专利名称：用于把时隙分配给无线的联网网络的网络节点之间的链路的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于把时隙分配给无线的联网网络的网络节点之间的链路的方法以及一种用于在应用该用于时隙分配的方法的情况下进行数据传输的方法。此外，本发明还涉及一种网络管理单元和一种无线的联网网络。
背景技术：
无线的联网网络通常也称为网状网络(Mesh网络)，其基于这样的原理，即通过多个彼此通信的具有无线通信能力的网络节点通过所谓的跳(也就是说，通过其它节点的转达)把数据从一个网络节点传输至另一个。在此这样构造网络，即在一个网络节点的有效范围内存在多个另外的网络节点，数据能被发送至该另外的网络节点。在网状网络中传输数据的范畴中，应用调度方法，借助于该调度方法把时隙分配给两个网络节点之间的相应的链路，其中链路能用于数据传输。通常通过多个传输频率(下文中也称为信道)进行数据传输，其中，对具有不同的开始-和结束节点的不相交的链路来说，在不同的信道上在时隙中能应用具有不同的开始-和结束节点的多个链路。为了确保无线联网网络中可靠的数据传输，目前应用调度方法，其中越过尽可能所有的用于数据传输的信道把时隙分配给相应的链路以用于数据传输。不利的是，通常在相应的时隙中激活单独的网络节点以用于听取或发射。例如，如果无线联网网络是具有电池驱动的传感器的传感器网络，那么这导致传感器的工作时间缩短，因为在信道中听取导致高的能量消耗，因此在短的时间间隔后必须更换传感器的电池。
发明内容
因此，本发明的目的在于，这样设计从时隙向无线联网网络的网络节点之间的链路的分配，即在数据传输的范畴中，在确保网络节点的能量高效的工作的同时还确保了数据传输的良好的可靠性。该目的通过独立权利要求实现。在从属权利要求中定义了本发明的改进方案。在根据本发明的方法中，把时隙分配给由多个无线通信的网络节点组成的无线联网网络的网络节点之间的链路，其中，能基于时隙借助于待用于数据传输的时隙向源节点和目标节点之间的链路的分配，在一个或多个信道上传输网络中的数据以及特别是数据包。也就是说，数据传输利用了相应定义的时隙的分配，从而在数据传输期间在相应的时隙和相应的信道中仅能传输用于通过分配确定的链路的数据。在此要考虑到，在时隙中能同时通过多个信道(只要存在)传输数据，因此在边缘条件(在相同的时隙中应用的链路是分离的且具有不同的开始-和目标节点)下，一个时隙可同时用于多个链路。由此考虑到，在无线传输的范畴中，网络节点每个时隙仅能在一个信道上发出或接收数据。根据本发明的从时隙向链路的分配用于所谓的多跳传输，其中对于源节点和目标节点之间的数据传输来说，确定彼此跟随的跳级(Hopebenen)的预定的数量，且对每个跳级来说存在多个网络节点，数据能通过该网络节点从源节点继续传输至目标节点。通过这种方式合适地确定了，在源节点和目标节点之间的跳级中应该应用多少节点以用于数据传输，其中必须始终确保，即相邻的跳级的相应的节点相对彼此在有效范围内。在根据本发明的方法中，在步骤a)中确定从源节点至目标节点的主路径，该主路径在每个跳级分别具有网络节点以及具有相邻(亦即直接彼此跟随)的跳级的网络节点之间的相应的链路。因此，链路是在跳级的顺序中一个跳级至下一个跳级之间的有针对性的传输路径。此外，在步骤b)中为源节点和目标节点之间的跳级从相应的跳级的多个网络节点中分别确定多个备选的，不属于主路径的网络节点，其中为相应的备选的网络节点分配了从在前的跳级中的主路径的网络节点和相应的备选的网络节点之间的备选的链路以及相应的备选的网络节点和下一个跳级中的主路径的网络节点之间的备选的链路。根据本发明，最后在步骤c)中这样为主路径的链路和备选的链路分配时隙，即从相应的网络节点延伸的备选的链路获得时间上较晚的时隙，作为从相应的网络节点延伸的、主路径的链路。这种第一标准在此涉及主路径的网络节点。根据既涉及主路径的网络节点又涉及备选的网络节点的第二标准，进入相应的网络节点中的链路获得时间上较早的 时隙，作为从相应的网络节点延伸的链路。根据本发明的方法的特征在于，从通过主路径的数据传输出发，以合适的方式确定备选的路径。在根据第一标准的时隙分配的范畴中，保证了主路径的优先地位。此外，通过第二标准实现了，数据顺序地通过相应的跳级在源节点和目标节点之间传输。通过合适地确定主路径(例如基于尽可能低的数据错误率的标准)以及相应数量的备选链路一方面能实现可靠的数据传输。另一方面，通过根据本发明定义的调度限制了通过相应的链路的传输可能性的数量，因此未用于传输的时隙的数量减小，并由此在可与已知的方法相比的可靠性的情况下实现了显著能量高效的数据传输。在优选的实施方式中，在根据本发明的步骤c)中定义的时隙分配基于下面的规定执行i)对主路径的相应的网络节点来说，每个进入相应的网络节点的备选的链路获得在时间上较早的时隙，作为从相应的网络节点延伸的、主路径的链路；ii)对主路径的相应的网络节点来说，每个从相应的网络节点延伸的备选的链路获得在时间上较晚的时隙，作为从相应的网络节点延伸的、主路径的链路；iii)对相应的备选的网络节点来说，进入相应的备选的网络节点的备选的链路获得在时间上较早的时隙，作为从相应的备选的网络节点延伸的备选的链路。如上所述，特别基于一个标准能实现数据传输的高可靠性，根据该标准，主路径或其链路具有在数据传输时尽可能低的数据错误率和/或尽可能高的可靠性/链路稳定性和/或在数据传输时尽可能好的能量效率。在本领域技术人员的操作的范畴中进行对这种标准的相应的确定。在另一个实施方式中，确定用于备选的网络节点的相应的标准。也就是说，优选这样选择备选的网络节点，即其备选的链路具有在数据传输时尽可能低的数据错误率和/或尽可能高的可靠性/链路稳定性和/或在数据传输时尽可能好的能量效率。根据应用情况能改变在该方法的范畴中应用的备选的网络节点的数量。如果网络的特别能量高效的运行是重要的，那么在优选的变型中，对至少一个和特别是所有的跳级来说确定单独备选的网络节点。如果数据传输的高可靠性是重要的，那么在另一个变型中对至少一个和特别是所有的跳级来说能确定多个备选的网络节点。在本发明的另一个优选的实施方式中，对相应的跳级来说以时间的顺序对备选的网络节点进行分类，根据该时间的顺序把时隙分配给具有其备选的链路的备选的网络节点。由此实现了，在把时隙分配给备选的网络节点时，通过相应地确定这种时间的顺序考虑其它的标准，例如像通过备选链路的数据错误率。当分配时隙时，首先应该考虑具有低的数据错误率的具有备选链路的备选的节点，并且接着才考虑具有闻的数据错误率的备选的网络节点。在根据本发明的另一个变型中，除了主路径的链路和备选的链路之外，还考虑了相邻的跳级的备选的网络节点之间的附加链路。对至少一对相邻的跳级来说，分别确定相邻的跳级的备选的网络节点之间的至少一个附加链路，其中从一个备选的网络节点延伸的备选链路获得在时间上较早的时隙，作为每个从备选的网络节点延伸的附加链路。 在根据本发明的方法的另一个变型中，能为相应的链路分配具有可变的长度的时隙。例如，能设定固定的时隙长度，其中为了延长时隙，为相同的链路分配了具有该固定的时隙长度的多个彼此跟随的时隙。如上所述，该方法的特征在于网络的能量高效地运行。因此，优选在形式为无线的传感器网络的联网网络中实施该方法，在该联网网络中，网络节点至少部分是具有自给自足的能量供给装置的传感器，例如像电池驱动的传感器。尽管这样，该方法也能用在其中传感器没有能量限制的传感器网络中。除了上述用于把时隙分配给联网网络中的网络节点之间的链路的方法外，本发明还涉及一种由此产生的、用于在具有多个网络节点的无线联网网络中基于时隙进行数据传输的方法。按照上述根据本发明的方法，把时隙分配给源节点和目标节点之间的链路，其中基于这种分配在源节点和目标节点之间，在一个或多个信道上传输数据。根据本发明的方法能与本身已知的数据传输方法结合，例如像与从现有技术已知的无线HART标准或IEEE805. 15. 4e或ISA100. Ila结合。在此仅必须实现例如在网络管理单元中时隙向网络节点的分配。此外，本发明还涉及一种用于由多个彼此无线通信的网络节点组成的无线的联网网络的网络管理单元，其中，网络管理单元这样设计，即网络管理单元基于上述根据本发明的分配方法把时隙分配给网络节点之间的链路。此外，本发明还涉及一种由多个彼此无线通信的网络节点组成的、具有这种网络管理单元的无线的联网网络。这样设计网络节点和网络管理单元，即它们能基于上述的传输方法传输数据。
下面根据附图详细地描述本发明的实施例。附图示出图I至图3示意性地示出，以根据本发明的方法的不同的实施方式为基础对网状网络的网络节点之间的链路的应用；图4示意性地示出网状网络，其中实施根据本发明的方法的一个实施方式；以及图5示出图表，该图表描述了基于根据本发明的方法用于图4的网状网络的时隙向链路的分配。
具体实施例方式下面描述用于多跳网状网络的根据本发明的方法的实施方式，其中基于时隙利用合适的标准，例如像无线HART传输数据包。根据本发明的方法体现了时隙向网络节点之间的相应的无线链路的新型分配，其中除了尽可能可靠的传输之外，还确保了尽可能能量高效地利用网络节点。该方法特别适合用于传感器网络中，其中传感器是网络节点的至少一部分，且通常具有自给自足的能量供给装置(例如电池)。在这种网络中，数据不是连续地从源节点传输至目标节点，而是经常出现较长的传输间歇，直至相应的传感器再次确定新的、要提供给其它网络节点的传感器数据。为了尽可能能量高效地运行传感器，值得期待的是，即传感器不必在不发生这种数据传输时多余地经常在相应的时隙中等待数据传输。这是因为，相应的传感器在等待数据传输时听取无线信道并进而需要更多能量，这违背了尽可能小的能量消耗的目的。在根据图I至3描述根据本发明的方法的变型之前，首先对图4进行说明，图4示例性地示出多跳网状网络的一部分。示出了该网络的总共24个网络节点1，2，3，…，24。此 夕卜，通过虚线示出在彼此有效范围内网络节点之间的形式为直接通信路径的可能的链路。然而，在从网络节点9至网络节点16的多跳数据传输的范畴中，仅应用了网络节点之间在图4中加粗以虚线示出的链路。在此通过图4的网络中的单独的栏(该栏分别包括三个示出的节点)形成基于跳的传输的相应的跳级，其中，对源节点9至目标节点16之间的跳级彼此跟随地进行标号，并且数据包的传输总是根据标号从一个跳级的相应的网络节点至下一个跳级的随后的网络节点。在根据本发明的方法中，首先确定用于从源节点至目标节点的数据传输的所谓的主路径。在图4中，这种主路径具有标识MP并通过相应的箭头示出。能看到，主路径从节点9出发水平地通过节点10，11，…，15延伸至目标节点16。能根据应用情况合适地确定主路径。优选这样选择该路径，即与其它路径相比主路径上的数据包错误率低。在根据本发明的方法中，除了主路径之外还定义了具有备选链路的通过其它网络节点的相应的备选路径，以便当在主路径上数据包损失时保证通过其它链路的数据传输。同时定义了相应的调度方法，这样设计该调度方法，即相对于其它传输方法优选沿着主路径传输，且该调度方法还保证了从源节点至目标节点的顺序的多跳传输。图I至图3示出用于根据无线联网网络的网络节点1，2，…，10考虑备选路径的不同的变型方案。需要注意的是，在图I至图3中网络节点的标号与图4的联网网络没有相关性。图I至图3示出具有相应可应用的链路的多跳网络的局部。再次确定用于源节点和目标节点之间的数据传输的主路径，该主路径延伸经过网络节点1，2，3，4和5且包括链路LI，L2，L3和L4。总的来说，能把源节点Bi和目标节点a]之间的主路径描述为网络中的
次图表，该次图表包括网络节点Nmain的组和链路的组
权利要求
1.一种用于把时隙(S0，S1，…，S16)分配给无线的联网网络的网络节点(1，2，-,10)之间的链路(L1，L2，…，L16)的方法，所述无线的联网网络由多个无线通信的网络节点(1，2，…，10)组成，其中，能基于时隙借助于待用于数据传输的时隙(S0，S1，…，S16)向源节点和目标节点之间的所述链路(LI，L2，…，L16)的分配，在一个或多个信道(CO，Cl，…，C16)上通过多跳传输所述网络中的数据，其中，对所述源节点和所述目标节点之间的数据传输来说，确定彼此跟随的跳级(h-2，h-1，…，h+2)的预定的数量，以及对每个跳级(h-2，h-1，…，h+2)来说，存在多个网络节点(1，2，…，10)，通过所述网络节点能把数据从所述源节点继续传输至所述目标节点，其中 a)确定从所述源节点至所述目标节点的主路径(MP)，所述主路径在每个跳级(h-2，h-1,…，h+2)分别具有网络节点(1，2，3，4，5)以及具有相邻的跳级(h_2，h_l，…，h+2)的所述网络节点(I，2，3，4)之间的相应的所述链路(LI，L2，L3，L4); b)为所述源节点和所述目标节点之间的所述跳级(h-2，h-1,…，h+2)从相应的跳级(h-2, h-1, -,h+2)的多个网络节点(1，2，…，10)中分别确定多个备选的、不属于所述主路径的网络节点(6，7，8，9，10)，其中为相应的备选的网络节点(6，7，8，9，10)分配了从在前的所述跳级(h-2, h-1,…，h+2)中的所述主路径(MP)的所述网络节点(I，2，3，4，5)至相应的备选的所述网络节点(6，7，8，9，10)的备选的链路(L5，L6，…，L14)以及从相应的备选的所述网络节点(6，7，8，9，10)至下一个跳级(11-2，h-Ι,…，h+2)中的所述主路径(MP)的所述网络节点(1，2，…，5)的备选的链路(L5，L6，…，L14); c)这样为所述主路径(MP)的所述链路(LI，L2，L3，L4)和备选的所述链路(LI，L2，…，L13)分配所述时隙(S0，SI，…，S16)，即从相应的网络节点(1，2，…，10)延伸的备选的链路(L5，L6，…，L14)获得时间上较晚的时隙(S0，SI，…，S16)，作为从相应的所述网络节点(1，2，…，10)延伸的、所述主路径(MP)的链路(LI，L2，L3，L4);进入相应的网络节点(1,2,…，10)中的链路(LI，L2，…，L13)获得时间上较早的时隙(S0，SI，…，S16)，作为从相应的所述网络节点(1，2，…，10)延伸的链路(LI，L2，…，L13)。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，在步骤c)中基于下面的规定分配所述时隙 i)对所述主路径(MP)的相应的网络节点(1，2，3，4，5)来说，每个进入相应的所述网络节点(1，2，3，4)的备选的链路(L6，L7，…，L14)获得在时间上较早的时隙(S0，SI，…，S16)，作为从相应的所述网络节点(I，2，3，4，5)延伸的、所述主路径(MP)的所述链路(LI，L2, L3, L4)； ii)对所述主路径(MP)的相应的网络节点(1，2，3，4，5)来说，每个从相应的所述网络节点(1，2，3，4，5)延伸的备选的链路(L5，L6，…，L14)获得在时间上较晚的时隙(S0，SI，…，S16)，作为从相应的所述网络节点延伸的、所述主路径(MP)的所述链路(LI，L2，L3，L4)； i i i )对相应的备选的网络节点(6，7，8，9，10 )来说，进入相应的备选的所述网络节点(6,7,8,9,10)的备选的所述链路(L5，L6，…，L14)获得在时间上较早的时隙(S0，SI，…，S16)，作为从相应的备选的所述网络节点(6，7，8，9，10)延伸的备选的所述链路(L5，L6,…，L14)。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，基于标准和/或在数据传输时尽可能高的可靠性和/或在尽可能低的数据错误率的数据传输时的尽可能好的能量效率来确定所述主、路径(MP)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，这样确定备选的所述网络节点(6，7，8，9，10)，即所述网络节点的备选的链路(L5，L6，…，L14)具有在数据传输时尽可能低的数据错误率和/或尽可能高的可靠性和/或在数据传输时尽可能好的能量效率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对至少一个和特别所有的跳级(h-2, h-1,…，h+2)来说确定一个单独的备选的网络节点(6，7，8，9，10)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对至少一个和特别是所有的跳级(h-2, h-1,…，h+2)来说确定多个备选的网络节点(6，7，8，9，10)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对相应的跳级(h-2，h-l，…，h+2)来说以时间的顺序对备选的所述网络节点(6，7，8，9，10)进行分类，根据所述时间的顺序把所述时隙(S0，S2，…，S16)分配给具有其备选的链路(L5，L6，-,L14)的备选的所述网络节点(6，7，8，9，10)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对至少一对相邻的跳级(h-2，h-1,…，h+2 )来说，分别确定在所述相邻的跳级(h-2，h-1，…，h+2 )的备选的网络节点(6，7，8，9，10)之间的至少一个附加链路(L15，L16)，其中，从备选的网络节点(6，7，8，9，10)延伸的备选的链路(L5，L6，…，L14)获得在时间上较早的时隙(S0，SI，…，S16)，作为每个从备选的所述网络节点(6，7，8，9，10)延伸的附加链路(L15，L16)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为相应的链路(LI，L2，…，L16)分配具有可变的长度的时隙(S0，SI，…，S16)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在形式为无线的传感器网络的联网网络中实施所述方法，在所述联网网络中，所述网络节点(1，2，…，10)至少部分是传感器且特别是具有自给自足的能量供给装置的传感器。
11.一种用于在具有多个网络节点(1，2，…，10)的无线联网网络中基于时隙进行数据传输的方法，其中，利用根据前述权利要求中任一项所述的方法把时隙(so, SI, ···, S16)分配给源节点和目标节点之间的链路(LI，L2，…，L16)，并且基于所述分配在所述源节点和所述目标节点之间，在一个或多个信道(CO，Cl，…，C16)上传输数据。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法以根据无线HART标准或IEEE802. 15. 4或ISA 100. Ila的数据传输为基础。
13.一种用于由多个彼此无线通信的网络节点(1，2，…，10)组成的无线的联网网络的网络管理单元，其中，所述网络管理单元这样设计，即所述网络管理单元能基于根据权利要求I至10中任一项所述的方法把时隙(S0，SI，…，S16)分配给网络节点(1，2，…，10)之间的链路(LI，L2，...，L16)。
14.一种由多个彼此无线通信的网络节点(1，2，…，10)组成的、具有根据权利要求13所述的网络管理单元的无线的联网网络，其中，这样设计所述网络节点(1，2，…，10)和所述网络管理单元，即所述网络节点和所述网络管理单元能基于根据权利要求11或12所述的方法传输数据。
全文摘要
本发明涉及一种用于把时隙(S0，S1，…，S16)分配给无线的联网网络的网络节点(1，2，…，10)之间的链路(L1，L2，L16)的方法，其中，能基于时隙借助于这种分配，通过跳或相应的跳级(h-2，h-1，…，h+2)把网络中的数据从源节点输送至目标节点。在根据本发明的方法中，为了数据传输而确定从源节点至目标节点的主路径(MP)，该主路径在每个跳级(h-2，h-1，…，h+2)分别具有网络节点(1，2，3，4)以及具有相邻的跳级(h-2，h-1，…，h+2)的网络节点(1，2，3，4，5)之间的相应的链路(L1，L2，L3，L4)。此外，确定具有相应的备选的链路(L5，L6，…，L14)的备选的网络节点(6，7，8，9，10)，这些链路能作为主路径(MP)的替换用于数据传输。通过把时隙合适地分配给主路径的链路以及备选的链路，能实现能量高效的且基于时隙的数据传输。例如，该方法能应用在传感器网络中，该传感器网络通常包括具有自给自足的能量供给装置的传感器。此外，在基于本身已知的无线HART标准的数据传输的范畴中能应用根据本发明的方法。
文档编号H04W72/12GK102742180SQ201180006908
公开日2012年10月17日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年1月22日
发明者安德烈亚斯·海因里希 申请人:西门子公司