不同的编码方案和/或天线配置、在不同的子信道中、以不同的发射功率级别来发送所述模式消息。
29.根据权利要求21至28中任一项所述的方法，其中，接收到所述测试模式的网络节点存储始发网络节点的标识符并且推导出接收所述模式的通信信道的信道特性，并且其中，根据全部接收到的测试模式，所述网络节点构建所述邻居表。
【文档编号】H04L12/24GK103891370SQ201280051085
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年8月7日 优先权日:2011年8月18日
【发明者】E·霍利斯, S·祖德勒克切 申请人:赤多尼科两合股份有限公司