多接入点无线网状网络的制作方法

本申请要求于2015年8月21日向美国专利和商标局提交的申请号为62/208,196的美国临时专利申请的权益，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及无线网状网络，这些无线网状网络配置为使用一个或多个接入点运行和/或配置用于精确的时钟同步。

背景技术：

在网络设计中和产生的、可以使用无线网状网络的应用范围内，无线网状网络提供了高水平的灵活性。在网状网络中，节点自动检测相邻节点并与这些相邻节点建立通信，以形成无线网状网。网络接入点(Access Point，AP)用作无线网状网络与该网状网络外部的元件之间的网关。网络管理器可以协调无线网状网络的运行，例如以协调节点的时间并建立节点间的通信链路。

在一个示例中，无线网状网络的多个节点中的每个均包括传感器，并且这些节点运行为通过该网络传递传感器的数据测量结果。在该示例中，网络接入点提供该无线网状网络与外部网络(例如，局域网(Local Area Network，LAN))之间的接口，并且使连接到外部网络的计算机能够从所有的无线网状网络节点接收传感器的数据测量结果。

无线网状网络设备的设计者和制造商已开发了先进的、能够提供各种网络服务的无线网络节点、接入点和网络管理器。然而，这样的无线网状网络利用有限的资源运行，这些有限的资源通常限制了可以形成网络一部分的节点的数量，并限制了该网络中每个节点的可用带宽。

例如，标准无线网状网络可以仅包括单个网络管理器(“管理器”)和与多个传感器节点(“智能微尘(mote)”)通信的单个活跃的接入点(“AP”)。这些智能微尘和该AP形成由该管理器命令的无线网状网。然而，由于仅存在单个活跃的AP，所以这些无线网状网络的带宽可能受到限制，在该单个活跃的AP发生故障或失败的情况下，网络可能会变得可靠性低，这些网络可能会因单点的故障而不可用，这些网络可能受限于单个管理器可以支持的智能微尘数量的限制，并且物理分离的网络部分之间的精确同步可能是困难的。

因此，需要能够支持多个AP并且可以在分离的网络部分之间提供精确的时钟同步的无线网状网络。

技术实现要素：

本文的教导缓解了无线网状网络中的上述问题中的一个或多个。

根据本公开的一方面，网状网络系统包括多个网络节点、网络管理器和至少一个网络接入点。每个网络节点包括处理器和配置用于与所述网状网络系统的其它网络节点和接入点进行无线通信的无线收发器。所述网络管理器通信地连接到所述多个网络节点并且配置为管理无线网状网络的运行，所述无线网状网络包括所述多个网络节点的节点。每个网络接入点包括处理器、配置用于与所述网状网络系统的网络节点进行无线通信的无线收发器、以及配置用于与所述网络管理器进行通信的有线或无线收发器。所述网络管理器和所述多个网络节点通过所述至少一个网络接入点通信连接。此外，所述至少一个网络接入点运行为将其运行同步到外部时钟，并将所述外部时钟的时间信息发送到所述网状网络系统的网络节点。

所述至少一个网络接入点可运行为将其运行同步到用作外部时钟的全球定位系统(Global Position System，GPS)时钟或用作外部时钟的协调世界时(Coordinated Universal Time，UTC)时钟。

所述至少一个网络接入点可包括多个网络接入点，并且所述多个网络接入点中每个网络接入点的无线收发器还可配置用于与所述多个网络接入点的其它网络接入点进行无线通信。

所述多个网络接入点中的一些网络接入点可将其运行同步到用作外部时钟的GPS时钟或用作外部时钟的协调世界时(UTC)时钟。

所述多个网络接入点中的至少另一个网络接入点可运行为将其运行同步到所述网状网络系统的所述至少一个网络接入点发送的所述时间信息。

网络管理器可将所述多个网络接入点中的每个网络接入点控制为将其运行有选择地同步到外部时钟和所述无线网状网络中传送的通告包的时间信息中的一个。

所述网络管理器可将所述多个网络接入点中的第一网络接入点控制为将所述第一网络接入点的内部时钟的时间信息发送到所述网状网络系统的网络节点，并且所述网络管理器可将所述多个网络接入点中的第二网络接入点控制为将其运行同步到自所述第一网络接入点接收的时间信息。

所述网络管理器还可将所述多个网络接入点中的第二网络接入点控制为，一旦确定所述第一网络接入点已发生故障，就将所述第二网络接入点的内部时钟的时间信息发送到所述网状网络系统的网络节点。

所述多个网络接入点中的第一网络接入点可提供所述网络管理器与所述多个网络节点之间的通信链路，所述多个网络接入点中的第二网络接入点可同步到与所述第一网络接入点相同的时间参考，且所述第二网络接入点可响应于确定所述第一网络接入点已发生故障，仅提供所述网络管理器和所述多个网络节点之间的通信链路。

根据本公开的另一方面，网状网络系统包括多个网络节点、网络管理器和多个网络接入点。每个网络节点包括处理器和配置用于与所述网状网络系统的其它网络节点和接入点进行无线通信的无线收发器。所述网络管理器通信地连接到所述多个网络节点并且配置为管理无线网状网络的运行，所述无线网状网络包括所述多个网络节点的节点。每个网络接入点包括处理器、配置用于与所述网状网络系统的网络节点和其它接入点进行无线通信的无线收发器、以及配置用于与所述网络管理器进行通信的有线或无线收发器。所述多个网络接入点中的每个网络接入点运行为提供所述网络管理器与所述多个网络节点之间的通信链路。所述多个网络接入点中的第一网络接入点将时间信息发送到所述网状网络的网络节点和其它网络接入点。所述多个网络接入点中的第二网络接入点将其运行同步到所述第一网络接入点发送的时间信息。

所述第一网络接入点可运行为将其运行同步到外部时钟，并将所述外部时钟的时间信息发送到所述网状网络系统的网络节点。

所述第一网络接入点可运行为将其运行同步到用作所述外部时钟的GPS时钟或用作所述外部时钟的协调世界时(UTC)时钟。

所述第一网络接入点可根据所述第一网络接入点的内部时钟来运行，并可将所述内部时钟的时间信息发送到所述网状网络的网络节点和其它网络接入点。

所述网络管理器可将所述第二网络接入点控制为，一旦确定所述第一网络接入点已发生故障，就向所述网状网络的网络节点和其它网络接入点发送时间信息。

所述第一网络接入点和所述第二网络接入点可同时运行为提供所述网络管理器与所述多个网络节点之间的通信链路。

根据本公开的另一方面，网状网络系统包括多个网络节点和多个网络接入点。每个网络节点包括处理器和配置用于与所述网状网络系统的其它网络节点和接入点进行无线通信以形成无线网状网络的无线收发器。所述网络节点配置为管理无线网状网络的运行。每个网络接入点包括处理器、配置用于与所述网状网络系统的网络节点和其它接入点进行无线通信的无线收发器、以及配置用于通过广域网(Wide Area Network，WAN)进行通信的有线或无线收发器。所述多个网络接入点中的每个网络接入点运行为提供所述WAN与所述多个网络节点之间的通信链路。此外，每个网络接入点运行为将其运行同步到外部时钟，并将所述外部时钟的时间信息发送到所述网状网络系统的网络节点。

所述多个网络接入点可包括第一网络接入点和第二网络接入点，所述第一网络接入点和所述第二网络接入点运行为提供所述WAN与所述多个网络节点的第一子集和第二子集中相应一个子集之间的通信链路，且网络节点的第一子集中的网络节点可仅通过WAN与网络节点的第二子集中的网络节点进行通信。

所述多个网络节点可配置为通过建立所述无线网状网络的通信计划表来管理所述无线网状网络的运行。

每个网络接入点可运行为将其运行同步到用作外部时钟的GPS时钟或用作外部时钟的协调世界时(UTC)时钟。

所述多个网络节点可共享公共网络标识符ID和在同一网络中兼容使用的多个网络地址。

附加的优点和新颖的特征将在下面的描述中得到部分阐述，并在研究以下说明和附图时在某种程度上对于本领域技术人员将变得明显易懂，或者可以通过示例的产品或操作而获悉。本教导的优点可以通过实践或使用下面讨论的详细示例中阐述的方法、手段和组合的各个方面来实现和获得。

附图说明

附图仅通过示例而非限制的方式描绘了根据本教导的一个或多个实施方式。在这些附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。为了节省空间或更有效的说明，可能是明显或不必要的细节可能被省略。一些实施例可以用附加的部件或步骤和/或无需所有示出的部件或步骤来实施。

图1A和图1B示出了具有无线多个接入点、无线智能微尘、GPS时间源、管理器和主机应用软件的网络的示例。

图2A和图2B示出了示例性实施例中的网络管理器与AP之间的互连的示例。

图3A-图3C分别是可在图1A和图1B的无线网状网络系统中使用的示例性无线节点、示例性接入点和示例性网络管理器的概要功能框图。

具体实施方式

在以下详细描述中，通过示例的方式阐述了许多具体的细节，以便为相关教导提供透彻的理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实践本教导。在其它情况下，为了避免不必要地模糊本教导的各方面，已经相对概括地、没有细节地描述了众所周知的方法、过程、部件和/或电路。

本文公开的各种系统和方法涉及无线网状网络，尤其涉及配置为使用一个或多个接入点进行运行和/或配置用于接入点和智能微尘之间的精确时钟同步的无线网状网络。

现在详细参考在附图中示出并在下面讨论的示例。

图1A示出了示例性的无线网状网络100，该无线网状网络包括多个无线网状网络节点107、109、111、113和115，这些无线网状网络节点通过无线链路(以虚线示出)彼此通信，这些无线网状网络节点也均称为智能微尘。每个节点或智能微尘包括无线收发器。作为传感器节点运行的节点包括传感器并生成在无线网状网上传输的数据包，该数据包包括传感器测量数据。同一节点或另一节点可以运行为执行器或包括执行器或控制器的控制节点，且通过该无线网状网接收控制包。

无线网状网络100还包括一个或多个无线接入点(AP)101、103和105。AP可具有通向两个节点和其它AP的无线链路。另外，每个AP用作无线网状网络100(包括节点107、109、111、113和115)与该网状网络外部的元件之间的接口或网关。例如，AP可以提供无线网状网络100与可以是有线或无线的外部网络(例如，120)之间的接口。在所示的示例中，AP通过有线链路(以实线示出)与网络管理器119通信，并与一个或多个主机应用软件121a和121b通信。AP与网络管理器119和/或主机应用软件121a、121b之间的通信可以通过诸如因特网的外部网络120路由。注意，AP、网络管理器119和/或主机应用软件121a、121b之间的通信链路可以是有线链路或无线链路，该链路诸如WiFi连接或蜂窝连接。

网络管理器119协调无线网络设备(节点和AP)的运行以使无线网络设备彼此之间进行有效地通信，并将带宽(例如，信道和时隙对)和网络地址(或其它唯一标识符)分配给网络节点和AP以实现协调的网络通信。具体地，网络管理器119负责控制无线网状网络100的运行。举例而言，网络管理器119可以建立和控制网络时间(例如通过选择网络是根据AP的内部时钟还是根据外部时钟来起作用，并通过将AP配置为与适当的选定时钟同步)。网络管理器119还可以通过将节点和接入点选择性地加入到网络、为加入的设备分配网络地址(或其它的唯一标识符(Unique Identifier，ID))、及通过为网络的不同设备分配带宽而设置网络的通信计划表，来确定哪些设备(例如，节点和接入点)可以参与网络。该通信计划表可以为网络的设备(例如，无线节点107和AP 103)分配时隙对和信道，从而确定网络时钟的每个时隙内、每个信道上可以通信的设备。另外，该通信计划表可以分配构成“加入监听”带宽的时隙对和信道，在此期间，寻求加入该网络的无线节点可以发送网络加入消息，并且在此期间，已经加入到该网络的无线节点监听这种网络加入消息。

AP 101、103和105中的一个或多个可以可选地通信地连接到诸如GPS时间源117的外部时间源。在图1A中，例如，AP 105连接到GPS时间源117，以使AP 105能够将其时钟同步到GPS时间基准。在这方面，AP 105是外部计时的。在一个示例中，另外的AP 101和AP 103可以通过与网状网络的无线通信接收时钟基准，该时钟基准诸如为同步于GPS时间源117的时钟基准。

在运行中，在网状网络节点107、109、111、113和115中生成的数据可以通过网状网络100流到AP 101、103和105中的任何一个。另外，在网络管理器119或主机应用软件121a、121b处生成的用于在网状网络100中传输的数据可以同样地从AP 101、103和105中的任何一个流到其目的节点。

无线网状传感器网络100能够从传感器节点所在的多个感测点收集传感器测量数据(和/或应用数据)。该网络100能够通过构建多跳通信链路网状网来收集传感器数据，该多跳通信链路网状网是使用节点构建的。远程节点发送的数据可以通过使每个节点重新发送所接收的、在拓扑上更接近每个包目的地的包，而经由该网状网自动路由。替代地，每个节点可以在该节点的下一个通信机会重新发送所接收的包，该下一个通信机会基于网络管理器119为网络建立的网络节点通信计划表而确定，不管与该下一个通信机会相关联的目的节点。包在一对节点之间的每次发送和接收可以称为一跳，并且数据包可以采用不同的多跳路由通过网状网而到达其目的地。通常，包括从网状网络中的节点发送的传感器数据的包的目的地是无线网状网络100的AP，并且该包所遵循的路由取决于路径稳定性和网络节点通信计划表。通过类似的过程，传感器应用数据和其他包(例如，来自主机应用软件121a、121b)以相反的方向通过网状网络传播，例如，从AP到用作目的节点的传感器节点。

在具有单个AP(例如，103)的无线网状网络中，当AP通电且通过有线的AP-管理器接口从网络管理器119接收到指示网络无线链路的网络标识符和网络节点通信计划表时，该网络可以被建立并开始运行。在接收到网络标识符和网络节点通信计划表之后，该单个AP可以负责设置网络中的时间基准，并且可以基于该AP自身的时间基准(例如，AP的内部时钟)开始以通告包的方式分发网络通告，这些通告包用于通告该网络并用于使试图加入该网络的节点能够将其时钟同步到根据AP的时钟设置的网络时间基准。

当节点首次通电时，该节点可经历网状网络搜索和加入过程。搜索和加入过程的第一部分可以涉及这样的节点，即该节点监听来自其附近的任何现存网状网络的通告，并将其内部时间基准(例如时钟)同步到无线网状网络(通告包从其接收)的时间基准。一旦同步，该节点就与其正寻求加入的无线网状网络的管理器119进行安全握手。该安全握手可涉及在该正加入的节点与管理器119之间交换多个包，这些包通过无线网状网来回发送。在该握手结束时，管理器119可以在网络节点通信计划表中添加无线链路，以向该正加入的节点提供通过无线网状网络接收和/或发送包的机会，以便允许已加入的节点参与网络并通告其它节点加入。

在实现方式初期，正加入/已加入的节点跟踪网络时间基准，并且该网络时间基准被设置为取决于(并相应地反映)AP的内部时钟。管理器119可以将网络时间基准转换为协调世界时(Coordinated Universal Time，UTC)。但是，由于网络时间基准和UTC之间的时钟漂移，因此时钟转换的分辨率(resolution)远低于设备到设备的时间同步。此外，在转换直接在网络节点中进行的情况下，准确度损失和保真度损失是严重的。

如关于图1A所描述的，无线网状网络100可包括多个AP(例如101、103、105)。在这样的网络中，网络具有多个出口点和多个入口点，所述多个出口点用于包从无线网状网络100传递到管理器119或主机应用软件121a、121b，所述多个入口点用于包从管理器119或主机应用软件121a、121b传递到无线网络中的节点。这样，网络可能够支持每秒从网络接收的更多的包和每秒向网络发送的更多的包。此外，因为与具有单个AP的网络不同，该网络不会具有单点故障(在具有单个AP的网络中，AP的故障将阻止进一步的网络运行)，所以该网络可以表现出更高的可靠性。

另外，多个AP的使用可以使网络能够用单个管理器119支持比具有单个AP的相应网络所支持的节点多的节点。在一个示例中，具有单个AP的无线网状网络可能够基于网络硬件、通信和网络协议等施加的约束条件，支持最大数量的节点(例如，100个节点)和最大吞吐量(例如，上行数据每秒36个包)。此外，具有单个AP的网络如果该网络的AP出现故障，则可能会完全故障。然而，通过在单个网络中安装多个AP(例如，12个AP)，管理器在相同条件下可能够支持更多的节点(例如，在我们示例中的12×100＝1200个智能微尘)和更多的数据吞吐量(例如，上行数据每秒12×36＝432个包)。此外，如果多个AP(例如，12个AP)中的任何一个出现故障，则网络可能够在可用性能略有下降的情况下继续运行，这可能会影响或可能不会影响主机应用软件。

然而，对于具有多个AP的网络，所有的AP和节点可能需要根据相同的时间基准进行运行，以使网络有效地工作。事实上，对于所有的、根据同一网络通信计划表进行通信的AP和节点，这些AP和节点应该被同步到相同的时间基准，该时间基准用于确定该网络通信计划表中的当前时间点。因此，网络中的多个AP通常需要就当前网络时间达成一致(例如，在几微秒内)，使得所有AP可以被同步。接下来，由于多个不同的AP分发网络通告包，正加入的节点(和已加入节点)将其通信同步到该通告包，所以AP中的同步使得通过相同或不同的AP加入网络的节点彼此同步且与网络时间基准同步。

对于无线网状网络中的AP之间的同步，提供了两种方法。

根据第一种方法，无线网状网络中的多个AP中的一个AP被指定为提供时间基准。所指定的AP可以使用其自己的内部时间基准(例如，其自己的内部时钟)作为网络时间基准，并且网络中的其它AP可以将它们的运行同步到所指定的AP的内部时间基准。

根据第二种方法，可以使用外部时间基准。例如，可以使用GPS时间基准(例如，117)、UTC时间基准或其它准确的时间基准。在图1A的示例中，一个AP 105可以与外部时间基准直接通信，并可以将它的时钟同步到外部时间基准。接着，AP 105可以对该时间基准进行通告，以使网络中的其它AP能够将它们的运行同步到所通告的时间基准。在其它示例中，多个AP可以与外部时间基准直接通信，并可以将它们的时钟同步到外部时间基准。在该其它示例中，不与外部时间基准直接通信的任何剩余AP可以将它们的运行同步到由网络中的其它AP(例如，与外部时间基准直接通信的其它AP)所通告的时间基准。

通常，如果网络具有至少一个与外部时钟同步的AP，则该网络中的其它AP不能与内部时钟同步。替代地，所有网络AP必须同步到相同的外部时钟，或者同步到跟踪外部时钟的网络时钟(如加入到网络的AP所通告的)。例如，AP可以与通告包中提供的时间信息同步，该通告包发送自同步到外部时钟或网络时钟的AP和节点。同样，如果网络具有一个同步到本地/内部时钟的AP，则该网络中的所有其它AP必须基于该一个AP发送的通告同步到网络时间。

在根据外部时间基准设置网络时间并且AP同步到这种外部时钟的情况下，每个网络节点使用的时间基准可以跟踪外部时钟(例如，UTC时间或其它准确的时间基准)。在由单个管理器管理的单个网络包括物理上分离的设备簇(子网)的情况下，例如，在如图1B中示例性示出的(在下面进一步详细讨论)、多个AP中的每个AP处于地理上不同位置且用作处于地理上不同位置的一组网络节点的网络网关的情况下，同步到外部时间基准可尤其有益。

图1B示出了与图1A的无线网状网络100类似的示例性无线网状网络150，该网络150的部件和功能以与网络100的对应部件基本相似的方式运行。在网络150中，节点和AP形成物理上分离的设备簇，并且一个簇(子网)的设备可以通过AP(例如，101和105)之间的有线通信链路仅与另一个簇(或子网)的设备进行通信。在这种情况下，这些AP(例如，101和105)可以不通过直接的无线通信彼此通信，外部时间基准117的使用可以使每个AP能够与该外部时间基准(例如，UTC时间或GPS时间)同步，从而使处于地理上不同位置的所有节点和设备保持准确的时间同步。具体而言，处于每个地理上不同位置的至少一个AP可以与外部时钟同步，以确保不同位置之间精确的时间同步，并且处于每个位置的剩余AP可以与网络时间或该外部时钟同步。

在地理上分布的网状网络的情况下以及在地理上整合的网状网络的情况下，可以基于以下标准来定义单个网状网络。如果是以下情况，则可认为两个设备(例如，AP或节点)处于同一网络中：这两个设备共享足够精确以使这两个设备能够彼此无线通信的公共时间基准；这两个设备共享公共网络通信计划表、公共网络ID、公共安全协议(包括加密/解密/安全密钥)、公共频率黑名单、并且分配有在同一网络上兼容使用的网络地址(或其它唯一标识符，例如，MAC地址或节点ID)；和/或，这两个设备可以彼此通信并且已经在网络节点通信计划表中的相同时隙中和相同信道偏移上分配有反向的发送和接收链路。

在运行中，AP在加入无线网状网络时可同步到适当的网络时间。这可以是网络中的要求，这些网络根据时间同步信道跳频(Time-Synchronized channel hopping，TSCH)规则操作，且在这些网络中，所有无线通信遵循一个或多个周期性计划表。通常，节点通过监听来自网络中已有设备的通告包来同步到适当的网络时间。AP可以以与节点相同的方式(例如，通过监听来自网络中已有设备的通告包)进行同步，但是在外部时间源提供高准确度和高精度的情况下，AP可以附加或替代地使用外部时间源以同步。这样，AP可以直接与网络中的其它设备同步，或者，例如若UTC时间源和GPS时间源中的一个可用，则AP可以与UTC时间源或GPS时间源同步。具体而言，在节点或AP中运行的网络PLL算法可用于，基于网络中已有设备或外部时间源提供的一系列时间更新来跟踪时间源。

参考跟踪外部时间源，AP(例如105)可以通过监听来自全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收器的每秒脉冲(Pulse-Per-Second，PPS)信号，将其自身同步到外部时间源(例如，117)。例如，AP可以训练AP内部时钟使之精确地在PPS的上升沿经过每一秒。这种同步可以确保AP知道何时发生新的秒，但是AP可能不知道是哪个秒并由此可能不能完全同步到网络。为了确定与PPS的每个上升沿关联的秒，可以在硬件上查询Unix机器上作为服务运行的网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)时钟。替代地(或附加地)，可根据GPS信号或任何其他相当精确的当前时间源(例如，精确到几十毫秒以内的任何时间源)来确定当前秒。在一个示例中，无线网状网络的网络时间可以固定为从恒定时间(例如，2002年7月2日20:00，对应于绝对时隙号0(Absolute Time Slot Number 0，ASN0))开始。因此，基于当前时间相对于ASN0的信息，可以确定当前网络时间。

一旦在无线网状网络中运行的所有AP被同步到相同的外部时间源(例如，全球准确的时间源)，则这些AP可以对自ASN0起经过的时间达成一致。每个AP可以对PPS信号保持锁定，从而在网络中设备的生命周期内精确地保持其时间感，而不会进行任何内部时钟漂移。因此，每个AP可以使用外部时间源来同步。接着，各个节点的时间基准可以基于由AP发送的通告包被同步到AP的时间基准，这样，各个节点的时间基准被同步到参考时钟(例如，提供UTC时间的参考时钟)的几微秒内。

如上所述，网络中AP之间的同步的替代方法可以涉及监听来自网络中已有设备(例如，节点和其它AP)的通告的AP。每个通告包都包括唯一标识其所关联网络的网络ID，因此接收AP或节点可根据正加入的AP或节点所搜索的网络，通过网络ID来过滤接收到的通告。不同的网络也可具有不同的安全密钥，因此并非所有设备(节点和AP)都能加入所有网络。通告包可以包含当前时间信息(相对于ASN0)。正加入的AP可以等待听到多个通告，或者可以通过向通告设备发送无线包(例如，保活包)来请求时间更新，以便训练该AP的时钟与网络时间同步。在正加入的AP的时钟已趋于足够接近网络时间后，该正加入的AP可以启动与网络管理者的握手过程。

作为加入过程的一部分，网络管理器119可以向正加入的AP提供到现存设备的链路，这些现存设备可以是节点或AP。然后，该正加入的AP可以在网络中这些设备的生命周期内沿着这些链路发送保活包，以继续接收时间更新。注意，只有当网络已经具有至少一个设置网络时间的AP时，AP才会同步到网络时间。在第一AP加入网络的情况下，该AP可以由网络管理器119分配任务以设置网络时间基准。

一旦正加入的AP已与网络时间同步，则该正加入的AP可以直接通过AP-管理器接口询问网络管理器119并且执行加入握手。该过程可不同于正加入该网络的节点所使用的过程，这是因为正加入的节点可能需要经由无线网状网络100与网络管理器119交换一系列握手包，而AP用作该正加入的节点和网络管理器之间的中间节点。多AP系统的加入握手可以与单AP系统的加入握手相同：响应于新设备将自身标识为AP，网络管理器可以向正加入的AP分配网络节点通信计划表中的链路，并向已加入的AP提供网络节点通信计划表，以使已加入的AP通过在该计划表中标识的时间及信道上发送通告包，开始在网络中进行通告。

每个AP可具有未分配给世界上任何其它设备的唯一的长标识符，诸如8字节EUI-64。当该AP加入网络时，该AP可以在握手过程中向网络管理器119提供其唯一的长标识符。然后，该AP通常由网络管理器119分配短标识符(例如，2字节节点ID)，以在该AP所加入的网状无线网络100中使用。短标识符对于该AP所加入的无线网状网络而言是唯一的。类似地，该节点在加入网络时可以被给定短标识符(例如，2字节节点ID)，并且可以使用该短标识符在该网络中进行通信。在单AP网络中，单个AP可以被给定节点ID＝1，剩余的ID(例如，2、3......)可以分配给网络节点。与之不同，在多AP网络中，没有特定的标识符分配给AP或节点。在这两种情况下，对于每个设备，网络管理器可以在长ID和节点ID之间保持映射。

如下详细描述的，在网络中使用多个AP可以提供增加的带宽和增加的冗余，从而提高可靠性。在网络中的设备(例如，AP和节点)仅具有单个无线电收发器并因此一次只能发送或接收一个包的情况下，带宽的改善可尤其显著。因此，当单个AP以最大容量运行时，AP在每个时隙可仅发送或接收一个包，这由此可限制网络管理器119与无线网状网络100中的节点之间的带宽。通过添加第二AP，网络可以使传输到或来自于无线网状网络的包的容量增加大约一倍，并且增加额外的AP可以使网络容量以线性增加。

网络带宽不仅可以用于在节点与AP之间传输应用数据包，还可以用于保活包的业务，这些保活包用于保持节点与网络同步。保活包是在无线网状网络中周期性发送以维持节点之间同步的包，如在美国专利第8,953,581号中更详细描述的，其全部内容通过引用并入本文。因此，通过增加网络中AP的数量，该网络还有利地增加了网络中可支持的节点的数量。注意，节点数量的增加可达到物理无线电空间局限性和设备密度所设置的上限，因此任意地将AP和智能微尘添加到小的有限地理区域是不可行的。

在配置为与多个AP一起使用的网络中，该网络仍可以仅用单个外部计时的AP工作。其结果是，在具有多个外部计时的AP的网络中，即使网络丢失了除一个以外的所有AP，只要网络中剩余的节点在彼此的无线电范围内，网络仍可以保持运行。在AP之间距离很远的情况下可能会产生限制，在这种情况下网状网络包含漏洞(例如，远距离的节点群由于无法彼此无线通信，因此无法将其数据全部路由到同一AP)。在这样的地理上扩展的网络中，可以放置多个外部计时的AP，使得一对AP位于网状无线网络的每个地理单独部分(子网)，以确保即使任何单个AP故障，该网络也可继续运行而不丢失任何节点。

前述讨论集中于具有一个网络管理器119的网络，该网络管理器运行为协调无线网络设备(节点和AP)的运行以使这些设备彼此有效地通信。在一些示例中，网状无线网络可包括多个网络管理器。替代地，如图1B中的虚线轮廓所示例性示出的，可选地可以不在网络系统150中设置网络管理器。在这种不包括独立网络管理器的网络系统150中，网络节点和/或AP可以共同管理无线网状网络的运行，例如通过共同建立用于无线网络运行的通信计划表。

图2A和图2B示出了从GPS源201获取外部时间的串行AP(图2A)和以太网AP(图2B)的示例。在串行AP情况下(图2A)，可以在管理器205和AP控制器207所在的硬件系统(例如，计算机)203上维护当前时间。在以太网AP情况下(图2B)，管理器205可以位于一个硬件系统(例如，计算机)209上，且当前时间可在具有AP控制器207和AP 213的另一个硬件系统(例如，计算机)211上进行维护。在这两种情况下，GPS PPS的上升沿可直接由AP采样。

现在将描述无线网状网络的示例性使用示例。在该示例中，无线网状网络具有三个AP和两个传感器节点。两个AP(AP1和AP2)被同步到外部GPS时钟(例如117)，且第三个AP(AP3)被同步到网络时间。

最初，AP1启动并将其内部时钟同步到外部时间基准时钟，即GPS时钟(例如117)。详细地，基于从外部时间基准接收到的时间信号，AP1将其时钟同步到外部时间基准时钟，并确定自预定义时间基准点(例如，ASN0)起经过的当前时间。因此AP1已经获得了当前秒，并具有自ASN0起经过的当前时间。一旦同步，AP1就通过AP-管理器接口发起与网络管理器(例如，119)的网络加入握手(例如，通过有线链路)。如果网络管理器将AP1加入网络，则网络管理器将网络节点通信计划表建立(或调整)为包括通过网状无线网络通信到AP和自AP通信的通信链路(对应于时隙对和信道)。然后，网络管理器将网络ID、唯一节点ID和网络节点通信计划表传送给已加入的AP1。AP1一旦接收到网络ID、节点ID和计划表，就开始生成通告包，并在网络节点通信计划表中标识的通告时隙内发送通告包。

第一节点(Node1)可监听由AP1发送的通告包。基于通告包中包括的网络时间基准的时间信息，Node1将其自身同步到网络时间基准，并且一旦同步，就生成网络加入包并在网络通信计划表的适当时隙内向AP1发送网络加入包。该加入包由AP1转发给网络管理器。可选地，网络管理器与Node1进行加入握手，并且如果网络加入过程成功，则将Node1加入无线网状网络。然后网络管理器可以将网络节点通信计划表修改为包括通过网状无线网络通信到Node1和自Node1通信的通信链路。将修改后的网络节点通信计划表传送给AP1和Node1，且将唯一节点ID也传送给Node1。然后Node1可以开始在网络上运行。

第二AP(AP2)可启动并将其内部时钟同步到外部时间基准时钟。通过该同步过程，AP2获取当前秒和自ASN0起经过的当前时间。AP2一旦被同步就通过AP-管理器接口与管理器握手。如果网络管理器将AP2加入网络，则网络管理器将网络节点通信计划表修改为包括通过网状无线网络通信到AP2和自AP2通信的通信链路。然后，网络管理器将网络ID、唯一节点ID以及修改后的网络节点通信计划表传送给已加入的AP2。AP2一旦接收到网络ID、节点ID和计划表，就开始生成通告包，并在网络节点通信计划表中标识的通告时隙内发送通告包。

第三AP(AP3)可监听由AP2发送的网络通告(通告包)。基于该网络通告中包含的时间信息，AP3将其时钟与网络时间基准同步，并计算自ASN0起经过的当前时间。AP3一旦与AP2同步且从接收自AP2的网络通告中收到网络ID，就会通过AP-管理器接口与管理器握手。如果网络管理器将AP3加入网络，则网络管理器将网络节点通信计划表修改为包括通过网状无线网络通信到AP3和自AP3通信的通信链路。然后网络管理器将唯一节点ID和修改后的网络节点通信计划表传送给已加入的AP3。AP3一旦接收到节点ID和计划表，就开始生成通告包，并在网络节点通信计划表中标识的通告时隙内发送通告包。

第二节点(Node2)可监听由AP3发送的通告包。基于通告包中包括的网络时间基准的时间信息，Node2将其自身同步到网络时间基准，并且Node2一旦同步，就生成网络加入包，并在网络通信计划表的适当时隙内向AP3发送网络加入包。该加入包由AP3转发给网络管理器。可选地，网络管理器与Node2进行加入握手，并且如果网络加入过程成功，则将Node2加入无线网状网络。然后，网络管理器可以将网络节点通信计划表修改为包括通过网状无线网络通信至Node2和自Node2通信的通信链路。将修改后的计划表和唯一节点ID传送给Node2。然后Node2可以开始在网络上运行。

在运行期间，作为参与周期性或定期网络发现过程的结果，Node1可以发现AP2。例如，Node1可以从AP2接收通告包。作为响应，Node1将收到的通告包通过无线网状网络报告给网络管理器。然后，网络管理器将网络节点通信计划表修改为包括用于通过网状无线网络在Node1和AP2之间通信的通信链路。

接着，即使AP1和AP3发生故障，包括Node1和AP2的无线网状网络也可以继续运行。注意，为了继续运行，Node2需要与网络中剩余的一个或多个节点或AP(例如Node1和AP2)建立无线链路。

如上所述，具有多个AP的网络可以使用一个指定AP的内部时钟来设置网络时间基准，而不是使用外部时间基准。该指定AP用作网络的时间主AP。在这样的网络中，所有的AP基于包括在由时间主AP以及同步到该时间主AP的节点和AP发送的通告包和保活包中的时间信息，将它们的时钟同步到该一个指定的时间主AP的内部时钟。如果时间主AP以外的任何节点或AP丢失，则网络通常可用剩余的节点和AP继续运行。但是，如果时间主AP丢失，则网络管理器119自动指定网络中剩余的另一个AP用作时间主设备。网络管理器119可以随机指定AP，即指定已加入网络最长时间的AP或指定具有最低短标识符的AP等。

替代地，为了实现AP的冗余，具有多个AP的无线网状网络中的两个AP可分别被预先指定为时间主AP和时间从AP。在一个示例中，第一AP(AP1)被指定作为时间主设备运行，第二AP(AP2)被指定作为时间从设备运行。在该示例中，AP1主动参与网络并用作时间主设备。同时，AP2同步到网络时间基准，但不参与网络(例如，不接收或不发送数据包)。而是，AP2等待主AP1故障，并且一旦AP1被确定发生故障，则接管AP1在网络中通信的角色。在这方面，AP1和AP2以独立模式运行，在该模式中，这两个AP中只有一个在任何时候都运行。在该示例中，即使面对AP1的故障，整个网络性能(延迟、带宽)也被有利地保留。

在另一个示例中，AP1被指定作为时间主设备运行且AP2作为时间从设备运行。然而，AP1和AP2都主动参与网络，因此当它们都在工作时，为网络提供更多的入口带宽和出口带宽以及更低的延迟。但是，如果AP1或AP2发生故障，那么保持活跃的AP可以对到该剩余AP具有一跳或多跳路由的任何节点维持网络连通。因此AP1和AP2以冗余模式运行，在这种模式下它们可以同时运行。在该示例中，两个AP中的一个故障的结果是，网络的入口带宽和出口带宽可能会减少并且网络延迟可能会增加。

为了为无线网状网络中运行的AP提供如前文所详述的那样运行的能力，每个AP可包括两个开关：第一开关，该第一开关将AP指定为时间主设备或时间从设备；以及第二开关，该第二开关指定以独立模式或冗余模式运行。这两个开关可以是由网络运营商设置的物理开关，例如在建立网络时设置的。这两个开关可替代地是由网络运营商在初始设备配置时或在网络设置期间设置的软件开关，或者是由网络管理器在网络设置期间或网络运行期间设置的软件开关。

在另外的示例中，AP还可以以自动时钟源模式运行。这些AP可包括用于选择自动时钟源模式的开关，或者可由网络运营商在制造时、网络设置期间或网络运行期间配置为以自动时钟源模式运行。以自动时钟源模式运行的AP将具有由网络管理器(例如，119)设置的该AP的运行模式。例如，该AP可在加入网络时向网络管理器报告其以自动时钟源模式运行。然后，网络管理器可确定AP是否应当同步到该AP的内部时钟、外部时钟或网络时钟。实际上，管理器可将加入网络(并以自动时钟源模式运行)的第一AP分配为根据其内部时钟运行，且可将加入网络的剩余AP分配为根据网络时钟运行，以便使剩余AP将其自身同步到第一AP的内部时钟。替代地，管理器可以将加入网络(并以自动时钟源模式运行)的第一AP分配为根据外部时钟运行，且可以将加入网络的剩余AP分配为根据外部时钟或者网络时钟运行(以便使剩余AP将其自身同步到与外部时钟同步的第一AP的时钟)。在另一个示例中，在网络与一AP的内部时钟同步的自动时钟源模式中，网络管理器可以考虑网络的拓扑结构(并且特别是每个AP到不同网络节点的连通)，以便在一个AP故障时选择应当用作时间基准的网络AP。在这种情况下，如果一个AP故障，则网络管理器可以立即将所选择的AP设置为与其内部时钟同步，然后网络可以继续使用新选择的AP的内部时钟作为网络时间基准而运行。这种运行方法提供了高度的冗余。

总之，用多个AP运行的无线网状网络存在以下优点。第一，通过使AP能够与具有高准确度的外部时间源(例如UTC时间源或GPS时间源)时间同步，AP和网络节点即使位于在地理上分散的网络中，也可以达到高度的时间同步。一旦同步，AP就通过AP-管理器接口使用握手加入无线网状网络。第二，AP可以替代地配置为与来自无线网状网络中已有设备(例如，另一个AP或网络节点)的通告时间同步。这样，AP不一定需要运行为与外部时间源通信，并且即使到外部时间源的通信链路不可用，AP也可以运行。如前，一旦同步，AP就通过AP-管理器接口使用握手加入无线网状网络。第三，在具有多个AP且这些AP中的一个或多个同步到外部准确时间源或被指定为时间主设备的无线网状网络中，该网络即使面对任何其它AP的故障，也可以继续运行而不会有任何数据通信丢失。第四，在具有至少一个与外部时钟同步的AP且多个节点分散在地理上单独位置(每个单独的地理位置具有至少一个AP)的无线网状网络中，与UTC时间或GPS时间的同步使所有节点能够同时进行测量或以其它方式执行具有高时间精度的同时或同步运行。

图3A-图3C示出了图1A和图1B的无线网状网络系统的示例性部件或设备的概要功能框图。图3A示出了节点401的示例，该节点例如为在图1A和图1B的网络系统中使用的节点107、109、111、113或115。节点401包括处理器403(例如，微处理器)和存储器405，该处理器和存储器提供处理能力。存储器405存储应用程序和指令，这些应用程序和指令用于控制节点401运行，处理器403配置为执行存储在存储器405中的应用程序和指令。电源409提供电力来为节点401的运行供电，该电源例如为电池、变压器、太阳能电池、或发电机等等。

附加地，节点401可包括产生感测数据或测量数据的传感器407，感测数据或测量数据被提供给处理器403和/或存储在存储器405中。节点401可以附加地或替代地包括致动器(例如，电动机、或阀等)或由处理器403控制的其它运行输出(例如，显示器)。节点401还包括收发器402，该收发器使得能够通过网络(例如，无线网状网络)与其它节点101或AP 103通信。如图3A所示，收发器401是连接到天线并配置用于无线通信的无线收发器401；在其它实施例中，收发器401可以是有线收发器。节点401的各种部件彼此通信地连接(例如，经由总线或其它通信线路)，并且电连接到电源409以接收运行功率。

图3B示出了AP 411的示例的概要功能框图，该AP 411例如为图1A和图1B的网络系统中使用的AP 101、103和105。AP 411包括基本上与节点401的那些部件类似的多个部件，这些部件包括网状网络收发器412、处理器415(例如，微处理器)、存储器417、可选的传感器、以及电源421。AP 411的这些部件基本上与节点401的相应部件类似，且可以参考节点401中与这些部件及其功能相关的详细信息的描述。类似于节点401，AP 411可选地包括传感器、致动器或其它由处理器415控制的运行输出。

附加地，AP 411可包括双收发器：第一收发器412(例如，网状网络收发器)和第二收发器413(例如，广域网(WAN)收发器)，该第一收发器配置用于与无线网状网络的无线节点通信，该第二收发器配置用于网状网络外部的通信，例如与网络管理器119或应用软件121a/121b通信(例如，经由网络120)。在本文示例中，第一收发器412可以是无线收发器，而第二收发器413可以是配置用于直接与网络管理器119进行有线通信或者间接经由一个或多个网络120进行有线通信的收发器(例如，与以太网标准兼容的收发器)。虽然图3B中示出了两个收发器，但是一些实施例可以包括执行两种通信功能的单个收发器，而在其它实施例中，与网络管理器119的通信可以经由直接有线链路。

AP 411还可包括时钟419，该时钟也称为内部时钟，用于控制AP 411的运行的时间。AP 411还可通过第二收发器413或专用端口(或专用内置GPS接收器)，与外部时钟(例如，117)通信。因此AP 411可运行为将其运行与其内部时钟、外部时钟、或者通过与无线网状网络通信接收的时间信息同步。时钟选择开关423可用于选择AP 411是以自动时钟选择模式还是以手动时钟选择模式运行，在该自动时钟选择模式中，网络管理器119选择AP是将其运行与内部时钟、外部时钟、还是网络时钟同步，在该手动时钟选择模式中，AP本身确定其是与内部时钟、外部时钟、还是网络时钟同步。时钟选择开关423还可包括用于选择AP是用作时间主设备还是时间从设备的开关、以及用于选择AP是以冗余模式还是独立AP模式工作的开关。

在图3A和图3B这两者中，传感器407和409被示为位于节点401和AP 411内。更通常地，传感器407和409可以在节点401和AP 411的外部，但是可以连接到节点401和AP 411以将传感器数据传送给节点401和AP 411。

图3C示出了网络管理器431的示例的概要功能框图，该网络管理器例如为在图1A和图1B的网络系统中使用的网络管理器119。网络管理器431控制网状网络的运行，并充当网络与外部之间的接口(例如，充当网络和外部应用软件121a/121b之间的接口)。具体而言，网状网络与外部应用软件121a/121b之间的所有通信可以流经网络管理器431，或者以其他方式由网络管理器431控制。

网络管理器119在图1A和1B中示出为与AP 101、103和105分离的实体，且示出为与这些AP物理分离。在这种实施例中，网络管理器119和AP是分离的实体，并且可以经由通信电缆(如图所示)、一个或多个有线或无线网络、和/或一个或多个无线通信链路进行通信连接。在其它实施例中，网络管理器119可与一个AP位于同一位置，例如在相同的设备外壳内。在这种实施例中，网络管理器119和AP可具有不同的处理器，可安装在不同的电路板上并且可通过电路板之间的迹线进行通信连接。在另外的实施例中，网络管理器119可在与AP相同的处理器上执行。

网络管理器431包括处理器433(例如，微处理器)和存储器435，该处理器和存储器提供处理能力。存储器435存储应用程序和指令，这些应用程序和指令用于控制网络管理器431的运行，并且处理器433配置为执行存储在存储器435中的应用程序和指令并且控制管理器431的运行。

附加地，网络管理器431包括通信接口，该通信接口诸如收发器432，收发器432用于经由网络120的通信。虽然图3C中示出了单个收发器432，但网络管理器431可包括多个收发器，例如在网络管理器431使用不同的通信标准或协议或者使用不同的网络或通信链路与AP和/或应用软件121a/121b通信的情况下。举例而言，可包括专用通信接口439(例如，专用端口)以与网状网络的一个或多个AP进行通信。如图3C所示，收发器432是连接到网络120的有线收发器；在其它实施例中，网络管理器431包括一个或多个无线收发器，该一个或多个无线收发器连接到天线并被配置用于无线通信。

网络管理器431的各种部件彼此通信地连接(例如，经由总线或其它通信线路)并且电连接到电源以接收运行功率。

网络管理器431提供对网状网络的监督并且可以控制网络的运行。例如，网络管理器431基于存储在存储器435中并在处理器433上执行的程序指令，将节点加入到网络、设置网络时间和/或设置网络通信计划表、以及执行其它网络管理。另外，作为将多个节点和多个AP加入到网络的一部分，网络管理器431可以从多个节点和一个或多个AP接收标识信息，并且可以基于该标识信息来认证所述多个节点和一个或多个AP。

网络管理器431还用作网状网络与外部之间的运行网关或接口—并且特别是用作应用软件121a/121b与网状网络AP和/或节点交互的接口。为此，应用软件接口437可以在处理器433上执行。应用软件接口437可以从网络(例如，从AP、和/或经由AP从节点)接收数据和信息，对数据进行格式化或处理以将数据置于应用软件121a/121b可用的格式中，并将原始或处理后的数据提供给应用软件121a/121b。就此而言，网络管理器431和应用软件接口437可以从节点接收数据和信息，并且可以将从这些节点接收的数据转发到应用软件121a/121b。应用软件接口437还可以从应用软件121a/121b接收数据、信息或控制信息，对该数据、信息或控制信息进行格式化和处理，以将该数据、信息或控制信息置于AP和节点可用的格式中，并将处理后的数据、信息或控制信息提供给AP和节点。

除非另有说明，否则在本说明书(包括在上面的权利要求书)中阐述的所有测量结果、数值、等级、位置、量级、尺寸和其他规格是大概的，而不是精确的。这些规格旨在具有与其所涉及的功能和其所属领域中的惯用一致的合理范围。

保护范围仅由上面的权利要求书来限定。当根据本说明书和以后的审查历史进行解释并为了涵盖所有结构和功能上的等同物时，该范围旨在并且应当被解释为与在权利要求书中使用的语言的普通含义一致的范围。尽管如此，没有任何一项权利要求旨在涵盖不符合“专利法”第101、102或103条要求的主题，也不应该以这种方式被解释。在此拒绝此类主题的任何无意识涵盖。

保护范围仅由上面的权利要求书来限定。当根据本说明书和以后的审查历史进行解释并以涵盖所有结构和功能上的等同物时，该范围旨在并且应该被解释为与在权利要求书中使用的语言的普通含义一致的范围。尽管如此，没有任何一项权利要求旨在涵盖不符合“专利法”第101、102或103章节所要求的主题，也不应当以这种方式来解释。因此，此类主题的任何非故意涵盖在此澄清。

除了上面直接声明的，已经声明或说明的内容均不旨在也不应当被解释为将任何部件、步骤、特征、对象、益处、优点或等同物奉献给公众，不管其是否在权利要求书中记载。

可以理解的是，除非本文另外阐述了特定含义，否则本文使用的术语和表达具有与这些术语和表达相对于其对应的各自的查询域和研究领域相一致的普通含义。诸如第一和第二等的相关术语可以仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的关系或顺序。术语“包括”，“包含”或其任何其他变型旨在覆盖非排他性的包含，使得包括元素列表的过程、方法、物品或设备不仅包括那些元素，还可以包括没有明确列出的或者这些过程、方法、物品或装置固有的其他元素。由“一个”或“一个”开头的元素在没有进一步约束的情况下不排除在包括该元素的过程、方法、物品或设备中存在另外的相同元素。

提供本公开的摘要以允许读者快速确本定技术公开的本质。摘要被提交为不会被用于解释或限定权利要求书的范围或含义的理解。另外，在前面的详细描述中，可以看出，出于简化本公开的目的，各种特征在各种实施例中被组合在一起。这种公开方法不被解释为反映以下意图：所声称的实施例需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征。而是，如上面的权利要求所反映的，创造性的主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，所附的权利要求由此被并到详细说明中，每个权利要求本身作为单独要求保护的主题。

虽然上文已经描述了所认为的最佳方式和/或其他示例，但是可以理解的是，可以在其中进行各种修改，并且本文公开的主题可以以各种形式和示例来实现，该教导可以应用于许多应用中，本文仅描述了其中的一些应用。上面的权利要求书旨在要求落入本教导的真实范围内的任何和所有的应用、修改和变化。